《法拉第效应》PPT课件.ppt

1、6.3 法拉第效应法拉第效应(Faraday effect)6.3.1 晶体的旋光效应晶体的旋光效应(Rotation effect in crystals)6.3.2 法拉第效应法拉第效应 (Faraday effect)6.3.1 晶体的旋光效应晶体的旋光效应(Rotation effect in crystals)1旋光现象旋光现象1811年年,阿喇果在研究石英晶体的双折射特性时发现阿喇果在研究石英晶体的双折射特性时发现:一束线偏振光沿一束线偏振光沿石英晶体的光轴方向传播石英晶体的光轴方向传播时时,其振动其振动平面会相对原方向平面会相对原方向转过一个角度转过一个角度。石英石英光轴光轴石英

2、晶体是单轴晶体石英晶体是单轴晶体,光沿着光轴方向传播光沿着光轴方向传播不会发生不会发生双折射双折射，该现象应属另外一种新现象，该现象应属另外一种新现象,这就是这就是旋光现旋光现象象。1旋光现象旋光现象石英石英光轴光轴比奥比奥在蒸汽和液态物质中也观察到了同样的旋光现象。在蒸汽和液态物质中也观察到了同样的旋光现象。一定波长的线偏振光通过旋光介质时，光振动方向转一定波长的线偏振光通过旋光介质时，光振动方向转过的过的角度角度 与在该介质中通过的与在该介质中通过的距离距离 l 成正比成正比:(118)l 表征了该介质的旋光本领，称为表征了该介质的旋光本领，称为旋光率旋光率，它与，它与光波光波长、介质的性

3、质及温度有关长、介质的性质及温度有关。1旋光现象旋光现象旋光本领因波长而异的现象称为旋光本领因波长而异的现象称为旋光色散旋光色散,石英晶体石英晶体的的旋光率旋光率 随光波长随光波长的变化规律如图所示。的变化规律如图所示。1旋光现象旋光现象400 500 600700204060/nmP红红紫紫1旋光现象旋光现象例如例如,石英晶体的石英晶体的 在在:400 500 600700204060/nm在在0.4m 时，为时，为490/mm；在在0.5m 时，为时，为310/mm；在在0.6m 时，为时，为160/mm。对于具有旋光特性的对于具有旋光特性的溶液溶液,光振动方向旋转的角度光振动方向旋转的角

4、度还还与溶液的浓度成正比与溶液的浓度成正比：(119)cl 称为溶液的称为溶液的比旋光率比旋光率；c 为溶液浓度。可以根据光为溶液浓度。可以根据光振动方向转过的角度，振动方向转过的角度，确定该溶液的浓度确定该溶液的浓度。1旋光现象旋光现象不同旋光介质光振动矢量的旋转方向不同不同旋光介质光振动矢量的旋转方向不同,并因此将并因此将旋光介质分为旋光介质分为左旋和右旋左旋和右旋。1旋光现象旋光现象石英石英光轴光轴对着光线观察对着光线观察,使光振动矢量顺时针旋转的介质使光振动矢量顺时针旋转的介质叫右叫右旋光介质旋光介质,逆时针旋转的介质叫逆时针旋转的介质叫左旋光介质左旋光介质。1旋光现象旋光现象右旋光介

5、质右旋光介质自然界存在的石英晶体既有自然界存在的石英晶体既有右旋的，也有左旋右旋的，也有左旋的，它的，它们的旋光本领在数值上相等，但方向相反。们的旋光本领在数值上相等，但方向相反。之所以有这种左、右旋之分，是由于其之所以有这种左、右旋之分，是由于其结构不同结构不同造成造成的，右旋石英与左旋石英的分子组成相同，都是的，右旋石英与左旋石英的分子组成相同，都是SiO2,但分子的排列结构是但分子的排列结构是镜像对称镜像对称。1旋光现象旋光现象当将石英晶片置于正交的两个偏振器之间观察其会当将石英晶片置于正交的两个偏振器之间观察其会聚光照射时聚光照射时,图样的中心不是暗点，而几乎图样的中心不是暗点，而几乎

6、总是亮的总是亮的。1旋光现象旋光现象P1P2石英石英2旋光现象的解释旋光现象的解释1825年，年，菲涅耳菲涅耳对旋光现象提出了一种对旋光现象提出了一种唯象的解释唯象的解释。按照他的假设按照他的假设,可以把进入旋光介质的线偏振光看作可以把进入旋光介质的线偏振光看作是是右旋圆偏振光和左旋圆偏振光的组合右旋圆偏振光和左旋圆偏振光的组合。菲涅耳认为：菲涅耳认为：在各向同性介质中在各向同性介质中,线偏振光的右、左线偏振光的右、左旋圆偏振光分量的旋圆偏振光分量的传播速度传播速度 R 和和 L 相等相等,因而其相因而其相应的折射率应的折射率 nRc/R 和和 nLc/L相等。相等。2旋光现象的解释旋光现象的

7、解释而在右、左旋光介质中，右、左旋圆偏振光的而在右、左旋光介质中，右、左旋圆偏振光的传播传播速度不同速度不同,其相应的折射率也不相等。其相应的折射率也不相等。在右旋晶体中在右旋晶体中,右旋圆偏振光的传播速度右旋圆偏振光的传播速度较快较快,R L；左旋晶体中，；左旋晶体中，左旋圆偏振光的传播速度较快左旋圆偏振光的传播速度较快，L R。LLRR/ncnc假设入射到旋光介质上的光是沿水平方向振动的线偏假设入射到旋光介质上的光是沿水平方向振动的线偏振光，按照归一化振光，按照归一化琼斯矩阵方法琼斯矩阵方法，可以把菲涅耳假设可以把菲涅耳假设表示为表示为111110ii22 2旋光现象的解释旋光现象的解释

8、x 方向振动的线偏振光、振动方向与方向振动的线偏振光、振动方向与 x 轴成轴成 角的线角的线偏振光偏振光、左旋圆偏振光、右旋圆偏振光的标准归一化左旋圆偏振光、右旋圆偏振光的标准归一化琼斯矢量形式分别为：琼斯矢量形式分别为：1cos,1122,i 0si22in 如果右旋和左旋圆偏振光通过厚度为如果右旋和左旋圆偏振光通过厚度为 l 的旋光介质后的旋光介质后,相位滞后分别为相位滞后分别为RRRLLL2 (120)2k ln lk ln l2旋光现象的解释旋光现象的解释nl则其合成波的琼斯矢量为则其合成波的琼斯矢量为RLRLRLRLRLiiiii()i()i()22211111111eeeeiiii

9、2222111 =eeeii2k lk llllkkkkkkE 引入引入RLRL()2 (121)()2lkklkk2旋光现象的解释旋光现象的解释合成波的琼斯矢量可以写为合成波的琼斯矢量可以写为iiiiii1ee)cos2ee (122)1sinee)2E（它代表了光振动方向与它代表了光振动方向与水平方向成水平方向成 角的线偏振光角的线偏振光。2旋光现象的解释旋光现象的解释iiiiii1ee)cos2ee (122)1sinee)2E（RLRLRLi()i()i()222111=eeeii2lllkkkkkkE RLRL();()(121)22llkkkk2旋光现象的解释旋光现象的解释入射的线

10、偏振光光矢量通过旋光介质后，入射的线偏振光光矢量通过旋光介质后，转过了转过了 角角:RLiii1111eeii22cose 122sin111110ii22EE （）10 x 方向振动的线偏振光方向振动的线偏振光振动方向与振动方向与 x 轴成轴成 角的线偏振光角的线偏振光cossinRL()(123)nn l2旋光现象的解释旋光现象的解释由由(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)2lklkkk如果左旋圆偏振光传播得快，如果左旋圆偏振光传播得快，nLnR，则，则 0，即光即光矢量是向逆时针方向旋转的矢量是向逆

11、时针方向旋转的。2旋光现象的解释旋光现象的解释RL()(123)nn l如果右旋圆偏振光传播得快，如果右旋圆偏振光传播得快，nRnL，则，则0，即，即光光矢量是向顺时针方向旋转的矢量是向顺时针方向旋转的。2旋光现象的解释旋光现象的解释(123)式还指出，式还指出，旋转角度旋转角度 与与l 成正比成正比,与波长有关与波长有关，这些都是与实验相符的这些都是与实验相符的。RL()(123)nn l400 500 600700204060/nm为了验证旋光介质中传播速度不同，菲涅耳设计成了为了验证旋光介质中传播速度不同，菲涅耳设计成了由左旋石英和右旋石英交替胶合的三棱镜组由左旋石英和右旋石英交替胶合的

12、三棱镜组，其光轴，其光轴均与入射面均与入射面 AB 垂直。垂直。2旋光现象的解释旋光现象的解释ABCDERRLLR123一束单色线偏振光射入一束单色线偏振光射入AB 面面,在棱镜在棱镜1中沿光轴方向中沿光轴方向传播传播,相应的左、右旋圆偏振光的速度不同相应的左、右旋圆偏振光的速度不同,R L;棱镜棱镜 2 中中，L R;棱镜棱镜 3 中中，R L。2旋光现象的解释旋光现象的解释ABCDERRLLR123在界面在界面 AE 上上,左旋光远离法线方向折射左旋光远离法线方向折射,右旋光靠近右旋光靠近法线方向折射法线方向折射,于是左、右旋光分开了于是左、右旋光分开了。2旋光现象的解释旋光现象的解释AB

13、CDERRLLR123LRLRnn在第二个界面在第二个界面 CE 上上,左旋光靠近法线方向折射左旋光靠近法线方向折射,右右旋光远离法线方向折射旋光远离法线方向折射,于是两束光更加分开了于是两束光更加分开了。2旋光现象的解释旋光现象的解释ABCDERRLLR123RLRLnn在界面在界面 CD 上上,两束光经折射后进一步分开。实验结两束光经折射后进一步分开。实验结果果,证实了左、右旋圆偏振光传播速度不同的假设证实了左、右旋圆偏振光传播速度不同的假设.2旋光现象的解释旋光现象的解释ABCDERRLLR123菲涅耳的解释只是菲涅耳的解释只是唯象理论唯象理论，它不能说明旋光现象，它不能说明旋光现象的根

14、本原因，不能回答为什么在旋光介质中二的根本原因，不能回答为什么在旋光介质中二圆偏振圆偏振光的速度不同光的速度不同。2旋光现象的解释旋光现象的解释这个问题必须从这个问题必须从分子结构分子结构去考虑，即光在物质中传去考虑，即光在物质中传播时，不仅受分子的电矩作用，还要受到诸如分子的播时，不仅受分子的电矩作用，还要受到诸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。将旋光现象与双折射现象进行对比将旋光现象与双折射现象进行对比:一个是指在各一个是指在各向异性介质中的向异性介质中的二正交线偏振光二正交线偏振光的传播速度不同的传播速度不同;一一个是指在旋光介质中的个是指在旋光介质中的二反

15、向旋转的圆偏振光二反向旋转的圆偏振光的传的传播速度不同。播速度不同。2旋光现象的解释旋光现象的解释可将旋光现象视为一种特殊的双折射现象可将旋光现象视为一种特殊的双折射现象圆双折圆双折射射，而将前面讨论的双折射现象称为，而将前面讨论的双折射现象称为线双折射。线双折射。6.3.2 法拉第效应法拉第效应 (Faraday effect)上述旋光现象是旋光介质固有的性质上述旋光现象是旋光介质固有的性质,因此可以叫因此可以叫作作自然圆双折射自然圆双折射。与感应双折射类似，也可以通过人工的方法产生旋与感应双折射类似，也可以通过人工的方法产生旋光现象。介质在强磁场作用下产生旋光现象的效应叫光现象。介质在强磁

16、场作用下产生旋光现象的效应叫磁致旋光效应磁致旋光效应，或法拉第效应。，或法拉第效应。1846年，法拉第发现，在磁场的作用下，本来不具有年，法拉第发现，在磁场的作用下，本来不具有旋光性的介质也产生了旋光性，能够使旋光性的介质也产生了旋光性，能够使线偏振光的振线偏振光的振动面发生旋转动面发生旋转，这就是法拉第效应。，这就是法拉第效应。6.3.2 法拉第效应法拉第效应 (Faraday effect)将一根玻璃棒的两端抛光将一根玻璃棒的两端抛光,放进螺线管的磁场中放进螺线管的磁场中,再加再加上起偏器上起偏器 P1 和检偏器和检偏器 P2,让光束通过起偏器后顺着让光束通过起偏器后顺着磁场方向通过玻璃棒

17、磁场方向通过玻璃棒,光矢量的方向就会旋转光矢量的方向就会旋转。P1P2EE磁场磁场6.3.2 法拉第效应法拉第效应 (Faraday effect)维尔德维尔德对法拉第效应进行了仔细的研究对法拉第效应进行了仔细的研究,发现光振动发现光振动平面转过的角度与光在物质中平面转过的角度与光在物质中通过的长度通过的长度l 和磁感应和磁感应强度强度B 成正比成正比，即，即 (124)VBlV 是与物质性质有关的常数是与物质性质有关的常数,叫叫维尔德常数维尔德常数。一些常。一些常用物质的维尔德常数列于下表中。用物质的维尔德常数列于下表中。6.3.2 法拉第效应法拉第效应 (Faraday effect)物物

18、 质质温温 度度 /V/弧度弧度/(/(特特 米米)磷冕玻璃磷冕玻璃轻火石玻璃轻火石玻璃水晶水晶 垂直光轴垂直光轴 食盐食盐水水磷磷 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。几种物质的维尔德常数几种物质的维尔德常数6.3.2 法拉第效应法拉第效应 (Faraday effect)法拉第效应的旋光方向决定于法拉第效应的旋光方向决定于外加磁场方向外加磁场方向，与光与光的传播方向无关，的传播方向无关，即法拉第效应具有不可逆性。即法拉第效应具有不可逆性。6.3.2 法拉第效应法拉第效应 (

19、Faraday effect)6.3.2 法拉第效应法拉第效应 (Faraday effect)线偏振光通过线偏振光通过天然右旋介质时天然右旋介质时，迎着光看去，振动，迎着光看去，振动面总是向右旋转，所以，当从天然右旋介质出来的面总是向右旋转，所以，当从天然右旋介质出来的透射光沿原路返回时，透射光沿原路返回时，振动面将回到初始位置振动面将回到初始位置。6.3.2 法拉第效应法拉第效应 (Faraday effect)线偏振光通过磁性介质时，迎着光线看振动面向左线偏振光通过磁性介质时，迎着光线看振动面向左旋转角度旋转角度，所以光束沿原路返回，所以光束沿原路返回,一来一去两次通一来一去两次通过磁光

20、介质，振动面与初始位置相比，过磁光介质，振动面与初始位置相比，转过了角度转过了角度2。6.3.2 法拉第效应法拉第效应 (Faraday effect)在激光系统中，为了避免光路中各光学界面的反射光在激光系统中，为了避免光路中各光学界面的反射光对激光源产生干扰，可以利用法拉第效应制成对激光源产生干扰，可以利用法拉第效应制成光隔离光隔离器器，只允许光从一个方向通过，而不允许反向通过。，只允许光从一个方向通过，而不允许反向通过。输入光束输入光束激光放器激光放器1 1激光放器激光放器2输出输出磁致旋磁致旋光材料光材料螺线管螺线管P1改进型改进型格格-汤棱镜汤棱镜P2(与与P1成成450的格的格-汤汤

21、棱镜棱镜)让偏振片让偏振片P1与与P2 的透振方向成的透振方向成450,调整磁感应强度调整磁感应强度B,使从法拉第盒出来的使从法拉第盒出来的光振动面相对光振动面相对P1 转过转过450。于是于是,刚好能通过刚好能通过 P2。输入光束输入光束激光放器激光放器1 1激光放器激光放器2输出输出磁致旋磁致旋光材料光材料螺线管螺线管P1改进型改进型格格-汤棱镜汤棱镜P2(与与P1成成450的格的格-汤汤棱镜棱镜)6.3.2 法拉第效应法拉第效应 (Faraday effect)但对于从后面光学系统各界面反射回来的光，经但对于从后面光学系统各界面反射回来的光，经 P2 和法拉第盒后，和法拉第盒后，其光矢量与其光矢量与 P1 垂直垂直，因此被隔离而，因此被隔离而不能返回到光源。不能返回到光源。输入光束输入光束激光放器激光放器1 1激光放器激光放器2输出输出磁致旋磁致旋光材料光材料螺线管螺线管P1改进型改进型格格-汤棱镜汤棱镜与与P1成成450的的格格-汤棱镜汤棱镜6.3.2 法拉第效应法拉第效应 (Faraday effect)作业：作业：P297 1、3、9、10