1、6.3 法拉第效應(yīng)法拉第效應(yīng)Faraday effect6.3.1 晶體的旋光效應(yīng)晶體的旋光效應(yīng)(Rotation effect in crystals )6.3.2 法拉第效應(yīng)法拉第效應(yīng) (Faraday effect)6.3.1 晶體的旋光效應(yīng)晶體的旋光效應(yīng)Rotation effect in crystals 1旋光現(xiàn)象旋光現(xiàn)象1811年年, ,阿喇果在研究石英晶體的雙折射特性時發(fā)現(xiàn)阿喇果在研究石英晶體的雙折射特性時發(fā)現(xiàn): :一束線偏振光沿一束線偏振光沿石英晶體的光軸方向傳播石英晶體的光軸方向傳播時時, ,其振動其振動平面會相對原方向平面會相對原方向轉(zhuǎn)過一個角度轉(zhuǎn)過一個角度。石英石英光軸

2、光軸石英晶體是單軸晶體石英晶體是單軸晶體, ,光沿著光軸方向傳播光沿著光軸方向傳播不會發(fā)生不會發(fā)生雙折射雙折射，該現(xiàn)象應(yīng)屬另外一種新現(xiàn)象，該現(xiàn)象應(yīng)屬另外一種新現(xiàn)象, ,這就是這就是旋光現(xiàn)旋光現(xiàn)象象。 1旋光現(xiàn)象旋光現(xiàn)象石英石英光軸光軸比奧比奧在蒸汽和液態(tài)物質(zhì)中也觀察到了同樣的旋光現(xiàn)象。在蒸汽和液態(tài)物質(zhì)中也觀察到了同樣的旋光現(xiàn)象。一定波長的線偏振光通過旋光介質(zhì)時，光振動方向轉(zhuǎn)一定波長的線偏振光通過旋光介質(zhì)時，光振動方向轉(zhuǎn)過的過的角度角度 與在該介質(zhì)中通過的與在該介質(zhì)中通過的間隔間隔 l 成正比成正比: : (118)l 表征了該介質(zhì)的旋光本領(lǐng)，稱為表征了該介質(zhì)的旋光本領(lǐng)，稱為旋光率旋光率，它與，

3、它與光波光波長、介質(zhì)的性質(zhì)及溫度有關(guān)長、介質(zhì)的性質(zhì)及溫度有關(guān)。1旋光現(xiàn)象旋光現(xiàn)象旋光本領(lǐng)因波長而異的現(xiàn)象稱為旋光本領(lǐng)因波長而異的現(xiàn)象稱為旋光色散旋光色散, ,石英晶體石英晶體的的旋光率旋光率 隨光波長隨光波長的變化規(guī)律如下圖。的變化規(guī)律如下圖。1旋光現(xiàn)象旋光現(xiàn)象400 500 600700204060/nmP紅紅紫紫1旋光現(xiàn)象旋光現(xiàn)象例如例如, ,石英晶體的石英晶體的 在在: :400 500 600700204060/nm在在0.4m 時，為時，為490 / mm；在在0.5m 時，為時，為310 / mm；在在0.6m 時，為時，為160 / mm。對于具有旋光特性的對于具有旋光特性的溶液

4、溶液, 光振動方向旋轉(zhuǎn)的角度光振動方向旋轉(zhuǎn)的角度還還與溶液的濃度成正比與溶液的濃度成正比： (119)cl 稱為溶液的稱為溶液的比旋光率比旋光率；c 為溶液濃度?？梢愿鶕?jù)光為溶液濃度?？梢愿鶕?jù)光振動方向轉(zhuǎn)過的角度，振動方向轉(zhuǎn)過的角度，確定該溶液的濃度確定該溶液的濃度。1旋光現(xiàn)象旋光現(xiàn)象不同旋光介質(zhì)光振動矢量的旋轉(zhuǎn)方向不同不同旋光介質(zhì)光振動矢量的旋轉(zhuǎn)方向不同, ,并因此將并因此將旋光介質(zhì)分為旋光介質(zhì)分為左旋和右旋左旋和右旋。1旋光現(xiàn)象旋光現(xiàn)象石英石英光軸光軸對著光線觀察對著光線觀察, ,使光振動矢量順時針旋轉(zhuǎn)的介質(zhì)使光振動矢量順時針旋轉(zhuǎn)的介質(zhì)叫右叫右旋光介質(zhì)旋光介質(zhì), ,逆時針旋轉(zhuǎn)的介質(zhì)叫逆時針

5、旋轉(zhuǎn)的介質(zhì)叫左旋光介質(zhì)左旋光介質(zhì)。1旋光現(xiàn)象旋光現(xiàn)象右旋光介質(zhì)右旋光介質(zhì)自然界存在的石英晶體既有自然界存在的石英晶體既有右旋的，也有左旋右旋的，也有左旋的，它的，它們的旋光本領(lǐng)在數(shù)值上相等，但方向相反。們的旋光本領(lǐng)在數(shù)值上相等，但方向相反。之所以有這種左、右旋之分，是由于其之所以有這種左、右旋之分，是由于其構(gòu)造不同構(gòu)造不同造成造成的，右旋石英與左旋石英的分子組成一樣，都是的，右旋石英與左旋石英的分子組成一樣，都是SiO2, ,但分子的排列構(gòu)造是但分子的排列構(gòu)造是鏡像對稱鏡像對稱。1旋光現(xiàn)象旋光現(xiàn)象當(dāng)將石英晶片置于正交的兩個偏振器之間觀察其會當(dāng)將石英晶片置于正交的兩個偏振器之間觀察其會聚光照射時

6、聚光照射時, ,圖樣的中心不是暗點，而幾乎圖樣的中心不是暗點，而幾乎總是亮的總是亮的。1旋光現(xiàn)象旋光現(xiàn)象P1P2石英石英2旋光現(xiàn)象的解釋旋光現(xiàn)象的解釋1825年，年，菲涅耳菲涅耳對旋光現(xiàn)象提出了一種對旋光現(xiàn)象提出了一種唯象的解釋唯象的解釋。按照他的假設(shè)按照他的假設(shè), ,可以把進入旋光介質(zhì)的線偏振光看作可以把進入旋光介質(zhì)的線偏振光看作是是右旋圓偏振光和左旋圓偏振光的組合右旋圓偏振光和左旋圓偏振光的組合。菲涅耳認(rèn)為：菲涅耳認(rèn)為：在各向同性介質(zhì)中在各向同性介質(zhì)中, , 線偏振光的右、左線偏振光的右、左旋圓偏振光分量的旋圓偏振光分量的傳播速度傳播速度 R 和和 L 相等相等, ,因此其相因此其相應(yīng)的折

7、射率應(yīng)的折射率 nRc /R 和和 nLc /L相等。相等。2旋光現(xiàn)象的解釋旋光現(xiàn)象的解釋而在右、左旋光介質(zhì)中，右、左旋圓偏振光的而在右、左旋光介質(zhì)中，右、左旋圓偏振光的傳播傳播速度不同速度不同, ,其相應(yīng)的折射率也不相等。其相應(yīng)的折射率也不相等。在右旋晶體中在右旋晶體中, ,右旋圓偏振光的傳播速度右旋圓偏振光的傳播速度較快較快, ,R L ；左旋晶體中，；左旋晶體中，左旋圓偏振光的傳播速度較快左旋圓偏振光的傳播速度較快，L R。LLRR/ncnc假設(shè)入射到旋光介質(zhì)上的光是沿程度方向振動的線偏假設(shè)入射到旋光介質(zhì)上的光是沿程度方向振動的線偏振光，按照歸一化振光，按照歸一化瓊斯矩陣方法瓊斯矩陣方法

8、，可以把菲涅耳假設(shè)可以把菲涅耳假設(shè)表示為表示為111110ii22 2旋光現(xiàn)象的解釋旋光現(xiàn)象的解釋 x 方向振動的線偏振光、振動方向與方向振動的線偏振光、振動方向與 x 軸成軸成 角的線角的線偏振光偏振光、左旋圓偏振光、右旋圓偏振光的標(biāo)準(zhǔn)歸一化左旋圓偏振光、右旋圓偏振光的標(biāo)準(zhǔn)歸一化瓊斯矢量形式分別為：瓊斯矢量形式分別為：1cos, , 1122, i 0si22in 假如右旋和左旋圓偏振光通過厚度為假如右旋和左旋圓偏振光通過厚度為 l 的旋光介質(zhì)后的旋光介質(zhì)后, ,相位滯后分別為相位滯后分別為RRRLLL2 (120)2k ln lk ln l2旋光現(xiàn)象的解釋旋光現(xiàn)象的解釋nl那么其合成波的瓊

9、斯矢量為那么其合成波的瓊斯矢量為RLRLRLRLRLiiiii()i()i()22211111111eeeeiiii2222111 =eeeii2k lk llllkkkkkkE 引入引入RLRL()2 (121)()2lkklkk2旋光現(xiàn)象的解釋旋光現(xiàn)象的解釋合成波的瓊斯矢量可以寫為合成波的瓊斯矢量可以寫為iiiiii1ee)cos2ee (122)1sinee)2E（它代表了光振動方向與它代表了光振動方向與程度方向成程度方向成 角的線偏振光角的線偏振光。2旋光現(xiàn)象的解釋旋光現(xiàn)象的解釋iiiiii1ee)cos2ee (122)1sinee)2E（RLRLRLi()i()i()222111=

10、eeeii2lllkkkkkkE RLRL(); () (121)22llkkkk2旋光現(xiàn)象的解釋旋光現(xiàn)象的解釋入射的線偏振光光矢量通過旋光介質(zhì)后，入射的線偏振光光矢量通過旋光介質(zhì)后，轉(zhuǎn)過了轉(zhuǎn)過了 角角: :RLiii1111eeii22cose 122sin111110ii22EE （）10 x 方向振動的線偏振光方向振動的線偏振光振動方向與振動方向與 x 軸成軸成 角的線偏振光角的線偏振光cossinRL() (123)nn l2旋光現(xiàn)象的解釋旋光現(xiàn)象的解釋由由120式和式和l21式可以得到式可以得到RRRLLL (1202)2k ln lk ln lRLRL()2 (121)2lklkk

11、k假如左旋圓偏振光傳播得快，假如左旋圓偏振光傳播得快，nLnR，那么，那么 0，即即光矢量是向逆時針方向旋轉(zhuǎn)的光矢量是向逆時針方向旋轉(zhuǎn)的。2旋光現(xiàn)象的解釋旋光現(xiàn)象的解釋RL() (123)nn l假如右旋圓偏振光傳播得快，假如右旋圓偏振光傳播得快，nRnL，那么，那么0，即，即光矢量是向順時針方向旋轉(zhuǎn)的光矢量是向順時針方向旋轉(zhuǎn)的。2旋光現(xiàn)象的解釋旋光現(xiàn)象的解釋123式還指出，式還指出，旋轉(zhuǎn)角度旋轉(zhuǎn)角度 與與l 成正比成正比, ,與波長有與波長有關(guān)關(guān)，這些都是與實驗相符的這些都是與實驗相符的。RL() (123)nn l400 500 600700204060/nm為了驗證旋光介質(zhì)中傳播速度不同

12、，菲涅耳設(shè)計成了為了驗證旋光介質(zhì)中傳播速度不同，菲涅耳設(shè)計成了由左旋石英和右旋石英交替膠合的三棱鏡組由左旋石英和右旋石英交替膠合的三棱鏡組，其光軸，其光軸均與入射面均與入射面 AB 垂直。垂直。2旋光現(xiàn)象的解釋旋光現(xiàn)象的解釋ABCDERRLLR123一束單色線偏振光射入一束單色線偏振光射入AB 面面, ,在棱鏡在棱鏡1中沿光軸方向中沿光軸方向傳播傳播, ,相應(yīng)的左、右旋圓偏振光的速度不同相應(yīng)的左、右旋圓偏振光的速度不同, ,R L; 棱鏡棱鏡 2 中中，L R ; 棱鏡棱鏡 3 中中，R L 。2旋光現(xiàn)象的解釋旋光現(xiàn)象的解釋ABCDERRLLR123在界面在界面 AE 上上, ,左旋光遠(yuǎn)離法線

13、方向折射左旋光遠(yuǎn)離法線方向折射, ,右旋光靠近右旋光靠近法線方向折射法線方向折射, ,于是左、右旋光分開了于是左、右旋光分開了。2旋光現(xiàn)象的解釋旋光現(xiàn)象的解釋ABCDERRLLR123LRLRnn在第二個界面在第二個界面 CE 上上, ,左旋光靠近法線方向折射左旋光靠近法線方向折射, ,右右旋光遠(yuǎn)離法線方向折射旋光遠(yuǎn)離法線方向折射, ,于是兩束光更加分開了于是兩束光更加分開了。2旋光現(xiàn)象的解釋旋光現(xiàn)象的解釋ABCDERRLLR123RLRLnn在界面在界面 CD 上上, ,兩束光經(jīng)折射后進一步分開。實驗結(jié)兩束光經(jīng)折射后進一步分開。實驗結(jié)果果, , 證實了左、右旋圓偏振光傳播速度不同的假設(shè)證實了

14、左、右旋圓偏振光傳播速度不同的假設(shè). .2旋光現(xiàn)象的解釋旋光現(xiàn)象的解釋ABCDERRLLR123菲涅耳的解釋只是菲涅耳的解釋只是唯象理論唯象理論，它不能說明旋光現(xiàn)象，它不能說明旋光現(xiàn)象的根本原因，不能答復(fù)為什么在旋光介質(zhì)中二的根本原因，不能答復(fù)為什么在旋光介質(zhì)中二圓偏振圓偏振光的速度不同光的速度不同。2旋光現(xiàn)象的解釋旋光現(xiàn)象的解釋這個問題必須從這個問題必須從分子構(gòu)造分子構(gòu)造去考慮，即光在物質(zhì)中傳去考慮，即光在物質(zhì)中傳播時，不僅受分子的電矩作用，還要受到諸如分子的播時，不僅受分子的電矩作用，還要受到諸如分子的大小和磁矩等次要因素大小和磁矩等次要因素的作用。的作用。將旋光現(xiàn)象與雙折射現(xiàn)象進展比照將

15、旋光現(xiàn)象與雙折射現(xiàn)象進展比照: 一個是指在各一個是指在各向異性介質(zhì)中的向異性介質(zhì)中的二正交線偏振光二正交線偏振光的傳播速度不同的傳播速度不同; 一一個是指在旋光介質(zhì)中的個是指在旋光介質(zhì)中的二反向旋轉(zhuǎn)的圓偏振光二反向旋轉(zhuǎn)的圓偏振光的傳的傳播速度不同。播速度不同。2旋光現(xiàn)象的解釋旋光現(xiàn)象的解釋可將旋光現(xiàn)象視為一種特殊的雙折射現(xiàn)象可將旋光現(xiàn)象視為一種特殊的雙折射現(xiàn)象圓雙折圓雙折射射，而將前面討論的雙折射現(xiàn)象稱為，而將前面討論的雙折射現(xiàn)象稱為線雙折射。線雙折射。6.3.2 法拉第效應(yīng)法拉第效應(yīng) Faraday effect上述旋光現(xiàn)象是旋光介質(zhì)固有的性質(zhì)上述旋光現(xiàn)象是旋光介質(zhì)固有的性質(zhì), 因此可以叫因

16、此可以叫作作自然圓雙折射自然圓雙折射。與感應(yīng)雙折射類似，也可以通過人工的方法產(chǎn)生旋與感應(yīng)雙折射類似，也可以通過人工的方法產(chǎn)生旋光現(xiàn)象。介質(zhì)在強磁場作用下產(chǎn)生旋光現(xiàn)象的效應(yīng)叫光現(xiàn)象。介質(zhì)在強磁場作用下產(chǎn)生旋光現(xiàn)象的效應(yīng)叫磁致旋光效應(yīng)磁致旋光效應(yīng)，或法拉第效應(yīng)。，或法拉第效應(yīng)。1846年，法拉第發(fā)現(xiàn)，在磁場的作用下，本來不具有年，法拉第發(fā)現(xiàn)，在磁場的作用下，本來不具有旋光性的介質(zhì)也產(chǎn)生了旋光性，可以使旋光性的介質(zhì)也產(chǎn)生了旋光性，可以使線偏振光的振線偏振光的振動面發(fā)生旋轉(zhuǎn)動面發(fā)生旋轉(zhuǎn)，這就是法拉第效應(yīng)。，這就是法拉第效應(yīng)。6.3.2 法拉第效應(yīng)法拉第效應(yīng) Faraday effect將一根玻璃棒的兩

17、端拋光將一根玻璃棒的兩端拋光, ,放進螺線管的磁場中放進螺線管的磁場中, ,再加再加上起偏器上起偏器 P1 和檢偏器和檢偏器 P2, ,讓光束通過起偏器后順著讓光束通過起偏器后順著磁場方向通過玻璃棒磁場方向通過玻璃棒, ,光矢量的方向就會旋轉(zhuǎn)光矢量的方向就會旋轉(zhuǎn)。P1P2EE磁場磁場6.3.2 法拉第效應(yīng)法拉第效應(yīng) Faraday effect維爾德維爾德對法拉第效應(yīng)進展了仔細(xì)的研究對法拉第效應(yīng)進展了仔細(xì)的研究, ,發(fā)現(xiàn)光振動發(fā)現(xiàn)光振動平面轉(zhuǎn)過的角度與光在物質(zhì)中平面轉(zhuǎn)過的角度與光在物質(zhì)中通過的長度通過的長度l 和磁感應(yīng)和磁感應(yīng)強度強度B 成正比成正比，即，即 (124)VBlV 是與物質(zhì)性質(zhì)有

18、關(guān)的常數(shù)是與物質(zhì)性質(zhì)有關(guān)的常數(shù), ,叫叫維爾德常數(shù)維爾德常數(shù)。一些常。一些常用物質(zhì)的維爾德常數(shù)列于下表中。用物質(zhì)的維爾德常數(shù)列于下表中。6.3.2 法拉第效應(yīng)法拉第效應(yīng) Faraday effect 物物 質(zhì)質(zhì)溫溫 度度 / V/弧度弧度/ /特特 米米磷冕玻璃磷冕玻璃輕火石玻璃輕火石玻璃水晶水晶 垂直光軸垂直光軸 食鹽食鹽水水磷磷 二硫化碳二硫化碳181820162033204.899.224.8310.443.8138.5712.30* *用用 0.589m 的偏振光照明的偏振光照明。 幾種物質(zhì)的維爾德常數(shù)幾種物質(zhì)的維爾德常數(shù)6.3.2 法拉第效應(yīng)法拉第效應(yīng) Faraday effect法

19、拉第效應(yīng)的旋光方向決定于法拉第效應(yīng)的旋光方向決定于外加磁場方向外加磁場方向，與光與光的傳播方向無關(guān)，的傳播方向無關(guān)，即法拉第效應(yīng)具有不可逆性。即法拉第效應(yīng)具有不可逆性。6.3.2 法拉第效應(yīng)法拉第效應(yīng) Faraday effect6.3.2 法拉第效應(yīng)法拉第效應(yīng) Faraday effect線偏振光通過線偏振光通過天然右旋介質(zhì)時天然右旋介質(zhì)時，迎著光看去，振動，迎著光看去，振動面總是向右旋轉(zhuǎn)，所以，當(dāng)從天然右旋介質(zhì)出來的面總是向右旋轉(zhuǎn)，所以，當(dāng)從天然右旋介質(zhì)出來的透射光沿原路返回時，透射光沿原路返回時，振動面將回到初始位置振動面將回到初始位置。6.3.2 法拉第效應(yīng)法拉第效應(yīng) Faraday effect線偏振光通過磁性介質(zhì)時，迎著光線看振動面向左線偏振光通過磁性介質(zhì)時，迎著光線看振動面向左旋轉(zhuǎn)角度旋轉(zhuǎn)角度，所以光束沿原路返回，所以光束沿原路返回, ,一來一去兩次通一來一去兩次通過磁光介質(zhì)，振動面與初始位置相比，過磁光介質(zhì)，振動面與初始位置相比，轉(zhuǎn)過了角度轉(zhuǎn)過了角度2。6.3.2 法拉第效應(yīng)法拉第效應(yīng) Faraday effect在激光系統(tǒng)中，為了防止光路中各光學(xué)界面的反射光在激光系統(tǒng)中，為了防止光路中各光學(xué)界面的反射光對激光源產(chǎn)生干擾，可以利用法拉第效應(yīng)制成