《光電子技術(shù)》PhotoelectronicTechnique光束在磁光介質(zhì)中的傳播

助教：范宗學(xué)1旋光現(xiàn)象1）旋光現(xiàn)象冰洲石晶體無旋光現(xiàn)象2022/10/302）旋光定義：線偏振光在石英晶體內(nèi)部沿光軸方向傳播時(shí)，透過后偏振面被旋轉(zhuǎn)了一個角度。3）旋光率：：旋光率。4）旋光色散：，旋光率隨波長變化。不同顏色的線振動面透過晶體后被旋轉(zhuǎn)的角度不同2022/10/305）左旋和右旋晶體一種結(jié)構(gòu)是另一種結(jié)構(gòu)的鏡像反演線偏振光沿光軸通過晶體后振動面一種向左旋、另一種向右旋。2022/10/30對自然旋光物質(zhì)，振動面的左旋或右旋是由旋光物質(zhì)本身決定的，與光的傳播方向無關(guān)反射鏡入射光左旋反射鏡反射光左旋對磁致旋光物質(zhì)，因加了一定方向的磁場，光沿逆向傳播，振動面旋向相反反射鏡反射光右旋B反射鏡入射光左旋B

當(dāng)光波通過這種磁化的物體(磁性物質(zhì)）時(shí)，其傳播特性發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為磁光效應(yīng)。磁光效應(yīng)包括法拉第旋轉(zhuǎn)效應(yīng)、克爾效應(yīng)、磁雙折射效應(yīng)等。其中最主要的是法拉第旋轉(zhuǎn)效應(yīng)，它使一束線偏振光在外加磁場作用下的介質(zhì)中傳播時(shí)，其偏振方向發(fā)生旋轉(zhuǎn)，其旋轉(zhuǎn)角度的大小與沿光束方向的磁場強(qiáng)度H和光在介質(zhì)中傳播的長度L之積成正比，即

＝VHL(1)V稱為韋爾代(verdet)常數(shù)，表示在單位磁場強(qiáng)度下線偏振光通過單位長度的磁光介質(zhì)后偏振方向旋轉(zhuǎn)的角度。2022/10/30簡化原理1、法拉第旋轉(zhuǎn)裝置布魯斯特介質(zhì)偏振片旋轉(zhuǎn)體實(shí)物裝置2022/10/30在光頻波段內(nèi)，令，幾乎所有的磁光現(xiàn)象都可得到解釋。引進(jìn)等效介電系數(shù)張量

當(dāng)磁場反向時(shí)，

的符號也要反號，即:

2、理論分析2022/10/30假設(shè)磁場沿z軸方向，取磁光介質(zhì)中傳播的平面波為:式中l(wèi)x、ly、lz為光波矢的方向余弦。代入菲涅耳方程

由系數(shù)行列式為零，得到折射率n所滿所足的方程:2、理論分析2022/10/30

假設(shè)光波在立方晶體或各向同性介質(zhì)中（）平行于磁化強(qiáng)度（z）方向（lx=ly=0，lz=1）傳播，得

2、理論分析2022/10/30可見Ez=0，即介質(zhì)中傳播的光波為橫波，相應(yīng)的傳播模式為右旋和左旋的兩個圓偏振光波：代如菲涅耳方程得，2、理論分析2022/10/302、理論分析2022/10/30

因此，沿x方向偏振的入射光經(jīng)過長度為L的磁光介質(zhì)后將偏轉(zhuǎn)一個角度這就是法拉第旋轉(zhuǎn)現(xiàn)象，

為磁致旋光率。

當(dāng)磁化強(qiáng)度較弱，B與H為線性關(guān)系，即=0為常量。因而旋光率

與外加磁場強(qiáng)度在成正比，則:2、理論分析2022/10/303、法拉第旋轉(zhuǎn)的特殊規(guī)律（1）自然旋光物質(zhì)左右旋與光的傳播方向無關(guān)2022/10/30（2）光沿磁場方向通過時(shí)，振動面右旋。光逆磁場方向傳播時(shí)，振動面左旋。3、法拉第旋轉(zhuǎn)的特殊規(guī)律（3）光束一正一反兩次通過磁光介質(zhì)時(shí)，振動面轉(zhuǎn)過角度。2022/10/301、磁光開關(guān)與磁光調(diào)制器（點(diǎn)調(diào)制與空間調(diào)制）2、

磁光光盤：光信息存儲3、隔離器：在光通信和級聯(lián)式激光器系統(tǒng)中用以隔離后續(xù)系統(tǒng)反饋的光信號4、偏頻器：零鎖區(qū)激光陀螺中通過產(chǎn)生偏頻來消除激光陀螺的閉鎖現(xiàn)象法拉第旋轉(zhuǎn)器的應(yīng)用2022/10/30當(dāng)一束線偏振光通過時(shí)，分解為兩個頻率相同、初相位相同的兩個圓偏振光，一個電矢量是順時(shí)針旋轉(zhuǎn)（右旋），另一個是逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)（左旋），而且分別以+＝c/nR和-＝c/nL傳播，當(dāng)通過長L后產(chǎn)生的相位延遲分別為:從而總相位差(2)3、法拉第旋轉(zhuǎn)的特殊規(guī)律2022/10/30當(dāng)合成為一線偏振光時(shí)，其偏振方向?qū)⑿D(zhuǎn)了一個角度。

若將振幅A分解為左旋和右旋兩矢量AL和AR

，假設(shè)介質(zhì)的長度L使右旋矢量AR剛轉(zhuǎn)回到原來的位置，此時(shí)左旋光矢量(由于vL≠vR

)轉(zhuǎn)到A’L，于是合成的線偏振光A’相對于入射光的偏振方向轉(zhuǎn)了一個角度，此值等于角的一半，即

=/2＝（nR–nL）L/(3)A’的偏振方向?qū)㈦S著光波的傳播向右旋轉(zhuǎn)。這稱為右旋光效應(yīng)。ALARAL’zAA’3、法拉第旋轉(zhuǎn)的特殊規(guī)律2022/10/30

當(dāng)通過磁光介質(zhì)時(shí)，只要磁場方向不變，旋轉(zhuǎn)角都朝一個方向增加，此現(xiàn)象表明磁致旋光效應(yīng)是一個不可逆的光學(xué)過程，因而可利用來制成光學(xué)隔離器或單通光閘等器件。3、法拉第旋轉(zhuǎn)的特殊規(guī)律2022/10/301812年，得到戴維的賞識，到了實(shí)驗(yàn)室當(dāng)一名刷瓶子工人。次年成為戴維的助手。游歷歐洲。在電化學(xué)方面顯示出卓越的實(shí)驗(yàn)才能，1824年選為皇家學(xué)會會員。法拉第英國物理學(xué)家（1791－1867）2022/10/30電磁感應(yīng)1831年，發(fā)現(xiàn)運(yùn)動的磁鐵會導(dǎo)致電流，而靜止的磁鐵卻沒有電流效應(yīng)。數(shù)學(xué)能力的欠缺被天才的物理洞察力所彌補(bǔ)建立“場”的概念（用來傳遞電磁作用的連續(xù)介質(zhì)）、“力線”概念（場的直觀圖象）。破除了牛頓的超距作用概念。建立電磁感應(yīng)定律：只要導(dǎo)線垂直地切害磁力線，導(dǎo)線中就有電流產(chǎn)生，電流的大小與所切割的磁力線數(shù)成正比。2022/10/30電磁波1832年電磁波的概念：“我認(rèn)為，磁力從磁極出發(fā)的傳播類似于起波紋的水面的振動或者空氣粒子的聲振動?！?845年發(fā)現(xiàn)磁的旋光效應(yīng)（法拉第效應(yīng)）1846年提出光的本性是電力線和磁力線的振動一生對科學(xué)一往情深，對金錢和地位不屑一顧。熱愛科普事業(yè)，1860年，69歲的法拉弟以《蠟燭的化學(xué)故事》為題做了六次“圣誕科學(xué)講座”英俄交戰(zhàn)時(shí)期，拒絕了政府研制毒氣的要求2022/10/30法拉第1845年發(fā)現(xiàn)旋光效應(yīng)；克爾1875年發(fā)現(xiàn)電克效應(yīng)和1876年發(fā)現(xiàn)克爾磁光效應(yīng)；荷蘭物理學(xué)家塞曼于1896年發(fā)現(xiàn)的又一個磁光效應(yīng)；法拉第旋光效應(yīng)和克爾效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)在當(dāng)時(shí)引起了眾多物理學(xué)家的興趣。1862年法拉第出于“磁力和光波彼此有聯(lián)系”的信念，試圖探測磁場對鈉黃光的作用，但因儀器精度欠佳未果。2022/10/304磁光效應(yīng)（Magneto-opticaleffect）旋光效應(yīng)：當(dāng)線偏振光沿光軸通過晶體后，偏振方向可以發(fā)生旋轉(zhuǎn)。一般的旋光晶體為弱磁材料，具有雙折射和互易的旋光特性。磁光效應(yīng)：對于強(qiáng)磁材料或處于強(qiáng)磁場作用下的弱磁材料，其透射光以及反射光會產(chǎn)生與材料的磁化強(qiáng)度或外加磁場強(qiáng)度相關(guān)的非互易的光學(xué)效應(yīng)。已知的磁光效應(yīng)包括：Farady效應(yīng)、Kerr效應(yīng)、Zeeman效應(yīng)、Voigt效應(yīng)、Cotton-Mouton效應(yīng)（后二者也稱為磁致雙折射效應(yīng)）非互易：Farady旋轉(zhuǎn)角θF和Kerr旋轉(zhuǎn)角θ′F等表征磁光效應(yīng)的參數(shù)都是磁場(H、M）的線性函數(shù)，當(dāng)磁場反向時(shí)，θF和θ′F都要改變符號。即光偏振面轉(zhuǎn)動方向僅由磁場H的方向決定，與光的傳播方向與磁場同向還是反向無關(guān)。角度疊加效應(yīng)光隔離器，環(huán)行器。2022/10/305

Farady旋轉(zhuǎn)效應(yīng)透射效應(yīng)，光傳播方向與磁場方向一致。對于順磁和抗磁介質(zhì)（弱磁介質(zhì)）其中Vd>0，右旋介質(zhì)，Vd<0，左旋介質(zhì)。對于鐵磁或亞鐵磁介質(zhì)（強(qiáng)磁介質(zhì)）θF

：Farady旋轉(zhuǎn)角，Vd:Verdet常數(shù)，表示弱磁材料法拉第效應(yīng)的大小，l:通光長度γ：磁光系數(shù)在沒有發(fā)生磁飽和的情況下H<<γM外加磁場很強(qiáng)，導(dǎo)致磁化飽和M→Ms,θF趨向飽和2022/10/306

Kerr效應(yīng)反射效應(yīng)：在磁光晶體表面反射時(shí)，反射光相對于入射光產(chǎn)生非互易性旋轉(zhuǎn)，如線偏振光可由Kerr效應(yīng)成為橢圓偏振反射光。入射光與磁場方向的關(guān)系可分：極向、縱向和橫向Kerr效應(yīng)2022/10/30

1、一束波長為0.6328μm線偏振光經(jīng)過長為20cm，半