2.4-光波在磁光介質(zhì)中的傳播資料

2023/9/27旋光1．石英的旋光現(xiàn)象1)旋光現(xiàn)象菲涅耳對(duì)旋光的定性解釋線偏振光可以看作是一對(duì)同頻率、同幅度的兩列反方向旋轉(zhuǎn)的圓偏振光合成的。在晶體中，左旋光、右旋光的折射率不同,因而在晶體中經(jīng)過(guò)一段距離后一列光比另一列相位滯后,導(dǎo)致合成的線偏光振動(dòng)面旋轉(zhuǎn)。電矢量的旋轉(zhuǎn)左旋圓偏光的折射率nL右旋圓偏光的折射率nR在t時(shí)刻，z點(diǎn)光的相位比0點(diǎn)處都滯后左旋右旋2023/9/272〕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(guò)后偏振面被旋轉(zhuǎn)了一個(gè)角度。3〕旋光率：：旋光率。4〕旋光色散：，旋光率隨波長(zhǎng)變化。不同顏色的線振動(dòng)面透過(guò)晶體后被旋轉(zhuǎn)的角度不同2023/9/27磁光效應(yīng)是磁光調(diào)制的物理根底。當(dāng)光波通過(guò)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(chēng)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(chǎng)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(chǎng)強(qiáng)H和光在介質(zhì)中傳播的長(zhǎng)度L之積成正比，即＝VHL(1)式中，V稱(chēng)為韋爾代(verdet)常數(shù)，它表示在單位磁場(chǎng)強(qiáng)度下線偏振光通過(guò)單位長(zhǎng)度的磁光介質(zhì)后偏振方向旋轉(zhuǎn)的角度。表列出了一些磁光材料的韋爾代常數(shù)。2.4光波在磁光介質(zhì)中的傳播2023/9/27裝置、光路FaradayRotatorBrewsterdielectricpolarizersRotator2023/9/27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(chǎng)反向時(shí)，

的符號(hào)也要反號(hào)，即:

理論分析2023/9/27假設(shè)磁場(chǎng)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

假設(shè)單色平面光波的電位移矢量、電場(chǎng)強(qiáng)度、磁感應(yīng)強(qiáng)度和磁場(chǎng)強(qiáng)度分別為遠(yuǎn)離輻射源，無(wú)自由電荷，無(wú)傳導(dǎo)電流時(shí)麥克斯韋方程組2023/9/27將其分別代入麥克斯韋方程〔1〕、〔2〕、〔3〕和〔4〕式，并結(jié)合物質(zhì)方程可得對(duì)于各向異性、非鐵磁性介質(zhì)D、k、H〔B〕彼此垂直E、H、S彼此垂直2023/9/27由上式的后兩式聯(lián)立得利用公式可得即2023/9/27

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M（z）方向（lx=ly=0，lz=1）傳播，得

由系數(shù)行列式為零，得到折射率n所滿(mǎn)所足的方程:2023/9/27可見(jiàn)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(gè)圓偏振光波：代如菲涅耳方程得，2023/9/272023/9/27因此，沿x方向偏振的入射光經(jīng)過(guò)長(zhǎng)度為L(zhǎng)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。

2023/9/27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(chǎng)強(qiáng)度在成正比,式可寫(xiě)成:

式中V稱(chēng)為韋爾德〔Verdet〕常數(shù)，它表示在單位磁場(chǎng)強(qiáng)度下線偏振光波通過(guò)單位長(zhǎng)度磁光介質(zhì)后偏振方向旋轉(zhuǎn)的角度。2023/9/27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(wú)關(guān)2023/9/27〔2〕光沿磁場(chǎng)方向通過(guò)時(shí)，振動(dòng)面右旋。光逆磁場(chǎng)方向傳播時(shí)，振動(dòng)面左旋。2023/9/27〔4〕法拉第旋轉(zhuǎn)的用途假設(shè)：線偏振光返回后無(wú)法通過(guò)第一個(gè)偏振片，成為光隔離器。那么:（3）光束一正一反兩次通過(guò)磁光介質(zhì)時(shí)，振動(dòng)面轉(zhuǎn)過(guò)角度。法拉第旋轉(zhuǎn)器的應(yīng)用2023/9/27

對(duì)于旋光現(xiàn)象的物理原因，可解釋為外加磁場(chǎng)使介質(zhì)分子的磁矩定向排列，當(dāng)一束線偏振光通過(guò)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?lè)较蛐D(zhuǎn)，稱(chēng)為右旋圓偏振光，而另一個(gè)圓偏振光是逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)的，稱(chēng)為左旋圓偏振光。這兩個(gè)圓偏振光無(wú)相互作用地以?xún)煞N略有不同的速度

+＝c/nR和

-＝c/nL傳播，它們通過(guò)厚度為L(zhǎng)的介質(zhì)之后產(chǎn)生的相位延遲分別為:所以?xún)蓤A偏振光間存在一相位差2023/9/27當(dāng)它們通過(guò)介質(zhì)之后，又合成為一線偏振光，其偏振方向相對(duì)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(zhǎng)度L使右旋矢量AR剛轉(zhuǎn)回到原來(lái)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(duì)于入射光的偏振方向轉(zhuǎn)了一個(gè)角度，此值等于角的一半，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(chēng)為右旋光效應(yīng)。ALARAL’

zAA’(2)2023/9/27磁致旋光效應(yīng)的旋轉(zhuǎn)方向僅與磁場(chǎng)方向有關(guān)，而與光線傳播方向的正逆無(wú)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(guò)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(guò)磁光介質(zhì)時(shí)，只要磁場(chǎng)方向不變，旋轉(zhuǎn)角都朝一個(gè)方向增加，此現(xiàn)象說(shuō)明磁致旋光效應(yīng)是一個(gè)不可逆的光學(xué)過(guò)程，因而可利用來(lái)制成光學(xué)隔離器或單通光閘等器件。2023/9/27英國(guó)物理學(xué)家麥克爾·法拉第〔1791－1867〕，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(tīng)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謝。2023/9/27電磁感應(yīng)電流有磁效應(yīng)，磁有沒(méi)有電流效應(yīng)呢？1831年，法拉第發(fā)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)的磁鐵會(huì)導(dǎo)致電流，而靜止的磁鐵卻沒(méi)有電流效應(yīng)。這個(gè)電流稱(chēng)為感生電流。模型發(fā)電機(jī)與電動(dòng)機(jī)。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(chǎng)〞的概念〔用來(lái)傳遞電磁作用的連續(xù)介質(zhì)〕、“力線〞概念〔場(chǎng)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。2023/9/27電磁波1832年的一封信中實(shí)際上提出了電磁波的概念：“我認(rèn)為，磁力從磁極出發(fā)的傳播類(lèi)似于起波紋的水面的振動(dòng)或者空氣粒子的聲振動(dòng)。也就是說(shuō)，我打算把振動(dòng)理論應(yīng)用于磁現(xiàn)象，就像對(duì)聲音所作的那樣，而且這也是光現(xiàn)象最可能的解釋。〞1845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(dòng)2023/9/27一生對(duì)科學(xué)一往情深，對(duì)金錢(qián)和地位不屑一顧。熱愛(ài)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從1820－1862，每天堅(jiān)持做實(shí)驗(yàn)日記，1932年出版，共七大