一种通过透光度测定软物质线性光学效应的测定方法

本发明涉及材料性质测量，具体为一种通过透光度测定软物质线性光学效应的测定方法。

背景技术：

1、软物质是介于固体和理想流体之间的物质，如磁性胶体和液晶等。物质的光学效应是指其对光场的响应。各向异性介质的光学效应的测量不仅可揭示物质的重要宏观性质，也是揭示物质结构的重要工具。所谓线性光学效应是指与入射光的强度无关的光学效应，主要为二向色性和双折射效应。当光沿一定方向在各向异性介质中传播时，若如同在各向同性介质中传播一样，则此方向称之为光轴。液晶的光轴为液晶分子指向矢，磁性胶体的光轴为外加磁场方向。

2、可采用复数介电常数来描述介质的光学性质。平行和垂直于光轴的介电常数和可分别表示为：

3、

4、式中实数部份n||和n⊥分别为平行和垂直光轴的折射系数，虚数部份κ||和κ⊥分别为平行和垂直光轴的消光系数。当线偏振光垂直于光轴穿过介质时，极化矢量(即光的电矢量)平行于光轴方向为e光(非寻常光)，极化矢量垂直于光轴方向为o光(寻常光)。若偏振方向平行和垂直于介质光轴的线偏振光的消光系数不同，则称之为二向色性，可表示为：

5、δκ＝κ||-κ⊥＝λ2αdl/4πl                  (2)

6、式中λ为入射光的波长，l为样品厚度，αd＝(α||-α⊥)/2，α||和α⊥分别为偏振方向平行和垂直介质光轴的入射光透过样品的吸收系数，2αdl为吸收度差，是可测的量。

7、若平行和垂直光轴的线偏振光的折射率不同，称之为双折射效应，可表示为：

8、

9、式中δ为偏振光方向垂直和平行介质光轴的入射光透过介质后的位相差。

10、圆偏振光可看成是偏振方向平行介质光轴和垂直介质光轴具有相同振幅a(a||＝a⊥)和±π/2位相差的两束线偏振光的合成，其电矢量e||和e⊥可分别表示为：

11、

12、式中ω为圆频率，t为时间，π/2前取正号对应右旋(即迎着光传播方向，电矢量按顺时针方向旋转)圆偏振光，π/2前取负号对应左旋(即迎着光传播方向，电矢量按逆时针方向旋转)圆偏振光。圆偏振光的光强度随角度θ的分布i(θ)为常数，即i0为总光强度。圆偏振光穿过介质后，(1)由于二向色性，将发生吸收各向异性，使得相互垂直的两束线偏振光的振幅发生变化，即a||≠a⊥；(2)由于双折射效应，使得两束线偏振光的位相差发生变化，此变化可用沿垂直光轴方向振动的线偏振光的位相增加δ表示。于是，透射光变成椭圆偏振光，可表示为：

13、

14、式中，α||和α⊥分别为偏振方向沿介质光轴和垂直介质光轴方向的线偏振光的吸收系数；δ＝(n||-n⊥)·2πl/λ，n||和n⊥分别为偏振方向沿介质的光轴和垂直介质光轴的折射率。椭圆偏振光的光强度随角度θ的分布i(θ)，有一最大值imax和最小值imin，即imin<i(θ)<imax。

15、软物质结构具有温度灵敏性，通常其光轴取向难以精确确定。在现有的光学材料的线性光学效应测量方法中，材料的光轴取向要求是已知量，并且双折射效应和二向色性是分别测量的。此外，对于吸收很小的材料，现有方法难以测量其二向色性。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明提供了一种通过透光度测定软物质线性光学效应的测定方法，解决了现有的光学材料的线性光学效应测量方法中对于吸收很小的材料难以测量其二向色性的问题。

2、为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种通过透光度测定软物质线性光学效应的测定方法，包括以下步骤：

3、步骤一、使用圆偏振光照射光学各向异性的软物质样品；

4、步骤二、测量透过样品的圆偏振光的透光度变化，并记录为t-θ曲线，其中t-θ曲线反映了样品的光轴取向、二向色性和双折射效应；

5、步骤三、通过分析t-θ曲线直接确定样品的光轴取向角φ，并进一步计算样品的二向色性δκ和双折射效应δn；

6、步骤四、使用经非线性校正处理的si-光二极管探测器来测量所述t-θ曲线；

7、步骤五、应用约化入射光源校正技术优化圆偏振光的质量，确保测量精度。

8、优选的，所述样品的光轴取向角φ是基于左、右旋圆光测量的t-θ曲线的对称性分析来确定的，该对称性分析涉及识别曲线上的两个最大值和两个最小值，以确定样品的光轴取向角。

9、优选的，其中的二向色性δκ是通过计算t-θ曲线所得的吸收度差异2αdl获得，该吸收度差异2αdl反映了样品对偏振光的不同方向的吸收特性。

10、优选的，其中的双折射效应δn是通过计算t-θ曲线得到的位相差δ来确定，该位相差δ表示了样品对偏振光的不同方向的折射率差异。

11、优选的，其中圆偏振光源配置有可调功率控制器，用于调节入射光的强度，以适应不同吸收率的样品，从而优化透光度测量的动态范围和精。

12、一种通过透光度测定软物质线性光学效应的装置，包括：

13、产生圆偏振光的光源；

14、用于接收透过软物质样品的透射光并测量其透光强度的si-光二极管探测器；

15、非线性校正模块，用于校正si-光二极管探测器输出的数据；

16、光源校正模块，用于优化圆偏振光的质量，通过约化因子调整光源的角分布，以消除由于光源椭圆度的不一致性引起的测量误差；

17、数据处理单元，计算样品的光轴取向角φ、二向色性δκ和双折射效应δn。

18、优选的，其中数据处理单元进一步包括用于执行光源约化校正的算法，该算法根据输入的圆偏振光的角分布数据，自动计算并应用约化因子以校正光源的影响，确保透光度测量的准确性和一致性。

19、优选的，其中si-光二极管探测器具备自动增益控制功能，以适应在不同透光度级别下的测量需求，确保不同条件下信号的稳定性和可靠性。

20、优选的，进一步包括一个光谱分析模块，该模块用于分析透过样品的光的波长分布，允许同时测定样品对不同波长光的光学响应，从而更全面地评估材料的光学特性。

21、优选的，其中光源校正模块包括一个偏振状态分析仪，用于实时监测和调整圆偏振光的椭圆度，确保光源输出的一致性和精确性。

22、本发明提供了一种通过透光度测定软物质线性光学效应的测定方法。具备以下有益效果：

23、1、本发明通过使用非线性校正功能的si-光二极管探测器可确保透光度测量的高准确性，尤其是在高动态范围的测量环境中，同时通过光源校正模块调整圆偏振光的椭圆度和角分布，消除了光源不一致性的影响，从而提高了实验数据的一致性和重复性。

24、2、本发明通过整合温度效应、自动旋转和光谱分析等多种功能，该设备不仅能研究传统的光学特性，还能探索材料对环境因素如温度和光谱变化的响应，为新材料的开发和现有材料的深入研究提供了重要工具。

技术特征：

1.一种通过透光度测定软物质线性光学效应的测定方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种通过透光度测定软物质线性光学效应的测定方法，其特征在于，所述样品的光轴取向角φ是基于左、右旋圆光测量的t-θ曲线的对称性分析来确定的，该对称性分析涉及识别曲线上的两个最大值和两个最小值，以确定样品的光轴取向角。

3.根据权利要求1所述的一种通过透光度测定软物质线性光学效应的测定方法，其特征在于，其中的二向色性δκ是通过计算t-θ曲线所得的吸收度差异2αdl获得，该吸收度差异2αdl反映了样品对偏振光的不同方向的吸收特性。

4.根据权利要求1所述的一种通过透光度测定软物质线性光学效应的测定方法，其特征在于，其中的双折射效应δn是通过计算t-θ曲线得到的位相差δ来确定，该位相差δ表示了样品对偏振光的不同方向的折射率差异。

5.根据权利要求1所述的一种通过透光度测定软物质线性光学效应的测定方法，其特征在于，其中圆偏振光源配置有可调功率控制器，用于调节入射光的强度，以适应不同吸收率的样品，从而优化透光度测量的动态范围和精度。

6.一种通过透光度测定软物质线性光学效应的装置，其特征在于，应用于权利要求1-5任意一项所述的一种通过透光度测定软物质线性光学效应的测定方法，包括：

7.根据权利要求6所述的一种通过透光度测定软物质线性光学效应的装置，其特征在于，其中数据处理单元进一步包括用于执行光源约化校正的算法，该算法根据输入的圆偏振光的角分布数据，自动计算并应用约化因子以校正光源的影响，确保透光度测量的准确性和一致性。

8.根据权利要求6所述的一种通过透光度测定软物质线性光学效应的装置，其特征在于，其中si-光二极管探测器具备自动增益控制功能，以适应在不同透光度级别下的测量需求，确保不同条件下信号的稳定性和可靠性。

9.根据权利要求6所述的一种通过透光度测定软物质线性光学效应的装置，其特征在于，进一步包括一个光谱分析模块，该模块用于分析透过样品的光的波长分布，允许同时测定样品对不同波长光的光学响应，从而更全面地评估材料的光学特性。

10.根据权利要求6所述的一种通过透光度测定软物质线性光学效应的装置，其特征在于，其中光源校正模块包括一个偏振状态分析仪，用于实时监测和调整圆偏振光的椭圆度，确保光源输出的一致性和精确性。

技术总结
本申请涉及材料性质测量技术领域，公开了一种通过透光度测定软物质线性光学效应的测定方法，包括以下步骤：步骤一、使用圆偏振光照射光学各向异性的软物质样品；步骤二、测量透过样品的圆偏振光的透光度变化，并记录为T‑θ曲线，其中T‑θ曲线反映了样品的光轴取向、二向色性和双折射效应；步骤三、通过分析T‑θ曲线直接确定样品的光轴取向角φ，并进一步计算样品的二向色性Δκ和双折射效应Δn。使用经非线性校正处理的Si‑光二极管探测器可确保透光度测量的高准确性，尤其是在高动态范围的测量环境中，同时通过光源校正模块调整圆偏振光的椭圆度和角分布，消除了光源不一致性的影响，从而提高了实验数据的一致性和重复性。

技术研发人员：孟祥申
受保护的技术使用者：西南大学
技术研发日：
技术公布日：2024/12/17