溴酸鈉晶體的生長及光學特性研究【開題報告+文獻綜述+畢業(yè)論文】

1、<p><b>　　畢業(yè)論文開題報告</b></p><p><b>　　理論物理</b></p><p>　　溴酸鈉晶體的生長及光學特性研究</p><p><b>　　選題的背景與意義</b></p><p>　　旋光性又稱光活性，就是指某物質在一束線偏振光透過時

2、能使其偏振面方向轉過一個角度的性質。目前已發(fā)現一些生物物質具有旋光性，例如自然界與人體中的葡萄糖是右旋的，而不同的氨基酸、DNA等也有左右旋的不同等等，這些是目前生物物理學研究的課題。一般地，手性分子都具有旋光性，而非手性分子沒有旋光性。手性介質的應用,使得光學材料由一般的體材料向薄樣品、薄膜化過渡,增加了實用化的可能性，合成和尋找性能良好的手性介質以及對其光學非線性進行理論表征和實驗研究，已逐漸成為一門新興的學科領域。盡管在一個半世紀

3、以前人們就對手性分子有了認識，但手性技術的迅速發(fā)展卻是近二、三十年內的事，由于手性材料的研究尚處于初始階段，還有很多技術難點有待于突破，因此目前還不能大量用于實際中。對手性晶體旋光性的研究不僅可以幫助我們了解晶體的性質，而且對于藥物的開發(fā)以及新型功能材料的研制有著重要意義。</p><p>　　天然晶體早已不能滿足人類社會的需要了，現代工業(yè)對人工晶體的量和質都提出了很高的要求，對于不同的材料，需要用不同的生長方法

4、才能生長出好的晶體。對于晶體的生長有多種方法，根據NaBrO3的化學性質，本論文采用水溶液法生長NaBrO3晶體，爭取生長形狀規(guī)則、透明無雜質缺陷的合格產品并了解它的旋光特性。</p><p>　　二、研究的基本內容與擬解決的主要問題</p><p><b>　　研究的基本內容：</b></p><p>　　用水溶液法生長NaBrO3晶體，分析

5、NaBrO3晶體的光學特性。</p><p>　　擬解決的關鍵科學問題:</p><p>　　用水溶液降溫法生長出比較規(guī)則，無雜質缺陷的NaBrO3晶體，分析NaBrO3晶體的旋光性。</p><p>　　三、研究的方法與技術路線</p><p>　　1、用蒸餾水配制NaBrO3溶液，通過恒溫蒸發(fā)法培養(yǎng)出籽晶，用渦流法測定溶液的飽和溫度，并用

6、降溫法生長晶體。</p><p>　　2、對所得NaBrO3晶體進行研磨，使其變平整、光滑，并分析其旋光特性。</p><p>　　四、研究的總體安排與進度</p><p>　　10.12.17之前 文獻調研、文獻翻譯、文獻綜述及開題報告</p><p>　　11.4.4 之前 樣品制備：用蒸餾水配制NaBrO3溶液，通過恒溫蒸發(fā)

7、法培養(yǎng)出籽晶，用渦流法測定溶液的飽和溫度，并用降溫法生長晶體。</p><p>　　11.4.4 之前 測試分析：對所得NaBrO3晶體進行研磨，使其變平整、光滑，并分析其旋光特性。</p><p><b>　　主要參考文獻</b></p><p>　　1. 姚連增，晶體生長基礎 ，合肥：中國科學技術大學出版社 ,1995，12。<

8、;/p><p>　　2. 諸　平，手性分子研究的過去、現在與未來——2001 年諾貝爾化學獎深遠意義剖析，寶雞文理學院學報(自然科學版)，2002 ，3。</p><p>　　3. 溶解度數據庫 - IUPAC / 國家標準與技術協(xié)會。</p><p>　　4. 張貞柯，林景臻。溴酸鈉晶體生長和雜質對晶體形狀影響的研究，1994-2010 China Acadmeic

9、Journal Electronic Publishing House.</p><p>　　5. Tetsuo Inoue*, Kazumi Nishioka. Effects of impurity upon the habit changes in NaBrO3 crystals grown from aqueous solution,Journal of Crystal Growth 212 (2000)

10、 507-511.</p><p>　　6．Eric R.C. Holcomb ， Tetsuo Inoue * ，Kazumi Nishioka.Habit changes in NaBrO 3 crystals grown from an aqueous solution. Journal of Crystal Growth 158 (1996) 336-339.</p><p>&l

11、t;b>　　畢業(yè)論文文獻綜述</b></p><p><b>　　物理學</b></p><p>　　溴酸鈉晶體的生長及光學特性研究</p><p>　　摘要：晶體生長方法大致五種，根據的性質，我們采用水溶液降溫法生長大塊溴酸鈉晶體。在晶體生長過程中，對其形態(tài)有影響的主要因素是溫度、過飽和度和雜質。對溴酸鈉光學特性的研究（旋光

12、性和色散等），可以了解溴酸鈉晶體的許多物理化學性質，對新型光學功能材料的開發(fā)具有重要意義。</p><p>　　關鍵詞：NaBrO3，晶體生長，旋光性，色散</p><p>　　NaBrO3晶體無色透明、易溶于水，比重為3.339（17.5℃），熔點為381℃，晶體不含結晶水，宏觀外形為正四面體，屬于立方體系，每個單胞包含有四個分子，其單胞參數a=6.705×10-10m[1]。

13、由于NaBrO3晶體主要晶面任何一對之間夾角恒等70°32′，所以不需要任何加工就可直接代替光學玻璃用作棱鏡，在光譜儀等方面得到應用[1]。</p><p>　　較早出現的人工晶體是常見的食用鹽氯化鈉晶體，它一般是將海水曬干后得到的，這種方法屬于溶液生長法，其它的晶體生長方法還有熔體生長法，氣相生長法，固相生長法和薄膜生長法。這些生長方法在具體實踐中還有許多變種，究竟采取哪一種方法要根據材料的物理化學性

14、質、相圖以及方法本身的特點而定[2]。根據NaBrO3晶體易溶于水等性質以及用溶液法生長晶體簡單，能夠生長出大的晶體等特點，又因為NaBrO3在水中的溶解度隨溫度的升高而增大，所以我們采用水溶液降溫法生長NaBrO3晶體。</p><p>　　晶體生長中會出現不同物相之間的轉化過程。在這一過程中體系的溫度、組分、壓力等條件會影響最終生成晶體的大小、形狀[2]。用溶液法生長晶體的主要影響因素是生長溫度、過飽和度和雜

15、質等。已有人在溫度為29-46°C和過飽和度為ln(C/Ce)= 0.0-0.1（Ce: 平衡摩爾分數）范圍內觀察了溴酸鈉（NaBrO3）晶體從水溶液中生長出來這一過程，對晶體形態(tài)產生影響的主要因素是生長溫度和過飽和度[3]。實驗是這樣做的：將溶液樣品放到一顯微鏡載物片上，并用一控溫器控制溶液的溫度；確定平衡溫度后降低樣品溫度，溶液達到過飽和后就會生長晶體，樣品溫度每降低ΔT就相應的拍一張晶體生長狀態(tài)的照片；通過ΔT數據和飽和

16、度曲線計算出每個階段中溶液的過飽和度。實驗結果顯示，晶體生長時有三種形態(tài)：立方的，四面體型的和多面體型（立方與四面體的復合）的。在較高溫度范圍（T>34°C）內，隨著過飽和度的增大，晶體形態(tài)是從多面體向立方體轉變，多面體形態(tài)在低溫范圍產生，并且隨著溫度的上升這一形態(tài)的區(qū)域會逐漸變大，四面體型的晶體只在低溫（T<34°C）存在。另外值得注意的是，當生長溫度為34.5°C時，一個晶體在ln(C/Ce

17、</p><p>　　如果溶液中摻有雜質，則雜質對晶體的生長亦非常重要。在過飽和度：ln(C/Ce)=0-0.24，（Ce：平衡摩爾分數），生長溫度：20-64℃范圍內，從摻有雜質乙酸（濃度為1.15 mol%）的水溶液中生長NaBrO3晶體，可以觀察到，在低過飽和度范圍內雜質對NaBrO3晶體形態(tài)改變的影響非常重要[4]。這個實驗操作與前面提到的大致相同，結果卻有所不同。i）在低過飽和度范圍內，晶體從

18、四面體形態(tài)變成立方形態(tài)的轉變溫度在摻雜溶液中比純溶液中更高。ii）在摻雜的溶液中，晶體形狀由四面體形態(tài)變?yōu)榱⒎襟w形態(tài)的轉變溫度隨著過飽和度的增加突然降低，并且，通過在溶液中加入雜質，在高過飽和度范圍內，隨著過飽和度變化的轉變溫度曲線向左稍微有所偏離。這兩個差別要歸因于雜質的影響。為了定性解釋雜質對晶面生長速率的影響，該論文[4]中引用了三各晶體生長模型Cabrera and Vermilyea的模型，Kubota and Mullin模

19、型和Derksen et al.的模型。由于沒有將隨時間變化的雜質吸附作用對晶層生長速率的影響考慮進去，這些模型不能解釋在摻雜溶液中，在高過飽和度時，隨著過飽和度變化</p><p>　　通過對在水溶液中生長NaBrO3晶體的研究，我們可以設置合適的溫度、過飽和度和加入適量的雜質生長出符合我們要求的晶體。但生長晶體的最終目的是要其應用到實際的社會活動中，而要做到這一步我們就不得不研究晶體的相關性質，這里主要說一下

20、其旋光性、色散性和各向同向性。</p><p>　　旋光性又稱光活性，就是指某物質在一束線偏振光透過時能使其偏振面方向轉過一個角度的性質。一般地，手性分子都具有旋光性，而非手性分子沒有旋光性。一個線偏振的光經過手性物質時光的偏振方向會被旋轉，旋轉的量與該物質的量有關，并與該物質的內稟性質有關，而旋轉的方向則與手性分子的結構有關。分子的旋光性不只表現在對光的電磁場的偏轉性上，還表現在對圓偏振光的吸收與散射方面，這兩

21、個性質統(tǒng)稱為ＣＤ[5]。物質的旋光特性在工業(yè)應用中比較常見的技術是“量糖術”[6]，另外旋光特性與物質的微觀結構有著密切的關系，可以通過研究物質的旋光特性來獲得物質微觀結構的相關信息[7]。</p><p>　　物質的折射率隨波長改變的現象稱為光的色散[8]。廣義的說，某一物理量是波長（或頻率）的函數也常常稱為色散[8]，如晶體旋光率隨光波長的變化稱為旋光色散。折射率隨波長變化的快慢程度用色散率表征，在實際中，使

22、用光學材料時要注意它的色散率大小。</p><p>　　各向同性亦稱勻質性，就是物理、化學性質不隨量度方向變化的特性，與之相反的是各向異性。對晶體這方面的研究可以得知其在電性、磁性和結構等方面的一些性質。</p><p>　　通過晶體培養(yǎng)，生長出形狀規(guī)則、透明度好的晶體，再對晶體的進行光學特性分析，是一個非常有意義的課題，它不但可以幫助我們掌握晶體的生長方法，了解其旋光性、色散等方面的性質

23、而且對于新型光學功能材料的開發(fā)有著重要意義。</p><p><b>　　參考文獻：</b></p><p>　　張貞柯, 林景臻. 溴酸鈉晶體生長和雜質對晶體形狀影響的研究[J]. 人工晶體學報, 1982, Z1: 77- 78. </p><p>　　姚連增. 晶體生長基礎[M]. 合肥: 中國科學技術大學出版社, 1995, 12- 2

24、8.</p><p>　　Eric R.C. Holcomb, Tetsuo Inoue, Kazumi Nishioka. Habit changes in NaBrO3 crystals grown from an aqueous solution [J]. Journal of Crystal Growth, 158 (1996): 336- 339.</p><p>　　Tetsu

25、o Inoue, Kazumi Nishioka.. Effects of impurity upon the habit changes in NaBrO3 crystals grown from aqueous solution [J]. Journal of Crystal Growth, 212 (2000): 507- 511.</p><p>　　吳國楨. 旋光性[J]. 化學通報, １９９３(９).

26、</p><p>　　趙凱華. 光學 下冊[M]. 北京: 北京大學出版社, 2004, 222- 223.</p><p>　　向前, 高英, 馬春紅. 分子結構與旋光性關系的研究[J]. 吉林省教育學院學報, 2007, 23(12):85- 87.</p><p>　　游璞, 于國萍. 光學[M]. 北京: 高等教育出版社, 2006, 50.</p&g

27、t;<p><b>　　本科畢業(yè)設計</b></p><p><b>　　（20 屆）</b></p><p>　　NaBrO3晶體生長及光學特性研究</p><p><b>　　摘　要</b></p><p>　　【摘要】介紹了NaBrO3這類各向同性旋光晶體

28、，概述了幾種光學晶體的生長方法，基于飽和水溶液降溫法生長出主尺寸為29.2mm的多面體型NaBrO3晶體，并從理論和實驗上分析了它的光學特性。用溴鎢燈所發(fā)出的白光源對NaBrO3晶體的旋光色散特性進行了測試，并用最小二乘法得出在晶體中的旋光率隨波的擬合曲線圖。最后利用NaBrO3晶體各向同性和旋光色散特性設計了一種新型的光學濾波器，從理論和實驗兩方面對其進行了數值模擬，得到紅光對綠光和綠光對紅光的消光比分別為7.4dB和8.2dB，取得

29、了良好的濾波效果。</p><p>　　【關鍵詞】NaBrO3；晶體生長；旋光色散；濾波器。</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　【ABSTRACT】A polyhedral NaBrO3 crystal with main size of 29.2mm has been introduced and gr

30、own from an aqueous solution by lowering temperature of the solution, its optical character has been analyzed in theory and experiment. Using Bromine tungsten lamp, we test the optical rotatory dispersion of NaBrO3 cryst

31、al, and get the optical rotatory dispersion chart based on the least square method. Based on the optical rotatory dispersion, the isotropy of NaBrO3 crystal and the Bresweter angle, a new opt</p><p>　　【KEYWO

32、RDS】NaBrO3; crystal growth; optical rotatory dispersion; optical filter.</p><p><b>　　目　錄</b></p><p><b>　　摘　要7</b></p><p>　　AbstractVIII</p><p>

33、;<b>　　目　錄IX</b></p><p><b>　　1引言10</b></p><p><b>　　2晶體生長11</b></p><p>　　2.1晶體生長方法簡介11</p><p>　　2.2溶液法12</p><p>

34、　　2.3從水溶液中生長NaBrO3晶體14</p><p>　　3NaBrO3晶體旋光特性研究17</p><p>　　3.1概念和理論簡介17</p><p>　　3.2實驗及數據處理18</p><p><b>　　3.3小結20</b></p><p>　　4利用Na

35、BrO3晶體制作光學濾波器21</p><p>　　4.1理論與計算21</p><p>　　4.2實驗測試及數據分析23</p><p><b>　　4.3小結24</b></p><p><b>　　5總結26</b></p><p><b>

36、　　參考文獻27</b></p><p>　　致謝錯誤!未定義書簽。</p><p><b>　　引言</b></p><p>　　NaBrO3晶體無色透明，易溶于水，比重為3.339（17.5℃），熔點為381℃，不含結晶水，宏觀外形為正四面體，屬于立方晶系，每個單胞含有四個分子，單胞參數為a=6.705[1]。由于NaBrO

37、3晶體主要晶面之間的夾角都恒為70°32′，所以不需任何加工可直接代替光學玻璃用作棱鏡，在光譜儀等方面得到應用[1]，而且NaBrO3晶體具有各向同性和旋光特性等性質，故而對NaBrO3晶體的生長及光學特性進行研究不僅可以為旋光機理的研究提供可靠的數據參考，而且能夠有助于將其用于各類光學器件中。</p><p>　　由于生產和生活的多種需要，人們對晶體生長的研究已有數百年的歷史，另外，隨著當前激光技術等

38、現代光電技術對高質量、高性能的晶體的大量需求，亟待尋求一種簡單、廉價、便捷的晶體生長方式。目前已有人對從水溶液中生長NaBrO3晶體做了一些研究。Eric R.C. Holcomb 等在文獻 [2] 中指出NaBrO3晶體的生長形狀與溶液溫度和過飽和度有關，在較低溫度下，晶體容易長成四面體型，在高溫下，溶液過飽和度較高時長成立方體型，較低時則變?yōu)槎嗝骟w型。在文獻[3]中Tetsuo Inoue等提到，在低過飽和度范圍內，一定的乙酸雜質會

39、使得晶體從四面體形態(tài)變成立方形態(tài)的轉變溫度在摻雜溶液中較純溶液中高，有些雜質也會對NaBrO3晶體生長速率產生有益的影響，如一定比例的（如3%）的Na2SO4能較大提高NaBrO3晶體的成核率[1]。</p><p>　　目前，已知有多種旋光晶體，如NaNO3、NaClO3和石英晶體等，石英晶體由于其各向異性也就是光軸的限制，使其較之于NaNO3等各向同性晶體有明顯的缺點。在研究旋光色散方面，由于NaBrO3晶體

40、各向同性，并不需要實驗去測定它的光軸，而且光波可在晶體里自由傳播并不發(fā)生雙折射現象。物質的旋光特性在工業(yè)應用中比較常見的技術是“量糖術”[4]，由于旋光特性與物質的微觀結構有著密切的關系，可以通過研究物質的旋光特性來獲得物質微觀結構的相關信息[5]。</p><p>　　光學濾波器是在連續(xù)光譜中用于透過一定寬度的光譜帶或在線狀光譜中用于提取某些光波的波長選擇器件[6]。目前研究最為成熟且應用廣泛的是基于雙折射濾光

41、片或多光束干涉濾光片[6]，最近隨著開放式激光通訊的發(fā)展，Faraday色散光學濾波器[7]等新型濾波器也相繼出現。也有基于物質旋光特性制作濾波器的相關研究，但其多采用石英晶體[8,9]，而對于利用各向同性晶體制作濾波器的報道則很少見到。本文將利用NaBrO3晶體各向同性和旋光特性以及光線以布儒斯特角進行內反射時反射光P分量光強為零的特點制作光學濾波器，它制作簡單，材料少，而且能夠連續(xù)調制兩種波長的透射光強，故還可以作為一種較為良好的雙

42、穩(wěn)態(tài)器件。</p><p><b>　　????</b></p><p><b>　　晶體生長 </b></p><p><b>　　晶體生長方法簡介</b></p><p>　　用人工方法生長晶體已經有幾千年的歷史，這其中最主要的晶體要數純度不高的氯化鈉晶體，從19世紀開始，

43、對晶體生長方法的研究逐漸發(fā)展起來。當前，我們可以用人工的方法合成或生長幾乎全部的天然晶體，而且還可合成多種的非天然的新晶體，較大程度地滿足了社會的需求。根據晶體生長時原料的狀態(tài)對晶體生長進行分類，大致有以下五種方法[10]：液體生長法，熔體生長法，氣相生長法，固相生長法和薄膜生長法（即制備薄膜）。在具體實際中每種方法又都有許多變種，至于采取哪種方法，要根據材料的物理化學等性質決定。以下簡要介紹前四種方法及其優(yōu)缺點[10]。</p&

44、gt;<p>　　溶液法：即是從溶液中結晶，是自然界中大量存在的一種結晶方式，又可分為降溫法、恒溫蒸發(fā)法、循環(huán)流動法和溫差水熱法等。其中最常用的是降溫法，基本原理是利用溶質較大的正溶解度系數，保持溶劑總量不變，逐漸降溫以使晶體逐漸析出。溶液法方法簡單、培養(yǎng)的晶體應力小以及均勻性良好，但是晶體生長速度慢，并且需要合適的溶劑和較高的控溫精度。</p><p>　　熔體法：基本原理為，當結晶物質溫度高于熔

45、點時，就會熔化成熔體，當熔體溫度低于凝固點時就會轉變?yōu)榻Y晶固體。它是研究和使用最廣泛的一種方法，許多光學、半導體、激光技術等所需要的晶體材料多數由此法生長，又可細分為提拉法、下降法、焰熔法、導膜法和冷坩堝法等。利用熔體法，晶體生長速度較快、純度及完整性較高，但是不適用于冷卻時會發(fā)生固態(tài)相變的材料，而且還要采取合適的熱處理工藝以消除熱應力及部分缺陷。</p><p>　　氣相法：原理是將物質通過升華、蒸發(fā)、分解等過

46、程轉化為氣態(tài)，并在一定條件下使之轉變?yōu)轱柡驼羝涍^冷凝面結晶生長出晶體。由于氣相法反應機制比較復雜，所以在方法上有許多變種，較常見的有真空蒸發(fā)鍍膜法、升華法和化學氣相沉積法等。用此方法生長的薄膜晶體純度高、完整性較好，但生長速度慢且不宜生長大塊晶體。</p><p>　　固相法：也稱再結晶生長法，主要靠在固體材料中的擴散從而使多晶變?yōu)閱尉?，可細分為高壓法和再結晶法等。固相法的優(yōu)點是，物質可以在不添加組分的低溫下

47、進行生長而且晶體的形狀可以人為控制；缺點是不適宜生長大塊晶體。</p><p>　　根據原材料和實驗條件、環(huán)境的差異，選擇適宜的晶體生長方法對生長出性能優(yōu)異的晶體尤為重要。</p><p>　　NaBrO3晶體易溶于水，比重為3.339（17.5℃），熔點為381℃[1]，并且加熱時易分解，有毒。根據NaBrO3晶體的這些性質以及現有的一些實驗設備，我們選擇用水溶液法生長NaBrO3晶體。

48、</p><p><b>　　溶液法</b></p><p>　　目前，溶液法已經成為應用最廣泛、工藝最成熟的晶體生長方法。以下先介紹溶液法中涉及到的一些基本概念，然后根據溶解度曲線簡單介紹用溶液法生長晶體的基本規(guī)律。</p><p>　　從溶液中生長晶體時，其中最重要、最基本的參數要數溶解度了。溶解度是指在特定溫度、壓力下飽和溶液的濃度。與溶

49、質固相處于平衡狀態(tài)的溶液稱為該物質的飽和溶液，但實際上，有時溶液中所含的溶質量比同一條件下飽和溶液中所含的溶質量還要多，這樣的溶液被稱為過飽和溶液。一般溶液都有程度不同的過飽和現象。</p><p>　　一般情況下，壓力對晶體的溶解度影響較小，主要是溫度對其有較大的影響。對于某種特定溶劑(由于對于多數的無機和有機鹽而言，水是比較理想的溶劑)中的某種溶質，我們可以測得其溶解度與溫度之間的關系，繪制成曲線就得到溶解度

50、曲線，它是選擇生長方法和生長溫度的重要依據。</p><p>　　如圖2.1[10]所示，曲線AB為較典型的溶解度曲線，它將整個溶液區(qū)劃分為兩部分：曲線上部分稱為過飽和區(qū)（或稱不穩(wěn)定區(qū)）；曲線下部分稱為不飽和區(qū)（或稱穩(wěn)定區(qū)）。在過飽和區(qū)，溶液的不穩(wěn)定程度是有所區(qū)別的?？拷芙舛惹€的區(qū)域里，溶液穩(wěn)定性要稍好些，如果沒有雜質或其它人為引入的晶核等因素干擾，則該區(qū)域里的溶液不會自發(fā)析出晶體。而稍遠離溶解度曲線的區(qū)域，

51、其溶液的穩(wěn)定性就很差，即使沒有上述干擾，也會自發(fā)析出晶體。對于這種現象有人曾引入“不穩(wěn)定過飽和”和“亞穩(wěn)定過飽和”的概念，圖2.1中的曲線A′B′就是劃分這兩個區(qū)域的分界線。從培養(yǎng)晶體的角度出發(fā)，我們總希望析出的溶質都只在籽晶上生長而不發(fā)生在其它地方。因此，從溶液中培養(yǎng)晶體的過程就是在亞穩(wěn)過飽和區(qū)進行的[11]。</p><p>　　圖2.1 典型溶解度曲線</p><p>　　要使溶液中

52、析出晶體，就必須使溶液達到過飽和狀態(tài)。由圖2.1可知，要使C點處的不飽和溶液達到飽和，有兩條路徑可走：CAA′與CBB′。CAA′這條路徑即是通過保持溶液濃度不變，降低溶液溫度來實現的，可稱為降溫法。CBB′是通過保持溶液溫度不變，增加溶液濃度來實現的，可稱為恒溫蒸發(fā)法。一般情況下，對于溶解度和溫度系數（指的是在一定壓力下，物質在溶劑中溶解的變化量ΔW與溫度變化量ΔT的比值，即K=ΔW／ΔT）較大的物質，采取降溫法較好。依據文獻[12]

53、所提供的NaBrO3溶解度數值表，基于最小二乘法模擬繪制出溶解度曲線圖2.1，由圖知NaBrO3在水溶液中的溶解度及溫度系數都非常大，所以我們采取降溫法來生長NaBrO3晶體。</p><p>　　圖2.2 NaBrO3水溶液溶解度曲線</p><p>　　目前，根據溶液中晶體生長的規(guī)律，人們已經設計了許多從溶液中培養(yǎng)晶體的方法，它們都基于同一種原理：一要使溶液達到過飽和；二是避免非均勻

54、成核，可引入籽晶，同時控制溶液的濃度使之始終處在亞穩(wěn)定飽和區(qū)，另外也要使溶液足夠清潔，降低因雜質引起的非均勻成核的幾率[11]。</p><p>　　溶液法簡單并且容易生長大晶體，但生長速度較慢，且需要較高的控溫精度。在一定溫度T下，溫度波動ΔT對晶體生長的影響取決于ΔT/T，對于一定的波動ΔT，可以升高溫度T來降低ΔT/T的數值，從而減少溫度波動對晶體生長的影響。對于生長速率問題，上章提到過3%的Na2SO4能

55、較大提高NaBrO3晶體的成核率[1]。</p><p>　　在生長大晶體之前，一般需要生長籽晶，籽晶生長的要求不需要很高，一般用恒溫蒸發(fā)法。之后便開始生長大晶體，圖2.3 為從溶液中降溫生長晶體的裝置示意圖[10]。</p><p>　　1.籽晶架；2.晶體；3.轉動密封裝置；4浸沒式加熱器；5.攪拌器；6.控制器（接觸溫度計）；7.溫度計；8.育晶器；9.有空隔板；10.水槽</

56、p><p>　　圖2.3 水浴育晶裝置</p><p>　　生長溶液放在育晶器8里，上口密封以防止溶液蒸發(fā)和外部雜質干擾。籽晶2固定在籽晶架1上，為了使籽晶始終處于均勻的過飽和溶液中，必須使得籽晶相對于溶液做勻速相對運動，這就是安裝轉動密封裝置3的原因。整個育晶器放在一個大的水槽里以減小溫度波動幅度。降溫法生長晶體的關鍵是掌握合適的降溫速度，以確保晶體始終處于亞穩(wěn)過飽和，使得晶體正常生長。&l

57、t;/p><p>　　從水溶液中生長NaBrO3晶體</p><p>　　先用恒溫蒸發(fā)法生長籽晶，然后用降溫法生長大塊NaBrO3晶體。</p><p><b>　　籽晶生長</b></p><p>　　實驗設備及物品：NaBrO3粉末，蒸餾水，燒杯，玻璃棒，量筒，電子秤，水浴裝置，控溫器，恒溫箱等。</p>

58、<p>　　實驗內容：一，制備30℃（當時室溫為15℃左右）時NaBrO3飽和溶液。將 84.0gNaBrO3粉末放入裝有200ml蒸餾水的燒杯中，攪拌，然后將燒杯放入溫度恒為30℃的水浴設備中，繼續(xù)攪拌直至NaBrO3粉末完全溶解。二，蒸發(fā)結晶。將制備好了的NaBrO3飽和溶液放入30℃的恒溫箱中蒸發(fā)，大約一天過后，就可以得到較好的籽晶——形狀規(guī)則、透明無瑕疵、的小晶體。</p><p><b&

59、gt;　　大塊晶體生長</b></p><p>　　實驗設備及物品：較好的籽晶，NaBrO3粉末，蒸餾水，玻璃棒，一整套水浴育晶裝置等。</p><p>　　實驗內容：一，配制母液 。在室溫下，將1410g （根據圖2.2，我們粗略得到72℃時，NaBrO3水溶液中的溶解度為70.5g左右）NaBrO3粉末放入裝有2000ml蒸餾水的育晶器里，攪拌，然后將育晶器放入溫度為72℃

60、的育晶水槽中，繼續(xù)攪拌溶液，直至粉末完全溶解。二，測飽和點（溫度）。由于72℃并非所得溶液的精確飽和點，并且實際中壓力不是標準大氣壓以及一些雜質的干擾等原因，所以仍需測量溶液飽和溫度。我們將預熱過的籽晶放入溶液中，逐漸改變溫度，通過濃度渦流法確定飽和溫度（如果溶液是不飽和的，晶體棱角就會溶解，表面附近的溶液濃度較周圍的大，變得較重而向下運動，形成向下的液流；如果溶液是過飽和的，晶體棱角就會“發(fā)毛”，表面附近的溶液濃度較周圍的小，變得較輕

61、而向上運動，形成向上的液流，可以通過觀察液流運動方向的變化來確定溶液飽和溫度）[11]。最后我們得到實驗中的母液的飽和點是75.0℃。三，降溫法生長晶體。先將水槽溫度升至88℃，將母液處于過熱情況（88℃）下12小時，之后降溫至75.5℃，降溫過程可在12小時內完成。放入已經預熱的較好籽晶，根據以往的經驗，在操作過程中有熱量損失，溫度一</p><p>　　表2.1 實驗期間溶液溫度表</p>&

62、lt;p>　　圖2.4 NaBrO3晶體實物圖</p><p>　　圖2.4所示晶體大致形狀為正四面體截去四個頂角后得到的多面體，平行面間的距離d=29.2mm，兩個大面（如圖中的上面與右面）之間的夾角θ=70.5°。</p><p>　　實驗結果說明：以下我們簡要解釋所得晶體形狀問題。根據Eric R.C. Holcomb 等所得到得實驗結論，在低溫下容易長出四面體和立

63、方體的NaBrO3晶體，在高溫下則容易變?yōu)槎嗝骟w。在我們的實驗中，由于考慮到實驗設備控溫精度不是很高，溫度波動會成為影響晶體生長的主要原因，于是我們放棄了低溫條件以降低ΔT/T的數值，最終為我們得到如圖2.4所示的多面體型晶體。</p><p>　　NaBrO3晶體旋光特性研究 </p><p><b>　　概念和理論簡介</b></p><p&g

64、t;　　當線偏振光沿某些晶體光軸（若晶體為各向同性，如NaBrO3晶體，則沿任意方向皆可）傳播時，其振動面會旋轉一定的角度，這種現象稱為旋光現象，能夠使線偏振光的振動面發(fā)生偏轉的物質叫做旋光性物質。其偏轉的角度θ與光在該晶體里傳播的路程l成正比[13]，即</p><p><b>　?。?-1）</b></p><p>　　式中叫做該晶體旋光率。有些溶液和液體也能夠發(fā)

65、生旋光現象，如蔗糖水溶液，這時上式修正為</p><p><b>　　（3-2）</b></p><p>　　式中[α]為溶液或液體的旋光率，C為溶液的濃度（若是液體則C=1）。另外還有磁致旋光現象[14]。另一方面，旋光物質的旋光率不僅與物質結構有關還與入射的波長相關，當用白光照射處于偏振方向正交的偏振片之間的旋光物質時，會出現其他色彩，轉動出射偏振片，色彩就會改變

66、，這種現象叫做旋光色散[15]。</p><p>　　對旋光現象的菲涅耳唯象解釋[13]。</p><p>　　圖3.1 菲涅耳的旋光唯象解釋示意圖</p><p>　　如圖3.1所示，菲涅耳假設線偏振光是由頻率相同但旋向相反的兩束圓偏振光組成的，并且它們在旋光物質中的傳播速度不同。假設在剛進入旋光物質的那一時刻，線偏振光的振幅達到最大值，此時將光線分解為左、右旋圓

67、偏振光，兩束光的電矢量ER和EL開始分離，不妨設vR＞vL，則光線離開旋光物質的前一時刻，ER旋轉的角度φR大于EL旋轉的角度φL，如圖3.1所示，它們的合振動方向偏轉的角度θ為，</p><p><b>　?。?-3）</b></p><p>　　式中nL和nR是左右圓偏振光在旋光物質中的折射率。菲涅耳還用多塊右旋與左旋交替排列的石英晶體組合分離出了旋向相反的圓偏振

68、光，從而證實了自己的解釋。</p><p>　　關于旋光現象的解釋還有螺旋理論[16,17]，該理論認為所有光學活性分子都具有螺旋結構，它是導致旋光物質具有旋光性的根本原因，即物質的旋光性與其微觀分子結構有關，</p><p>　　對于物質旋光現象的應用方面，我們可以利用公式（3-1）測量某些晶體薄膜的厚度，利用公式（3-2）測量溶液的濃度，這方面工業(yè)應用的比較成熟的是“量糖術”，也可以利

69、用螺旋理論得知旋光物質微觀結構的相關信息等等。</p><p><b>　　實驗及數據處理</b></p><p>　　由公式（3-1）可得旋光率</p><p><b>　?。?-4） </b></p><p>　　下面將通過實驗測得光NaBrO3晶體中傳播的路程l和不同波長的線偏振光振動面

70、所偏轉的角度θ，判斷α的正負，即NaBrO3晶體的旋光方向并利用上式得到不同波長λ對應的晶體旋光率α的值，繪出α - λ關系圖。</p><p>　　實驗裝置如圖3.2。 </p><p>　　1.溴鎢燈；2.起偏器；3. NaBrO3晶體；4.檢偏器；5.光纖光譜儀；6.步進電機；7.PC終端。</p><p>　　圖3.2 NaBrO3晶體旋光特性測試實驗裝置

71、圖</p><p>　　圖中光纖光譜儀所接收的光波波段為400nm—1000nm，考慮到觀察效果（各波長所對應的光強大小不同，光強越大，效果越明顯），我們選擇499.95nm, 550.06nm, 600.09nm, 700.06nm, 750.02nm, 799.96nm, 849.97nm（由于光譜儀精度，無法取整數值）這六個波長作為研究的對象。實驗開始前調整起偏器2與檢偏器4，使得它們的透振方向彼此正交。實

72、驗中，逆著光觀察，隨著步進電機7的轉動，檢偏器4順時針轉動。逆著光觀察并記下以上波長對應的光強為零時的檢偏器4所轉過的角度β。</p><p>　　NaClO3的旋光率隨著波長的增大而減小[18]，NaBrO3和NaClO3結構相同，具有相似的旋光特性，再由公式（3-1）知，波長越大，光波旋轉角θ的絕對值應該越小，所以如果最后我們得到對應波長的六個β值是從大到小的順序排列的，那么我們實驗中的NaBrO3晶體即為右

73、旋晶體；反之，如果六個β值是從小到大順序排列的，那么我們的NaBrO3晶體就是左旋晶體了。至于可能出現的其它一些無規(guī)律的排列情況，這是由于部分波長較短的光波振動面旋轉角度超過了360°，而波長較長的則沒有超過的緣故，這種情況我們也可以分析旋光的方向，若排列的數值是可分為兩列遞減數列（或一個數值與一個遞減數列），則可認為是右旋的，否則為左旋的。最終實驗中我們得到的β值是從大到小的順序排列的，這就說明我們的晶體是右旋的。我們測得光

74、在晶體中傳播的路程為l=d=29.2mm，而β值此時即為光旋轉角θ，利用公式3.4我們得到不同波長λ所對應的晶體旋光率α。實驗數據及處理見下表</p><p>　　表3.1 旋光特性測試數據及處理</p><p>　　根據上表，并基于最小二乘法通過Origin數學軟件進行模擬，我們得到旋光率隨波長變的擬合曲線即旋光色散曲線3.3。</p><p>　　圖3.3

75、旋光色散曲線</p><p>　　圖中α與λ的數值關系式[19]為</p><p><b>　?。?-5）</b></p><p>　　其中殘差平方和RSS=1.6098×10-4，相關系數R2=0.99982，說明擬合函數基本符合實驗數據（由圖知，在波長最小的點處曲線往上凸起，此點處誤差較大）。由（3-5）式，我們得到波長為632.

76、8nm和532nm時，旋光率分別為1.80° mm-1和3.05° mm-1，這兩組數據將為下章研究做參考。 </p><p><b>　　小結</b></p><p>　　用溴鎢燈為光源加之光纖光譜儀測試了溴酸鈉晶體不同波長下的旋光率，并用最小二乘法對實驗數據進行了擬合，計算出擬合誤差，并根據擬合公式得出了632.8nm和532nm波長下的溴酸鈉

77、晶體的旋光率。</p><p>　　利用NaBrO3晶體制作光學濾波器</p><p><b>　　理論與計算</b></p><p>　　圖4.1 光線在不同介質分界面上的振幅變化圖</p><p>　　如圖4.1所示，光波通過不同介質的分界面時會發(fā)生反射和折射，入射、反射和折射三束光波在分界面處的振幅大小和方向之間的

78、關系可由菲涅耳公式[20]（4-1—4-4）表示：</p><p><b>　?。?-1）</b></p><p><b>　?。?-2）</b></p><p><b>　?。?-3）</b></p><p><b>　　（4-4）</b></p&

79、gt;<p>　　式中rS和rP是S與P分量的反射振幅比，tS和tP是S與P分量的透射振幅比，i1是入射角，i2是折射角。</p><p>　　由公式（4.2）可知，當i1與 i2之和為90°時，rP為零，即反射光P分量光強為零，這時反射光中只存在S分量，為線偏振光，此時的i1稱為布儒斯特角，滿足如下公式</p><p><b>　　（4-5）</b

80、></p><p>　　其中n1、n2分別為入射面與折射面所在介質的折射率。</p><p>　　相同大小的偏振光以布儒斯特角進行內反射，當入射光只存在S分量時，反射光光強最大，只存在P分量時反射光光強最小，為零，振動面為其它方向時，反射光光強居于最大與最小之間，并有強弱之分。以波長不同、光強大小及偏振方向相同的多束光波以同樣的光路射入NaBrO3晶體，由于旋光色散特性，不同波長的光

81、波振動面在晶體里所偏轉的角度不同，當它們進行內反射時，入射光的偏振方向不同，出射光的光強會有強弱之分，有些光波的光強甚至為零（實際中只能接近零）從而達到濾波效果。</p><p>　　圖4.2 濾波器結構示意圖</p><p>　　圖4.3 光波振幅變化示意圖</p><p>　　圖4.2為濾波器結構示意圖，界面1與界面2平行。光線經過起偏器后以入射角i1進入晶

82、體界面1，之后折射光以布儒斯特角iB射向界面2，該界面的反射光經界面3和界面1連續(xù)全反射后從界面4射出（具體各面入射角值4.2節(jié)中將會給出），被光線光譜儀接收。圖4.3為光波振幅變化示意圖，其中虛線為光線方向，由里向外，即我們的觀察方向為逆光傳播方向。在界面1處我們利用菲涅耳公式（4-3—4-4）計算出折射光振幅坐標系處在界面上，光波P分量在X方向上，S分量在Y方向上。為入射光振幅，角度為θ，可分解為P分量和S分量，經界面1后的折射光振

83、幅為，兩分量為，。之后，光線在晶體中從界面1傳播到界面2，由于NaBrO3晶體旋光特性，光波振幅會向右即順時針旋轉一個角度為（對于坐標系，因為順時針旋轉，所以在計算時會用到），其中l(wèi)是光從界面1傳播到界面2所走的路程，。在界面2上，是入射光線，由向右旋轉δ得到的分量</p><p><b>　　，</b></p><p>　　向右旋轉δ得到的分量</p>

84、<p><b>　　，</b></p><p>　　這樣我們就可以得到在坐標方向上的分量</p><p>　　和 ；</p><p>　　經布儒斯特角iB反射后的反射光振幅</p><p><b>　　=（圖中未畫出）。</b><

85、;/p><p>　　由于傳播的路程不變，由公式（1）知光強不同的同一種線偏振光因晶體的旋光效應而使得振動面偏轉的角度相同，在界面3和界面1處由于入射角和折射角恒定不變，反射光波的偏振狀態(tài)與光強無關，所以對于同一種波，在界面4上的偏振狀態(tài)相同，設β為光波從界面2傳播到界面4過程中S分量偏轉的角度，所以β為定值。由于全反射不改變光波光強大小，所以界面4處的入射光光強為，折射光強為</p><p>

86、<b>　　=，</b></p><p>　　其中由于入射角與折射角恒定，故、恒定，所以最終出射光的光強</p><p><b>　?。?-6）</b></p><p><b>　　實驗測試及數據分析</b></p><p>　　實驗裝置示意圖如圖4.4所示。</p>

87、;<p>　　圖4.4 實驗裝置示意圖 1-He-Ne激光器；2-半透半反境；3-半導體激光器；4-格蘭棱鏡；5-菲涅耳棱體；6-與步進電機相連的起偏器；7-光纖光譜儀；9-PC終端</p><p>　　從He-Ne激光器發(fā)出的紅光（632.8 nm）與從半導體激光器發(fā)出的綠光（532 nm）通過半透半反境后耦合在一起，可以調整半透半反境使得通過格蘭棱鏡、菲涅耳棱體和起偏器后的紅光與綠光光強相等

88、。兩束光強相等的線偏振光通過NaBrO3晶體后為光纖光譜儀所接收，并在PC終端顯示它們的光強大小，啟動步進電機使得起偏器朝順時針旋轉360°，PC終端上所顯示的光強分布會有所變化，而我們最關心的是一個光強達到最小時兩光強的比值。定義光波1對光波2的消光比</p><p>　　(dB) (4-7)</p><p>　　式中I1為I2達到最

89、小時所取得值。由此可知消光比越大，濾波效果越好。</p><p>　　NaBrO3晶體的折射色散現象不顯著，在實驗誤差范圍內可看成相等，取晶體折射率n2=1.62，空氣折射率n1=1.00。實驗中i1=58.3°，iB =31.7°, i2=38.8°（與臨界角iC=38.1°相比只相差0.7°），l=34.3mm，由上章研究內容我們知道紅光旋光率αr=1.80&

90、#176;mm-1,綠光旋光率αg=3.05°mm-1。根據以上數據，我們可得到界面1處的振幅透射比tS=0.618，tp=0. 553，兩束光在晶體中的旋轉角δr=61.74°，δg=104.62°。將相關數據代入（4-6）（由于偏振器順時針轉動，式中我們用﹣θ代替θ）中并令相關恒定系數為一，得到相對光強</p><p><b>　?。?-8）</b><

91、/p><p><b>　?。?-9）</b></p><p>　　圖4.5是實驗測得的紅、綠光光強變化數據圖線與利用以上兩式得到的理論數據圖線之間的比較。由圖可知，實驗數據與理論數據基本符合。</p><p>　　圖4.5 實驗與理論濾波圖線</p><p>　　最后我們計算消光比。根據式（4-8）和（4-9）以及圖4.4我

92、們選擇偏振器旋轉角度為80°、115°、260°和295°時四組紅光與綠光光強值，取平均值后得到兩組數據，最后得到消光比如下</p><p>　　EXTr-g=7.4(dB)</p><p>　　EXTg-r=8.2(dB)。</p><p><b>　　小結</b></p><p&g

93、t;　　基于NaBrO3晶體的各向同性和旋光特性以及光以布儒斯特角進行內反射時P分量光強為零這一原理，設計了簡易濾波器，并以波長為632.8 nm和532 nm的兩束光進行理論分析和實驗測試，結果顯示濾波器性能良好。</p><p><b>　　總結</b></p><p>　　目前由于大尺寸各向同性光活性晶體不能夠大量、快速生長，較大程度上阻礙了對其作進一步的研究和

94、應用。本文通過水溶液降溫法生長NaBrO3晶體，最終獲得了尺寸達29.2mm的透明、規(guī)則的晶體。同時，還測試了不同波長下溴酸鈉晶體的旋光率，用最小二乘法對實驗數據進行了擬合，得出隨波長增加，旋光率不斷減小，還分析了擬合誤差。另外，基于溴酸鈉晶體的各向同性和旋光色散特性設計并研制了一種旋光光學濾波器，經理論模擬和實驗測試均取得了良好的濾波效果。</p><p>　　晶體旋光特性及其應用對于廣泛本文不僅可以為相關研究

95、者生長同類晶體提供參考，還對NaBrO3晶體旋光特性及其應用于社會生產具有實際意義。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　張貞柯, 林景臻. 溴酸鈉晶體生長和雜質對晶體形狀影響的研究[J]. 人工晶體學報, 1982, Z1: 77- 78.</p><p>　　Eric R.C. Holcomb, Tetsuo

96、Inoue, Kazumi Nishioka. Habit changes in NaBrO3 crystals grown from an aqueous solution [J]. Journal of Crystal Growth, 158 (1996): 336- 339. </p><p>　　Tetsuo Inoue, Kazumi Nishioka.. Effects of impurity upo

97、n the habit changes in NaBrO3 crystals grown from aqueous solution [J]. Journal of Crystal Growth, 212 (2000): 507- 511.</p><p>　　趙凱華. 光學 下冊[M]. 北京: 北京大學出版社, 2004, 222- 223</p><p>　　向前, 高英, 馬春紅.

98、 分子結構與旋光性關系的研究[J]. 吉林省教育學院學報, 2007, 23(12):85- 87.</p><p>　　張珊, 吳福全, 蘇富芳, 吳聞迪, 邵俊平, 洪芳. 石英晶體旋光光學濾波器的特征參量[J]. 光學學報, 2008, 28(11): 2215- 2219.</p><p>　　賈曉玲, 掌蘊東, 王驥. Faraday色散光學濾波器的研究進展[J]. 光電子?激光

99、, 2001, 12(4): 433- 437.</p><p>　　Chun Ye. Wavelength-tunable spectral filters based on the optical rotatory dispersion effect[J]. Applied Optics, 2003, 42 (22): 4505- 4513.</p><p>　　張珊, 吳福全, 吳聞

100、迪. 多級石英晶體旋光光學濾波器的濾波特性[J]. 物理學報, 2008, 57 (8):5020- 5026.</p><p>　　姚連增. 晶體生長基礎[M]. 合肥: 中國科學技術大學出版社, 1995, 12- 28.</p><p>　　張克從, 張樂潓. 晶體生長科學與技術 上冊[M]. 北京: 科學出版社, 1997, 171- 183.</p><p&g

101、t;　　J.A. 迪安. 蘭氏化學手冊[M]. 北京: 科學出版社, 199, 1656.</p><p>　　張三慧. 大學物理學(第4冊)波動與光學[M]. 北京: 清華大學出版社, 2001, 239- 242.</p><p>　　趙凱華. 新概念物理教程 光學[M]. 北京: 高等教育出版社, 2004, 325- 327.</p><p>　　姚啟鈞.

102、光學教程（第三版）[M]. 北京: 高等教育出版社, 2002, 356- 357.</p><p>　　馬克生. 生物手型分子螺旋結構與旋光性的原理研究[D]. 山東曲阜師范大學, 2009, 5- 8.</p><p>　　尹玉英. 導致旋光性的根本原因[J]. 北京石油化工學院學報, 1997, 5(1).</p><p>　　陶衛(wèi)東, 潘雪豐, 白貴儒, 陸

103、祖康. 手性晶體氯酸鈉偏振特性及旋光色散特性[A]. 大珩先生九十華誕文集暨中國光學學會2004年學術大會論文集[C], 2004.</p><p>　　Jacques M. Beckers, Larry Dickson, and Randy S. Joyce. Observing the sun with a fully tunable Lyot-Ohman filter [J]. Applied Optics