25光波在磁光介質(zhì)中的傳播課件

1、2.5 光波在磁光介質(zhì)中的傳播9/27/20221共17頁2.5 光波在磁光介質(zhì)中的傳播9/25/20221共17旋光現(xiàn)象一. 自然旋光：當(dāng)線偏振光沿光軸方向通過某些天然介質(zhì)時(shí)，它的偏振面會(huì)發(fā)生旋轉(zhuǎn)。 旋光率二.菲涅耳的解釋 線偏振光可看作是同頻率、等振幅、有確定相位差的左(L)、右(R )旋圓偏振光的合成。旋轉(zhuǎn)的角度：旋光物質(zhì) L9/27/2022旋光現(xiàn)象一. 自然旋光：當(dāng)線偏振光沿光軸方向通過某些天然介質(zhì)EELERo(a)(b)ERELELR非旋光物質(zhì)旋光物質(zhì)9/27/2022EELERo(a)(b)ERELELR非旋光物質(zhì)在出射面上:由圖示，有：令 旋光率則 (b)ERELELR9/27

2、/2022在出射面上:由圖示，有：令 旋光率則 (b)ERELE旋光色散旋光率隨波長變化 不同顏色的線振動(dòng)面透過晶體后被旋轉(zhuǎn)的角度不同9/27/2022旋光色散旋光率隨波長變化 不同顏色的線振動(dòng)面透過晶體后被旋轉(zhuǎn)三. 磁致旋光:磁場作用下表現(xiàn)出的旋光特性 L磁致旋光物質(zhì)B旋轉(zhuǎn)的角度： V費(fèi)德爾常量，單位： 弧度/米特斯拉，L-光在介質(zhì)中傳播長度；B平行于傳播方向的磁感應(yīng)強(qiáng)度分量；9/27/2022三. 磁致旋光:磁場作用下表現(xiàn)出的旋光特性 L磁致旋光物(1) 對自然旋光物質(zhì)，振動(dòng)面的左旋或右旋是由旋光物質(zhì)本身決定的。 反射鏡入射光右旋反射鏡反射光右旋9/27/2022(1) 對自然旋光物質(zhì)，振

3、動(dòng)面的左旋或右旋是由旋光物質(zhì)本身決(2)對磁致旋光物質(zhì)，光沿 與逆 方向傳播，振動(dòng)面旋向相反。 反射鏡入射光右旋B反射鏡反射光左旋B9/27/2022(2)對磁致旋光物質(zhì)，光沿 與逆 方向傳播，振動(dòng)面旋向相 磁致旋光效應(yīng)的旋轉(zhuǎn)方向僅與磁場方向有關(guān)，而與光線傳播方向的正逆無關(guān)，這是磁致旋光現(xiàn)象與晶體的自然旋光現(xiàn)象不同之處(即當(dāng)光束往返通過自然旋光物質(zhì)時(shí)，因旋轉(zhuǎn)角相等方向相反而相互抵消)。 但通過磁光介質(zhì)時(shí)，只要磁場方向不變，旋轉(zhuǎn)角都朝一個(gè)方向增加，此現(xiàn)象表明磁致旋光效應(yīng)是一個(gè)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。結(jié) 論9/27/2022 磁致旋光效應(yīng)的旋轉(zhuǎn)方向僅與磁場方向

4、有關(guān)，而與光線傳播 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)度和光在介質(zhì)中傳播的長度之積成正比，即 韋爾德常數(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。表2-5列出了一些磁光材料的韋爾代常數(shù)。2.5 光波在磁光介質(zhì)中的傳播9/27/2022 當(dāng)光波通過這種磁化的物體 (磁性物質(zhì)）時(shí)，其在光頻波段內(nèi)，令 ，幾乎所有的磁光現(xiàn)象都可得到解釋

5、。 引進(jìn)等效介電系數(shù)張量 當(dāng)磁場反向時(shí)， 的符號(hào)也要反號(hào)，即: 理論分析9/27/2022在光頻波段內(nèi)，令 ，幾乎所有的磁光假設(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 :理論分析9/27/2022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、 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 理論分析9/27/2022 假設(shè)光波在立方晶體或各向同性介質(zhì)中（ 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

6、旋的兩個(gè)圓偏振光波： 代入菲涅耳方程 得，理論分析9/27/2022可見Ez=0，即介質(zhì)中傳播的光波為橫波，相應(yīng)的傳播模式為右旋理論分析9/27/2022理論分析9/25/2022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(gè)角度 這就是法拉第旋轉(zhuǎn)現(xiàn)象， 為磁致旋光率。 理論分析9/27/2022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(gè)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)度成正比, 上式可寫成: 式中V稱為韋爾德常數(shù)，它表示在單位磁場強(qiáng)度下線偏振光波通過單位長度磁光介質(zhì)后偏振方向旋轉(zhuǎn)的角度。 理論分析9/27/2022當(dāng)磁化

7、強(qiáng)度較弱，B與H為線性關(guān)系，即=0為常量。因而旋光法拉第旋轉(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)；（2）光沿磁場方向通過時(shí)，振動(dòng)面右旋。 光逆磁場方向傳播時(shí)，振動(dòng)面左旋。（4）法拉第旋轉(zhuǎn)的用途若：線偏振光返回后無法通過第一個(gè)偏振片，成為光隔離器。則:（3）光束一正一反兩次通過磁光介質(zhì)時(shí)，振動(dòng)面 轉(zhuǎn)過角度 。法拉第旋轉(zhuǎn)器的應(yīng)用9/27/2022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 對于旋光現(xiàn)象的物理原因，可解釋為外加磁場使介質(zhì)分子的磁矩定向排列，當(dāng)一束線偏振光通過它時(shí)，分解為兩個(gè)頻率相同、初相位相同的兩個(gè)圓偏振光，其中一個(gè)圓偏振光的電矢量是順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)，

8、稱為右旋圓偏振光，而另一個(gè)圓偏振光是逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)的，稱為左旋圓偏振光。這兩個(gè)圓偏振光無相互作用地以兩種略有不同的速度 +c/nR和 -c/nL傳播，它們通過厚度為L的介質(zhì)之后產(chǎn)生的相位延遲分別為:所以兩圓偏振光間存在一相位差9/27/2022 對于旋光現(xiàn)象的物理原因，可解釋為外加磁場使介當(dāng)它們通過介質(zhì)之后，又合成為一線偏振光，其偏振方向相對于入射光旋轉(zhuǎn)了一個(gè)角度。zA表示入射介質(zhì)的線偏振光的振動(dòng)方向，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vLvR )轉(zhuǎn)到AL，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(gè)角度，此

9、值等于角的一半，即 = /2 （nR nL）L/ (3)可以看出，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)。ALARALzAA(2)9/27/2022當(dāng)它們通過介質(zhì)之后，又合成為一線偏振光，其偏振方向相對于入射英國物理學(xué)家麥克爾法拉第（17911867），貧苦出身，幼年失學(xué)，在印刷廠當(dāng)童工時(shí)學(xué)習(xí)零星的科學(xué)知識(shí)。1812年，聆聽戴維的講演，得到戴維的賞識(shí)，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(huì)會(huì)員。遭到戴維的妒忌，但法拉第一直心存感激。麥克爾法拉第（17911867）9/27/2022英國物理學(xué)家麥克爾法拉第（17911867），貧苦出身，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