光电子技术-2.5-光波在磁光介质中的传播.

1、UPDOWNBACK2021-12-262021-12-26 共共1717页页 1 12021-12-26旋旋 光光1石英的旋光现象石英的旋光现象1 1）旋光现象）旋光现象冰洲石晶体冰洲石晶体无旋光现象无旋光现象UPDOWNBACK2021-12-262021-12-26 共共1717页页 2 22021-12-26水晶有旋光现象水晶有旋光现象UPDOWNBACK2021-12-262021-12-26 共共1717页页 3 32021-12-262 2）旋光定义：）旋光定义：线偏振光在石英晶体内部沿光轴方向传线偏振光在石英晶体内部沿光轴方向传播时，透过后偏振面被旋转了一个角度。播时，透过后偏

2、振面被旋转了一个角度。3 3）旋光率：）旋光率：d：旋光率。：旋光率。 4 4）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晶体后不同颜色的线振动面透过晶体后被旋转的角度不同被旋转的角度不同UPDOWNBACK2021-12-262021-12-26 共共1717页页 4 42021-12-265 5）左旋和右旋晶体）左旋和右旋晶体一种结构是另一种一种结构是另一种结构的镜像反演结构的镜像反演线偏振光沿光轴通线偏振光沿光轴通过晶体后振动面一过晶体后振动面一种向左旋、另一种种向左旋、另一种向右旋。向右旋。UPDOWNBACK2021-12-262021

3、-12-26 共共1717页页 5 52021-12-26磁光效应是磁光调制的物理基础。当光波通过这种磁化的物体磁光效应是磁光调制的物理基础。当光波通过这种磁化的物体 (磁性磁性物质）时，其传播特性发生变化，这种现象称为磁光效应。物质）时，其传播特性发生变化，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。其效应等。其中最主要的是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用下，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，其旋转角度的介质中传播时，其偏振方向发生旋转，其

4、旋转角度 的大小与沿光的大小与沿光束方向的磁场强束方向的磁场强H和光在介质中传播的长度和光在介质中传播的长度L之积成正比，即之积成正比，即 VHL (1) 式中，V称为韦尔代(verdet)常数，它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。表列出了一些磁光材料的韦尔代常数。2.5 光波在磁光介质中的传播光波在磁光介质中的传播UPDOWNBACK2021-12-262021-12-26 共共1717页页 6 62021-12-26装置、光路装置、光路Faraday RotatorBrewster dielectric polarizersRotatorUPDOWNB

5、ACK2021-12-262021-12-26 共共1717页页 7 72021-12-26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， 的符号也要反号，即的符号也要反号，即: )()(BB理论分析理论分析UPDOWNBACK2021-12-262021-12-26 共共1717页页 8 82021-12-26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),(0zlylx

6、lnktiErktiEtrEzyx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 :UPDOWNBACK2021-12-262021-12-26 共共1717页页 9 92021-12-260)()()()(222222222224ryrxrzzryrxrzyryxrxrzyxryrxzrzyryxrxlllllnllln 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（ ）平行于磁化强度（）平行于磁化强度（z）方向

7、（）方向（lx=ly=0，lz=1）传播，得）传播，得 20nrzryrx022402204nnnn202nnUPDOWNBACK2021-12-262021-12-26 共共1717页页 10102021-12-26000002020zyxyxzyxEnEEiEiEEEEnii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代如代如菲涅耳方程菲涅耳方程 得，得，yyxiEiEE。相位超前（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

8、/,xyyxEEEEUPDOWNBACK2021-12-262021-12-26 共共1717页页 11112021-12-26左旋)22exp()2exp()2exp(000nzinziiEnziEyx右旋)22exp()2exp()2exp(000nzinziiEnziEyxUPDOWNBACK2021-12-262021-12-26 共共1717页页 12122021-12-26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

9、旋光率。 UPDOWNBACK2021-12-262021-12-26 共共1717页页 13132021-12-26当磁化强度较弱，当磁化强度较弱，B与与H为线性关系，即为线性关系，即 = 0为常量。因而旋为常量。因而旋光率光率 与外加磁场强度在成正比与外加磁场强度在成正比, 式可写成式可写成: 式中式中V称为韦尔德（称为韦尔德（Verdet）常数，它表示在单位磁场强度下）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度线偏振光波通过单位长度磁光介质后偏振方向旋转的角度。 VHUPDOWNBACK2021-12-262021-12-26 共共1717页页 141

10、42021-12-26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UPDOWNBACK2021-12-262021-12-26 共共1717页页 15152021-12-26（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。光逆磁场方向传播时，振动面左旋。UPDOWNBACK2021-12-262021-12-26 共共1717页页 16162021-12-26（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一个偏振片，线偏振

11、光返回后无法通过第一个偏振片，成为成为光隔离器光隔离器。则则:（3）光束一正一反两次通过磁光介质时，）光束一正一反两次通过磁光介质时， 振动面转过角度振动面转过角度 。2法拉第旋转器的应用UPDOWNBACK2021-12-262021-12-26 共共1717页页 17172021-12-26 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，其中一个圆偏振光的电矢量是顺时针方相位相同的两个圆偏振

12、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UPDOWNBACK2021-12-262021-12-26 共共1717页页 18182021-12-26当它们通过介质

13、之后，又合成为一线偏振光，其偏振方向相对于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了相对于入射光的偏振方向转了一个角度一个角度 ，此值等于，此值等于 角的一半，即角的一半

14、，即 = /2 （nR nL）L/ (3)可以看出，可以看出，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)UPDOWNBACK2021-12-262021-12-26 共共1717页页 19192021-12-26 磁致旋光效应的旋转方向仅与磁场方向有关，而与光线传磁致旋光效应的旋转方向仅与磁场方向有关，而与光线传播方向的正逆无关，这是磁致旋光现象与晶体的自然旋光现象播方向的正逆无关，这是磁致旋光现象与晶体的自然旋光现象不同之处不同之处(即当光束往返通过自然旋光物质时，因旋转角相等方即

15、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向相反而相互抵消)。 但通过磁光介质时，只要磁场方向不变，但通过磁光介质时，只要磁场方向不变，旋转角都朝一个方向增加，此现象表明磁致旋光效应是一个不旋转角都朝一个方向增加，此现象表明磁致旋光效应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闸等可逆的光学过程，因而可利用来制成光学隔离器或单通光闸等器件。器件。UPDOWNBACK2021-12-262021-12-26 共共1717页页 20202021-12-26 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），贫苦出），贫苦出身，幼年失学，在印刷

16、厂当童工时学习零星的科学知识身，幼年失学，在印刷厂当童工时学习零星的科学知识 1812年，聆听戴维的讲演，得到戴维的赏识，到了实验年，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。次年成为戴维的助手。游历欧洲。室当一名刷瓶子工人。次年成为戴维的助手。游历欧洲。 在电化学方面显示出卓越的实验才能，在电化学方面显示出卓越的实验才能，1824年选为皇家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。学会会员。遭到戴维的妒忌，但法拉第一直心存感激。UPDOWNBACK2021-12-262021-12-26 共共1717页页 21212021-12-26 电流有磁效应，磁有没有

17、电流效应呢？电流有磁效应，磁有没有电流效应呢？ 1831年，法拉第发现运动的磁铁会导致电流，而静止年，法拉第发现运动的磁铁会导致电流，而静止的磁铁却没有电流效应。这个电流称为感生电流。模的磁铁却没有电流效应。这个电流称为感生电流。模型发电机与电动机。型发电机与电动机。 数学能力的欠缺被天才的物理洞察力所弥补数学能力的欠缺被天才的物理洞察力所弥补 建立建立“场场”的概念（用来传递电磁作用的连续介质）、的概念（用来传递电磁作用的连续介质）、“力线力线”概念（场的直观图象）。破除了牛顿的超距概念（场的直观图象）。破除了牛顿的超距作用概念。作用概念。 建立电磁感应定律：只要导线垂直地切害磁力线，导建立

18、电磁感应定律：只要导线垂直地切害磁力线，导线中就有电流产生，电流的大小与所切割的磁力线数线中就有电流产生，电流的大小与所切割的磁力线数成正比。成正比。UPDOWNBACK2021-12-262021-12-26 共共1717页页 22222021-12-26 1832年的一封信中实际上提出了电磁波的概念：年的一封信中实际上提出了电磁波的概念：“我认为，磁力从磁极出发的传播类似于起波我认为，磁力从磁极出发的传播类似于起波纹的水面的振动或者空气粒子的声振动。也就纹的水面的振动或者空气粒子的声振动。也就是说，我打算把振动理论应用于磁现象，就像是说，我打算把振动理论应用于磁现象，就像对声音所作的那样，而且这也是光现象最可能对声音所作的那样，而且这也是光现象最可能的解释。的解释。” 1845年发现磁的旋光效应（法拉第效应）年发现磁的旋光效应（法拉第效应） 1846年提出光的本性是电力线和磁力线的振动年提出光的本性是电