1310nm波段石英晶体旋光性的温度效应测试研究

　　0　引　言

　　在科研和工农业生产中,温度是检测与控制的重要参数,石英晶体的旋光性也受温度的影响[1,2]。利用晶体的旋光性可以制成许多旋光器件,在各种检测中可以起到重要的作用[3,4]。而目前的资料只给出了石英晶体在某些特定波长以及室温下的旋光率[5,6],对于目前光纤通信和光纤传感中使用的主要波段1310nm波段光的旋光率没有给出,亦没有给出此波段内石英晶体的温度效应。所以对此波段石英晶体旋光性的温度效应进行研究,以得出石英晶体的旋光率与温度和波长的关系是有现实意义的。

　　1　测试原理与测试系统

　　当线偏振光通过某种透明物质后,其振动面会以光的传播方向为轴旋转一定的角度,这就是旋光现象。能使振动面旋转的物质称为旋光物质,或说该物质具有旋光性,如石英晶体、松节油、糖溶液和酒石酸溶液等都是旋光物质。旋光物质使振动面所转过的角度叫做旋光度,用θ表示。对于固体旋光物质,振动面转过的角度θ正比于光在旋光物质内通过的距离L,可以表示为

　　式中α是物质的旋光率,单位是(°)/mm。旋光现象伴有色散(旋光色散),即不同波长的光其振动面旋转的角度不同[7,8]。不同波长的光束经过起偏器后成为线偏振光,沿旋光物质的光轴方向行进,当线偏振光从旋光物质出射时,其偏振面相对于起偏器的通光轴方向会产生一个偏转角θ(λ) =α(λ)L。本研究采用石英晶体作为旋光物质,由于石英晶体沿光轴方向的热膨胀系数为γ=7.97×10-6℃-1,所以当对石英晶体的温度效应进行测试时,亦应考虑石英晶体厚度的变化。即(1)式变为

　　本研究采用双光路检测系统。实验装置如图1所示,不同波长的光经过起偏器后变为特定通光方向的线偏振光,该线偏振光通过受温度影响的石英晶体后,振动面会发生旋转。由于旋光色散效应,不同波长的光振动面旋转的角度不同,通过渥拉斯顿棱镜把此偏振光分成振动方向相互垂直的两束光后,分别由探测器A和探测器B实现光电转换,两路输出功率分别为I1和I2。经信号运算处理,输出信号为

　　当θ 1时,sin2θ(λ)≈2θ(λ),所以P与θ成线性关系。所以通过计算两路输出功率的差、和之比,即可确定特定波长下的旋光度θ,由(2)式可求得旋光率α的值。当放有石英晶体的高低温试验箱温度在-10~50℃的温度范围内变化时,石英晶体的旋光率亦随之发生改变,即可测出温度对旋光性的影响。实验中选用的石英晶体长度为22mm;高低温试验箱的温控精度为0.1℃;实验系统所用光源为安捷伦(Agilent)公司生产的型号为HP8167B的可调谐激光器,波长调谐范围是1255~1365nm;波长调谐的最小值是0.001nm;该激光器的腔镜为F-P腔,波长扫描方式既可以采用自动扫描又可以选用手动扫描。本实验中所用的激光输出波长范围是1300~1320nm;可调谐激光器采用手动按键扫描方式,每隔2nm测量一次。