25光波在磁光介质中的传播课件.ppt

1、 2.5 2.5 光波在磁光介质中的传播光波在磁光介质中的传播2022-9-27旋光现象旋光现象一一.自然旋光：自然旋光：当线偏振光沿光轴方向通过某些天然介质当线偏振光沿光轴方向通过某些天然介质时，它的偏振面会发生旋转。时，它的偏振面会发生旋转。旋光率旋光率L二二.菲涅耳的解释菲涅耳的解释 线偏振光可看作是同频率、等振幅、有确定相位差的线偏振光可看作是同频率、等振幅、有确定相位差的左左(L L)、右、右(R R)旋圆偏振光的合成。旋圆偏振光的合成。旋转的角度：旋转的角度：旋光物质旋光物质 L2022-9-27EELERo RLRLnn (a)(b)ERELE L R非旋光物质非旋光物质旋光物质

2、旋光物质2022-9-27在出射面上在出射面上:02LnRR02LnLL由图示，有：由图示，有：2121RLRRLLnnLRLR)(21令令 )(LRnna 旋光率旋光率L则则 (b)ERELE L R2022-9-27旋光色散旋光色散旋光率随波长变化旋光率随波长变化 不同颜色的线振动面透过不同颜色的线振动面透过晶体后被旋转的角度不同晶体后被旋转的角度不同)(LRnna 2022-9-27三三.磁致旋光磁致旋光:磁场作用下表现出的旋光特性磁场作用下表现出的旋光特性 L磁致旋光物质磁致旋光物质B旋转的角度：旋转的角度：LBVVV费德尔常量，单位：费德尔常量，单位：弧度弧度/米米 特斯拉，特斯拉，

3、L L-光在介质中传播长度；光在介质中传播长度；B B平行于传播方向的磁感应强度分量；平行于传播方向的磁感应强度分量；Trad/m 2022-9-27(1)(1)对对自然旋光自然旋光物质，振动面的左旋或右旋是由旋光物质物质，振动面的左旋或右旋是由旋光物质本身决定的。本身决定的。反射镜反射镜入射光入射光右旋右旋反射镜反射镜反射光反射光右旋右旋2022-9-27(2)对对磁致旋光磁致旋光物质，光沿物质，光沿 与逆与逆 方向传播，振动面方向传播，振动面旋向相反。旋向相反。B反射镜反射镜入射光入射光右旋右旋B BB反射镜反射镜反射光反射光左旋左旋B B2022-9-27 磁致旋光效应磁致旋光效应的旋转

4、方向仅与的旋转方向仅与磁场方向磁场方向有关，而有关，而与与光线传播方向的正逆光线传播方向的正逆无关，这是磁致旋光现象与晶无关，这是磁致旋光现象与晶体的体的自然旋光自然旋光现象不同之处现象不同之处(即当光束往返通过自然旋即当光束往返通过自然旋光物质时，因旋转角相等方向相反而相互抵消光物质时，因旋转角相等方向相反而相互抵消)。但但通过磁光介质时，只要磁场方向不变，旋转角都朝一通过磁光介质时，只要磁场方向不变，旋转角都朝一个方向增加，此现象表明个方向增加，此现象表明磁致旋光效应磁致旋光效应是一个不可逆是一个不可逆的光学过程，因而可利用来制成光学隔离器或单通光的光学过程，因而可利用来制成光学隔离器或单

5、通光闸等器件。闸等器件。结结 论论2022-9-27 当光波通过这种磁化的物体当光波通过这种磁化的物体(磁性物质）时，其传播特性发生磁性物质）时，其传播特性发生变化，这种现象称为磁光效应。变化，这种现象称为磁光效应。磁光效应包括磁光效应包括法拉第旋转法拉第旋转效应、效应、克尔克尔效应、效应、磁双折射磁双折射效应等。效应等。其中最主要的是其中最主要的是法拉第旋转效应法拉第旋转效应，它使一束线偏振光在外加磁场作，它使一束线偏振光在外加磁场作用下的介质中传播时，其偏振方向发生旋转，其旋转角度的大小与用下的介质中传播时，其偏振方向发生旋转，其旋转角度的大小与沿光束方向的磁场强度和光在介质中传播的长度之

6、积成正比，即沿光束方向的磁场强度和光在介质中传播的长度之积成正比，即 韦尔德常数表示在单位磁场强度下线偏振光通过单位长度的磁韦尔德常数表示在单位磁场强度下线偏振光通过单位长度的磁光介质后偏振方向旋转的角度。表光介质后偏振方向旋转的角度。表2-5列出了一些磁光材料的韦尔列出了一些磁光材料的韦尔代常数。代常数。2.5 2.5 光波在磁光介质中的传播光波在磁光介质中的传播LBV2022-9-27在光频波段内，令在光频波段内，令 ，几乎所有的磁光现象都可得到解释。，几乎所有的磁光现象都可得到解释。0引进等效介电系数张量引进等效介电系数张量 rzrxrxrijii0000当磁场反向时，当磁场反向时，的符

7、号也要反号，即的符号也要反号，即:)()(BB理论分析理论分析2022-9-27假设磁场沿假设磁场沿z轴方向，取磁光介质中传播的平面波为轴方向，取磁光介质中传播的平面波为:)()(exp),(0zlylxlnktiErktiEtrEzyx式中式中lx、ly、lz为光波矢的方向余弦。为光波矢的方向余弦。代入代入菲涅耳方程菲涅耳方程-0)(2EEllEnr由系数行列式为零，得到折射率由系数行列式为零，得到折射率n所满所足的方程所满所足的方程:理论分析理论分析2022-9-270)()()()(222222222224ryrxrzzryrxrzyryxrxrzyxryrxzrzyryxrxlllll

8、nllln 假设光波在立方晶体或各向同性介质中（假设光波在立方晶体或各向同性介质中（）平）平行于磁化强度（行于磁化强度（z）方向（）方向（lx=ly=0，lz=1）传播，得）传播，得 20nrzryrx022402204nnnn202nn理论分析理论分析2022-9-27000002020zyxyxzyxEnEEiEiEEEEnii可见可见Ez=0，即介质中传播的光波为横波，相应的传播模式为，即介质中传播的光波为横波，相应的传播模式为右旋和左旋的两个圆偏振光波：右旋和左旋的两个圆偏振光波：)2exp(10nziiEEyx代入代入菲涅耳方程菲涅耳方程 得，得，)右旋()左旋(yyxiEiEE。相

9、位超前（或落后）的相位差。二者之间产生了额外使由于外加磁场的作用，2/,xyyxEEEE理论分析理论分析2022-9-27左旋)22exp()2exp()2exp(000nzinziiEnziEyx右旋)22exp()2exp()2exp(000nzinziiEnziEyx理论分析理论分析2022-9-27因此，沿因此，沿x方向偏振的入射光经过长度为方向偏振的入射光经过长度为L的磁光介质后将偏转的磁光介质后将偏转一个角度一个角度 L000)(2nnn这就是法拉第旋转现象，这就是法拉第旋转现象，为磁致旋光率。为磁致旋光率。理论分析理论分析2022-9-27当磁化强度较弱，当磁化强度较弱，B与与H

10、为线性关系，即为线性关系，即=0为常量。为常量。因而旋光率因而旋光率 与与外加磁场强度外加磁场强度成正比成正比,上式可写成上式可写成:式中式中V称为韦尔德常数，它表示在单位磁场强度下线称为韦尔德常数，它表示在单位磁场强度下线偏振光波通过单位长度磁光介质后偏振方向旋转的角偏振光波通过单位长度磁光介质后偏振方向旋转的角度。度。HV 理论分析理论分析2022-9-27法拉第旋转的特殊规律法拉第旋转的特殊规律（1）自然旋光物质左右旋与光的传播方向无关；）自然旋光物质左右旋与光的传播方向无关；（2）光沿磁场方向通过时，振动面右旋。）光沿磁场方向通过时，振动面右旋。光逆磁场方向传播时，振动面左旋。光逆磁场

11、方向传播时，振动面左旋。（4）法拉第旋转的用途）法拉第旋转的用途0450902 若：若：线偏振光返回后无法通过第线偏振光返回后无法通过第一个偏振片，成为光隔离器。一个偏振片，成为光隔离器。则则:（3）光束一正一反两次通过磁光介质时，振动面）光束一正一反两次通过磁光介质时，振动面 转过角度转过角度 。2法拉第旋转器的应用2022-9-27 对于旋光现象的物理原因，可解释为外加磁场使介质分子的磁对于旋光现象的物理原因，可解释为外加磁场使介质分子的磁矩定向排列，当一束线偏振光通过它时，分解为两个频率相同、初矩定向排列，当一束线偏振光通过它时，分解为两个频率相同、初相位相同的两个圆偏振光，其中一个圆偏

12、振光的电矢量是顺时针方相位相同的两个圆偏振光，其中一个圆偏振光的电矢量是顺时针方向旋转，称为右旋圆偏振光，而另一个圆偏振光是逆时针方向旋转向旋转，称为右旋圆偏振光，而另一个圆偏振光是逆时针方向旋转的，称为左旋圆偏振光。这两个圆偏振光无相互作用地以两种略有的，称为左旋圆偏振光。这两个圆偏振光无相互作用地以两种略有不同的速度不同的速度 +c/nR和和 -c/nL传播，它们通过厚度为传播，它们通过厚度为L的介质之后的介质之后产生的相位延迟分别为产生的相位延迟分别为:所以两圆偏振光间存在一相位差所以两圆偏振光间存在一相位差2022-9-27当它们通过介质之后，又合成为一线偏振光，其偏振方向相对于当它们

13、通过介质之后，又合成为一线偏振光，其偏振方向相对于入射光旋转了一个角度。入射光旋转了一个角度。zA表示入射介质的线偏振光的振动方向，表示入射介质的线偏振光的振动方向，将振幅将振幅A分解为左旋和右旋两矢量分解为左旋和右旋两矢量AL和和AR，假设介质的长度，假设介质的长度L使使右旋矢量右旋矢量AR刚转回到原来的位置，此时左旋光矢量刚转回到原来的位置，此时左旋光矢量(由于由于vLvR)转到转到AL，于是合成的线偏振光，于是合成的线偏振光A相对于入射光的偏振方向转相对于入射光的偏振方向转了一个角度了一个角度，此值等于，此值等于 角的一半，即角的一半，即 =/2 （nR nL）L/(3)可以看出，可以看

14、出，A的偏振方向将随着光波的传播的偏振方向将随着光波的传播向右旋转。这称为向右旋转。这称为右旋光效应右旋光效应。ALARAL zAALnnLR)(221(2)2022-9-27英国物理学家麦克尔英国物理学家麦克尔法拉第（法拉第（17911867），贫），贫苦出身，幼年失学，在印刷厂当童工时学习零星苦出身，幼年失学，在印刷厂当童工时学习零星的科学知识。的科学知识。1812年，聆听戴维的讲演，得到戴年，聆听戴维的讲演，得到戴维的赏识，到了实验室当一名刷瓶子工人。次年维的赏识，到了实验室当一名刷瓶子工人。次年成为戴维的助手。游历欧洲。在电化学方面显示成为戴维的助手。游历欧洲。在电化学方面显示出卓越的

15、实验才能，出卓越的实验才能，1824年选为皇家学会会员。年选为皇家学会会员。遭到戴维的妒忌，但法拉第一直心存感激。遭到戴维的妒忌，但法拉第一直心存感激。麦克尔麦克尔法拉第（法拉第（1791179118671867）2022-9-27法拉第法拉第1845年发现旋光效应；年发现旋光效应；克尔克尔1875年发现电克效应和年发现电克效应和1876年发现克尔磁光效应；年发现克尔磁光效应；荷兰物理学家塞曼于荷兰物理学家塞曼于1896年发现的又一个磁光效应；年发现的又一个磁光效应；法拉第旋光效应和克尔效应的发现在当时引起了众多物理学家的法拉第旋光效应和克尔效应的发现在当时引起了众多物理学家的兴趣。兴趣。1862年法拉第出于年法拉第出于“磁力和光波彼此有联系磁力和光波彼此有联系”的信念，试图探测的信念，试图探测磁场对钠黄光的作用，但因仪器精度欠佳未果。磁场对钠黄光的作用，但因仪器精度欠佳未果。2022-9-27