光波在磁光介質(zhì)中的傳播課件

2.5

光波在磁光介質(zhì)中的傳播10/1/20231共17頁旋光現(xiàn)象一. 自然旋光：當線偏振光沿光軸方向通過某些天然介質(zhì)時，它的偏振面會發(fā)生旋轉(zhuǎn)。α

—

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：λφ旋光物質(zhì)L10/1/2023EELER·oωω(a)(b)ERELEφLφRφ非旋光物質(zhì)10/1/2023旋光物質(zhì)在出射面上:由圖示，有：令——

旋光率則(b)LEφLEφφRER10/1/2023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10/1/2023三. 磁致旋光:磁場作用下表現(xiàn)出的旋光特性λφL磁致旋光物質(zhì)B旋轉(zhuǎn)的角度：V——費德爾常量，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)強度分量；10/1/2023(1)

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。反射鏡入射光φ右旋反射鏡反射光φ右旋10/1/2023(2)

對磁致旋光物質(zhì)，光沿 與逆 方向傳播，振動面旋向相反。反射鏡入射光φ右旋B反射鏡反射光φ左旋Bφ

φ10/1/2023結(jié)

論磁致旋光效應(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(即當光束往返通過自然旋光物質(zhì)時，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，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過程，因而可利用來制成光學隔離器或單通光閘等器件。10/1/2023當光波通過這種磁化的物體(磁性物質(zhì)）時，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，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10/1/2023在光頻波段內(nèi)，令，幾乎所有的磁光現(xiàn)象都可得到解釋。引進等效介電系數(shù)張量當磁場反向時，δ

的符號也要反號，即:理論分析10/1/2023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

:10/1/2023理論分析假設(shè)光波在立方晶體或各向同性介質(zhì)中（）平行于磁化強度（z）方向（lx=ly=0，lz=1）傳播，得理論分析10/1/2023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：代入菲涅耳方程

得，理論分析10/1/2023理論分析10/1/2023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，α

為磁致旋光率。10/1/2023理論分析當磁化強度較弱，B與H為線性關(guān)系，即μ=μ0為常量。因而旋光率α

與外加磁場強度成正比,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10/1/2023法拉第旋轉(zhuǎn)的特殊規(guī)律若：線偏振光返回后無法通過第一個偏振片，成為光隔離器。則:自然旋光物質(zhì)左右旋與光的傳播方向無關(guān)；光沿磁場方向通過時，振動面右旋。光逆磁場方向傳播時，振動面左旋。光束一正一反兩次通過磁光介質(zhì)時，振動面轉(zhuǎn)過角度

。法拉第旋轉(zhuǎn)的用途法拉第旋轉(zhuǎn)器的應(yīng)用10/1/2023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，當一束線偏振光通過它時，分解為兩個頻率相同、初相位相同的兩個圓偏振光，其中一個圓偏振光的電矢量是順時針方向旋轉(zhuǎn)，稱為右旋圓偏振光，而另一個圓偏振光是逆時針方向旋轉(zhuǎn)的，稱為左旋圓偏振光。這兩個圓偏振光無相互作用地以兩種略有不同的速度

υ+＝c/nR和υ-＝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10/1/2023當它們通過介質(zhì)之后，又合成為一線偏振光，其偏振方向相對于(3)θ

=

δ/2＝

π（nR

–nL）L/

λ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)。ARAL’δALθz入射光旋轉(zhuǎn)了一個角度。zA表示入射介質(zhì)的線偏振光的振動方向，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A

一A’個角度θ，此值等于δ角的一半，即(2)10/1/2023英國物理學家麥克爾·法拉第（1791－1867），貧苦出身，幼年失學，在印刷廠當童工時學習零星的科學知識。1812年，聆聽戴維的講演，得到戴維的賞識，到了實驗室當一名刷瓶子工人。次年成為戴維的助手。游歷歐洲。在電化學方面顯示出卓越的實驗才能，1824年選為皇家學會會員。遭到戴維的妒忌，但法拉第一直心存感激。麥克爾·法拉第（1791－1867）10/1/2023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