微聚焦磁光科尔效应仪

1、微聚焦磁光克尔效应仪微聚焦磁光克尔效应仪 背景知识背景知识实验原理实验原理仪器简介仪器简介实验内容实验内容目录目录一、背景知识一、背景知识光偏振状态的描述光偏振状态的描述光是电磁波。光是电磁波。 横波横波 偏振性，偏振性，光矢量与光的传播方向垂直光矢量与光的传播方向垂直偏振态：偏振态：光矢量在垂直于传播方光矢量在垂直于传播方向的平面内可能存在的各种不同向的平面内可能存在的各种不同的振动状态的振动状态 光的偏振态分类：光的偏振态分类： 完全偏振完全偏振（线偏振、圆偏振、椭圆偏振）（线偏振、圆偏振、椭圆偏振） 非偏振非偏振 (自然光自然光) 部分偏振部分偏振 两个频率相同、振动方向互相两个频率相同

2、、振动方向互相垂直的简谐波的叠加垂直的简谐波的叠加yExEEyx Ex ( z,t ) 和和 Ey ( z,t ) 之间无必然联系。之间无必然联系。yx, x, y方向的单位矢量方向的单位矢量(任一偏振态可分任一偏振态可分解为两个正交的解为两个正交的线偏振态线偏振态 )：振动面振动面: 包含光包含光矢量与传播矢矢量与传播矢量的平面量的平面. ),(tzEHkzx y沿沿 z方向传播的单色平面波方向传播的单色平面波)cos(),(xxxkztAtzE )cos(),(yyykztAtzE xyxyAAr , 和和 r 二参量决定偏振状态。二参量决定偏振状态。正交振动的合成正交振动的合成 2222

3、2sincos2 yxyxyyxxAAEEAEAExEyExyq qE合成光波的光矢量合成光波的光矢量末端轨迹方程：末端轨迹方程： 两光波的瞬时光矢量大小：两光波的瞬时光矢量大小： 方程的意义：方程的意义：描述了一个椭圆，该描述了一个椭圆，该椭圆与以椭圆与以Ex=Ax和和Ey=Ay为界的矩形框内切，其旋转方向及长短轴为界的矩形框内切，其旋转方向及长短轴的方位与两叠加光波的相位差的方位与两叠加光波的相位差 有关有关。 22222sincos2 yxyxyyxxAAEEAEAEAyAxq qyxyxAAAA22cos22tan 一一. 三种三种 (完全完全)偏振态偏振态(a) 线偏振：线偏振： =

4、0 或或 Linear Polarization rAAEExyxy AxAyx yO椭圆蜕变为直线，表明椭圆蜕变为直线，表明合振动仍为平面偏振光。合振动仍为平面偏振光。 光强度光强度:yxyxIIAAEI 222合成波的振幅合成波的振幅:22yxAAE xyAA q qtanAxAyx yOq q特点：特点：光振动限于某一光振动限于某一确定的平面内确定的平面内，光矢量，光矢量在垂直于传播方向的平在垂直于传播方向的平面内的投影为一直线。面内的投影为一直线。 Linear light(b) 圆偏振圆偏振:)(12xyAAr 即即且且 222AEEyx E 矢端画圆矢端画圆 光学惯例光学惯例 ：对

5、着对着 z 轴看轴看(看光源看光源) ：EEx yOx yOAAAA2 2 右旋右旋 ，左旋左旋 ，顺时针顺时针逆时针逆时针 z特点：特点：偏振面相对于传播方向随时间以圆频率偏振面相对于传播方向随时间以圆频率 旋转，且光矢量末端的轨迹位于一个圆上。旋转，且光矢量末端的轨迹位于一个圆上。 )tan(tanxkzt q q Right-circularly polarized lightRight-circularly polarized light由于空间传播的原因，光矢量末端的轨由于空间传播的原因，光矢量末端的轨迹实际上呈迹实际上呈圆形螺旋圆形螺旋状，只是在垂直于状，只是在垂直于传播方向的平面

6、上的投影构成一个圆。传播方向的平面上的投影构成一个圆。 这种这种“ 左、右旋左、右旋”的的叫法只用于光学。在讨叫法只用于光学。在讨论基本粒子或微波技术论基本粒子或微波技术时是按手征来说，与这时是按手征来说，与这里的叫法相反。里的叫法相反。(c) 椭圆偏振椭圆偏振: 有固定值，且前述情形除外。有固定值，且前述情形除外。 椭圆偏振椭圆偏振 是一般情形，在特殊条件下退化为是一般情形，在特殊条件下退化为线偏振、圆偏振。线偏振、圆偏振。 0 ，左旋。，左旋。 E 的矢端划椭圆的矢端划椭圆 ：0 ，右旋，右旋 ; , 00,0 ；即：即：yxAA2 但但或虽或虽，并且并且yxyxAAAA y yx z传播

7、方向传播方向 /2x某时刻右旋圆偏振光某时刻右旋圆偏振光E随随 z 的变化的变化E 0二二 . 非偏振光非偏振光 ( 自然光自然光 ) 实际的单色点光源仍是大量原子在发光。经典理实际的单色点光源仍是大量原子在发光。经典理论认为，一个原子一次发光的波列可看作线偏振论认为，一个原子一次发光的波列可看作线偏振的的 ( 持续时间持续时间 108 秒秒 )，但大量波列的振动方，但大量波列的振动方向是杂乱分布的，没有向是杂乱分布的，没有“ 优势方向优势方向”。这些波。这些波列的总合光波就是普通光源发出的列的总合光波就是普通光源发出的“ 自然光自然光”。一种表示法一种表示法 ：同时有各方向的线同时有各方向的

8、线偏振光，互不相干，偏振光，互不相干，混合在一起。混合在一起。另一种表示法另一种表示法 ：任一时刻任一时刻 t，总有合矢量总有合矢量 E(t)，其大小和初相都随其大小和初相都随 t 而迅变，各方向机会均等。而迅变，各方向机会均等。 非偏振光非偏振光 的常用数学表示的常用数学表示 。分为两个正交分量。对任意取定的分为两个正交分量。对任意取定的 x , y ，有，有且且相位差相位差 随机迅变随机迅变，即两分，即两分量是量是 完全不相关的完全不相关的。22yxAA ，2IIIyx AxAyxyyxyxIIAAI 22 注意区别注意区别 ：偏振光偏振光( (例如线偏例如线偏) )也可沿两个相互垂直的方

9、向分解，也可沿两个相互垂直的方向分解，E yx AxAy sincosEEEEyx ，但是但是yxIII 总有总有不过一般情况下不过一般情况下yxII 且二者有确定的相位差且二者有确定的相位差 ，即，即两分量是两分量是完全完全相关的相关的 。三三 . 部分偏振光部分偏振光 ( 介于完全偏振光和非偏振光之间介于完全偏振光和非偏振光之间 )特点：特点：光振动强度沿两个正交方向的时间平均值不光振动强度沿两个正交方向的时间平均值不相等，并且在某一方向取极大值相等，并且在某一方向取极大值Imax时，其正交方时，其正交方向正好取极小值向正好取极小值Imin 部分线偏振光的三种模型：部分线偏振光的三种模型：

10、线圆模型、椭圆模型、线圆模型、椭圆模型、正交模型正交模型说明：说明：自然光是部分偏振光的自然光是部分偏振光的特殊表现形式特殊表现形式。 构成椭圆偏振光的两个正交振动有恒定的构成椭圆偏振光的两个正交振动有恒定的相位差。相位差。 构成部分偏振光的两正交振动的相位却各构成部分偏振光的两正交振动的相位却各自随机变化。自随机变化。 偏自偏总偏IIIIIP 偏振度偏振度纯偏，纯偏，P = 1 ; 自然光，自然光，P = 0 ; 部分偏，部分偏，0 P 1I总总 I自自 + I偏偏minmaxminmaxIIIIP 偏振度偏振度产生偏振光的常见方法产生偏振光的常见方法 马吕斯定律马吕斯定律 一一. . 二向

11、色性晶体二向色性晶体 偏振片偏振片 马吕斯定律马吕斯定律各种起偏器的工作原理，都要各种起偏器的工作原理，都要利用某种光学的不对称性。利用某种光学的不对称性。x yzz线栅起偏器线栅起偏器 入射入射电磁波电磁波从自然光获得偏振光叫做从自然光获得偏振光叫做 起偏起偏。导线栅导线栅光学光学“ 线栅线栅”，1960，2160 条条/mm 的光栅，近的光栅，近于掠射喷金蒸气。于掠射喷金蒸气。自然光通过线栅后变为线偏振光自然光通过线栅后变为线偏振光非偏振光非偏振光线偏振光线偏振光光轴光轴电气石晶片电气石晶片二向色性晶体二向色性晶体例如，电气石例如，电气石 ( 硅酸硼化物硅酸硼化物 ) 如如 Na Fe3

12、B3 Al6 Si6 O27 (OH)4 垂直于光轴的电场分量被强烈吸收。垂直于光轴的电场分量被强烈吸收。 “ 二向色性二向色性”人造偏振片人造偏振片1928，E. H. Land (19岁岁)，看书，发明，看书，发明，微晶型：硫酸碘奎宁微晶型：硫酸碘奎宁 晶体粉末晶体粉末19381938，分子型：聚乙烯醇，拉伸，浸碘。，分子型：聚乙烯醇，拉伸，浸碘。马吕斯定律：马吕斯定律：, 211EI 212cosII 1max220III ， 022 I， 马吕斯定律（马吕斯定律（E. L. MalusE. L. Malus） 消光消光 221222cos EEI 线偏振光线偏振光 IP偏振化方向偏振化

13、方向 (透振方向透振方向) 自然光自然光 I0 021II （理想）（理想） P线偏振光线偏振光1I线偏振光线偏振光2IP 1E cos12EE （全透全透）起偏起偏 ：消光比消光比0I021I图解图解:自然光自然光线偏振光线偏振光偏振片偏振片偏振片透光轴方向偏振片透光轴方向入射光入射光出射光出射光光强光强光强光强马吕斯定律：马吕斯定律：自然光自然光线偏振光线偏振光q q22cosII q qcos2EE 0I偏振片偏振片偏振片偏振片线偏振光线偏振光光电探测器光电探测器021II I2I 消光消光When Polaroid sun-glasses are uncrossed, the tran

14、smitted light is dimmed due to the extra thickness of tinted plastic. However, when they are crossed, the transmitted light is reduced to zero because of the effects of polarization.A crossed polarizer and analyzer偏振片偏振片偏振片偏振片偏振片偏振片0I1I2I3I自然光自然光线偏振光线偏振光线偏振光线偏振光连续应用马连续应用马吕斯定律：吕斯定律：q qq q2213sincosII

15、 0121II 线偏振光线偏振光 检偏：检偏： 用偏振器件分析、检验光的偏振状态用偏振器件分析、检验光的偏振状态 。I?P待检光待检光思考：思考：旋转偏振片（以光束为轴）旋转偏振片（以光束为轴） I 不变不变 ？是什么光？是什么光 I 变，有消光变，有消光 ？是什么光？是什么光 I 变，但无消光变，但无消光 ？是什么光？是什么光例如例如起偏器也可以用作检偏器。起偏器也可以用作检偏器。二二. . 反射光和折射光的偏振反射光和折射光的偏振 当入射角为某个特殊的角度当入射角为某个特殊的角度 时，反射光是线偏振时，反射光是线偏振光，其电矢量垂直于入射面光，其电矢量垂直于入射面。这个特殊入射角。这个特殊

16、入射角 称称为为布儒斯特角（布儒斯特角（Brewster angle），或起偏振角。，或起偏振角。BiBi自然光反射和折射自然光反射和折射后产生部分偏振光后产生部分偏振光i1n1n2 i1i2起偏振角起偏振角线偏振光线偏振光i2n1n2iBiB自然光入射到各向同性电介质的分界面上，反自然光入射到各向同性电介质的分界面上，反射光和折射光一般都是部分偏振光。射光和折射光一般都是部分偏振光。iB + i2 = 90 实验和光的电磁理论都可得：实验和光的电磁理论都可得：iii自然光自然光线偏振光线偏振光由由 BBininincossinsin2221 布儒斯特定律布儒斯特定律 有有2112tgnnni

17、B 玻璃片堆起偏和检偏玻璃片堆起偏和检偏iB(接近线偏振光接近线偏振光) iB + i2 = 90 sp自然光自然光偏振分束器偏振分束器反射镜反射镜布儒斯特窗布儒斯特窗带布儒斯特窗的激光谐振腔带布儒斯特窗的激光谐振腔四四. . 利用晶体的双折射利用晶体的双折射 双折射现象双折射现象: :n1n2i1(各向异各向异性介质性介质 )自然光自然光roo光光e光光re寻常光和非寻常光寻常光和非寻常光: :o o 光光 : : 遵从折射定遵从折射定律律orninsinsin21 e e 光光 : : 不遵从折射定不遵从折射定律律constrie sinsine e 光折射线甚至不一定在入射面内。光折射线

18、甚至不一定在入射面内。e oe 方解石方解石o 5.3 5.3 光通过单轴晶体时的双折射现象光通过单轴晶体时的双折射现象1.1. 双折射现象和基本规律双折射现象和基本规律 方解石方解石oee o 以入射方向为以入射方向为轴旋转方解石轴旋转方解石方解石方解石偏偏振振片片双折射的两双折射的两束光振动方束光振动方向相互垂直向相互垂直2. 2. 晶体的光轴晶体的光轴当光在晶体内沿某个特殊方向传播时当光在晶体内沿某个特殊方向传播时不发生双折射不发生双折射，该方向称为晶体的该方向称为晶体的光轴光轴。例如，方解石晶体例如，方解石晶体( (冰洲石冰洲石) )AB光轴光轴102光轴是一特殊方向光轴是一特殊方向（

19、凡平行于此方向（凡平行于此方向的直线均为光轴）。的直线均为光轴）。单轴晶体：单轴晶体：只有一个光轴的晶体只有一个光轴的晶体 石英，方解石，红宝石石英，方解石，红宝石双轴晶体：双轴晶体：有两个光轴的晶体有两个光轴的晶体 云母，蓝宝石，硫磺云母，蓝宝石，硫磺解理面。若切去，磨出垂直于光轴的平解理面。若切去，磨出垂直于光轴的平表面，正入射时就无双折射。表面，正入射时就无双折射。各种晶体分属七个晶系：各种晶体分属七个晶系：立方晶系（例如立方晶系（例如NaCl晶体晶体）- 光学各向同性！光学各向同性！三角晶系、四方晶系、六角晶系三角晶系、四方晶系、六角晶系 - 单轴晶体单轴晶体正交晶系、单斜晶系、三斜晶

20、系正交晶系、单斜晶系、三斜晶系 - 双轴晶体双轴晶体3. 3. 主平面和主截面主平面和主截面主平面：主平面：晶体中光的传播方向（光线）与晶体中光的传播方向（光线）与 晶体光轴构成的平面。晶体光轴构成的平面。o光光光轴光轴o光的光的主平面主平面e光光光轴光轴e光的光的主平面主平面主截面：主截面：晶体表面的法线与晶体光轴构成晶体表面的法线与晶体光轴构成 的平面。（的平面。（表面不一定是解理面表面不一定是解理面） 若入射光线在主截面内，即入射面与主截面重合，若入射光线在主截面内，即入射面与主截面重合，则进入晶体后则进入晶体后 o、e 光线都在此光线都在此主截面内，主截面内，主平面主平面就与就与主截面

21、主截面重合。重合。vo t光轴光轴光轴光轴ve tvo t no ，ne 称为称为 晶体的主折射率晶体的主折射率o 光光 : :oocn o 与方向无关，与方向无关，是常数是常数e 光光 : :eeecn 沿垂直于光轴的方向传播沿垂直于光轴的方向传播时，有最大时，有最大( (或最小或最小) )的速的速度，将它记为度，将它记为5.4 5.4 光在晶体中的波面光在晶体中的波面_o光和光和e光的子波光的子波波面波面光矢量振动方向与晶体光轴的夹角不同的光，光矢量振动方向与晶体光轴的夹角不同的光，传播速度也不同。传播速度也不同。实验证明实验证明:光的速度与方向有关光的速度与方向有关vo tve t光轴光

22、轴 负晶体负晶体 (vo ve) 正晶体正晶体 : : neno( ( e o) )( 图夸大了图夸大了ne和和 no的差别的差别 )负晶体负晶体 : :ne o)( 如方解石如方解石 )( 如石英如石英 )Wavelets in a negative uniaxial crystal 负单轴晶体负单轴晶体光轴光轴e光光o光光2. 2. 光轴平行于晶体表面，自然光垂直入射光轴平行于晶体表面，自然光垂直入射 e o e o光轴光轴晶体晶体( ( o o, , e e 光光在方向上虽在方向上虽没 分 开 ， 但 速 度 不没 分 开 ， 但 速 度 不同。同。) )1. 1. 光轴平行于晶体表面，

23、且垂直于入射面，光轴平行于晶体表面，且垂直于入射面， 自然光斜入射自然光斜入射晶体晶体 光轴光轴ir0reo ot e eteo ectoooncri sinsin以下设为负晶体以下设为负晶体 ( ( e e o o) )eeencri sinsin特殊情况特殊情况:3. 3. 光轴与晶体表面斜交，自然光垂直入射光轴与晶体表面斜交，自然光垂直入射o e晶体晶体光轴光轴 e方解石方解石光轴光轴o eo( ( 此时此时e 光的波面不再与其光线垂直了光的波面不再与其光线垂直了!)!)光轴光轴晶体的定向与切割晶体的定向与切割入射光的正交分解入射光的正交分解o光：寻常光（光：寻常光（ordinary r

24、ay）e光：非常光（光：非常光（extraordinary ray）一一. . 晶体偏振器晶体偏振器 利用单轴晶体中利用单轴晶体中o o光和光和e e光传播情况的不光传播情况的不同，可以做成晶体偏振器件，使同，可以做成晶体偏振器件，使o o光、光、e e光分开而光分开而产生线偏振光。产生线偏振光。 5.65.6偏振器件偏振器件这种器件可分为这种器件可分为两类两类： 一类是只让一类是只让o光、光、e光中的一束通过，得到单束线光中的一束通过，得到单束线偏振光偏振光，如格兰棱镜、尼科耳棱镜等。，如格兰棱镜、尼科耳棱镜等。 另一类是偏振分束器，得到振动方向互相垂直的另一类是偏振分束器，得到振动方向互相

25、垂直的两束分离的线偏振光两束分离的线偏振光，如渥拉斯顿棱镜、洛匈棱镜等。，如渥拉斯顿棱镜、洛匈棱镜等。1. 尼科耳棱镜尼科耳棱镜 ( Nicol )优质方解石晶体，长度约为宽度的优质方解石晶体，长度约为宽度的3倍，剖开、磨平倍，剖开、磨平抛光，两块用抛光，两块用加拿大树胶加拿大树胶粘合起来。粘合起来。加拿大树胶加拿大树胶是是一种折射率介于方解石的一种折射率介于方解石的no 和和ne之间的透明物质。之间的透明物质。缺点：缺点：入射光线上、下方的极限角为入射光线上、下方的极限角为14，入射光，入射光与透射光不在一条直线上。与透射光不在一条直线上。2. 2. 格兰棱镜格兰棱镜Glan-Thompso

26、n : 光轴光轴光轴光轴方解石方解石方解石方解石加拿大树胶加拿大树胶 (n = 1.55)oei吸收涂层吸收涂层( 76这样安排光轴的取向使这样安排光轴的取向使 e 光对应的恰好是光对应的恰好是 ne 。no (1.6584) n (1.55) ne (1.4864)o光在粘合处发生全反射，透射的是极纯的线偏振光。光在粘合处发生全反射，透射的是极纯的线偏振光。(钠黄光钠黄光)格兰格兰汤普森棱镜汤普森棱镜主要特性参数：主要特性参数：通光面积、孔径角、消光比、通光面积、孔径角、消光比、抗损伤能力抗损伤能力. 格兰格兰-傅科傅科 (Glan-Foucault) 棱镜棱镜 : 空气间隔，较短。空气间隔

27、，较短。( q q= 38.5)优、缺点优、缺点: : 格兰格兰汤普森棱镜的汤普森棱镜的有效张角有效张角约为约为30，格兰格兰-傅科傅科 棱镜棱镜的有效张角约为的有效张角约为15。 在格兰在格兰汤普森棱镜中加拿大树胶强烈吸汤普森棱镜中加拿大树胶强烈吸收紫外光，限制了使用收紫外光，限制了使用光谱范围光谱范围（可以换用紫外区透（可以换用紫外区透明的粘合物）。另外，界面胶明的粘合物）。另外，界面胶不能承受高的功率不能承受高的功率（连（连续照射时上限续照射时上限1W/cm1W/cm2 2）。）。 格兰格兰-傅科棱镜傅科棱镜有很宽的使用光谱范围，方解有很宽的使用光谱范围，方解石的透明区从红外的石的透明区

28、从红外的5000nm5000nm直到紫外的直到紫外的230nm230nm；另；另外还有能承受较高功率的优点（连续照射时上限外还有能承受较高功率的优点（连续照射时上限100 W/cm100 W/cm2 2 ），使用激光束时这是很重要的。），使用激光束时这是很重要的。二二. . 晶体相移器件晶体相移器件 RetardersRetarders1. 1. 波晶片波晶片 相位延迟片相位延迟片Wave platesWave plates波晶片波晶片是是光轴平行于表面的晶体薄片。光轴平行于表面的晶体薄片。ydxAAoAe 线偏振光线偏振光光轴光轴 通过厚为通过厚为d 的晶片，的晶片，o、e 光产生相位差：光

29、产生相位差：AAoAe 光轴光轴Pdnneoxy)(2 cossinAAAAeo 振幅关系振幅关系 ： 设线偏振光入射，设线偏振光入射，真空中的波长真空中的波长从晶片出射的是从晶片出射的是两束传播方向相同、振动方向相互两束传播方向相同、振动方向相互垂直、频率相等、相位差为垂直、频率相等、相位差为 的线偏振光，它们的线偏振光，它们合成为一束合成为一束 椭圆偏振光椭圆偏振光 。4 23,2 时时 为为圆偏振光圆偏振光 。且且设在设在入射面入射面上分解的两种线偏振光的瞬时光矢量上分解的两种线偏振光的瞬时光矢量大小可表示为：大小可表示为： tAEEoox cos )cos(0 tAEEeey在在后表面

30、上的出射光后表面上的出射光应表示为：应表示为：)2cos(dntAEoox )2cos(0 dntAEeey2)12(4)12()( mmdnneo4 ，线偏振光，线偏振光圆偏振光圆偏振光2,0 ，线偏振光，线偏振光线偏振光线偏振光 从线偏振光获得椭圆或圆偏振光从线偏振光获得椭圆或圆偏振光（或相反）或相反） 四分之一波片四分之一波片( ( 4 4 片片 ) )The quarter-wave plateThe quarter-wave plate240 ， ，线偏振光，线偏振光椭圆偏振光椭圆偏振光通过通过4 4 片片 ： , 2 , 1 , 0 m在出射光中，两种线偏振光的相位差为：在出射光中

31、，两种线偏振光的相位差为：dnneoxy)(20 单轴晶片的快慢轴单轴晶片的快慢轴 ：快轴：快轴：单轴晶体中与传播速度较快的光振动分量的振单轴晶体中与传播速度较快的光振动分量的振动面平行的方向动面平行的方向慢轴：慢轴：单轴晶体中与传播速度较慢的光振动分量的振单轴晶体中与传播速度较慢的光振动分量的振动面平行的方向动面平行的方向 快慢轴的正方向：快慢轴的正方向：以拇指指向光线方向，四指按右以拇指指向光线方向，四指按右手螺旋法则自晶片光轴方向转向光轴的正交方向，手螺旋法则自晶片光轴方向转向光轴的正交方向，此时四指所指的光轴方向及其正交方向分别定义为此时四指所指的光轴方向及其正交方向分别定义为晶片快慢

32、轴的正方向。晶片快慢轴的正方向。说明：说明：正单轴晶片的快轴垂直于光轴（亦即沿正单轴晶片的快轴垂直于光轴（亦即沿o光光偏振面），慢轴平行于光轴（亦即沿偏振面），慢轴平行于光轴（亦即沿e光偏振面）；光偏振面）；负单轴晶片的快轴平行于光轴（亦即沿负单轴晶片的快轴平行于光轴（亦即沿e光偏振面），光偏振面），慢轴垂直于光轴（亦即沿慢轴垂直于光轴（亦即沿o光偏振面）光偏振面）。波晶片：波晶片：振动方向振动方向快轴快轴慢轴慢轴负晶体负晶体 : : ne o)( 如方解石如方解石 )圆起偏器原理圆起偏器原理左旋左旋右旋右旋45 q q快轴快轴慢轴慢轴椭圆起偏器原理椭圆起偏器原理30 q qz 二分之一波片二

33、分之一波片 A half-wave plateA half-wave plate )12(2)12()( mmdnneo半波片的作用是旋转它的偏振面的方向，旋转角度为半波片的作用是旋转它的偏振面的方向，旋转角度为2q q， q q为波片的快轴方向与入射光振动方向之间的夹为波片的快轴方向与入射光振动方向之间的夹角。角。A half-wave plate 全波片全波片 The full-wave plateThe full-wave plate2. 通过波晶片后的光强通过波晶片后的光强总光强总光强eoIII 3. 补偿器补偿器 可变可变相位延迟器相位延迟器 CompensatorsCompensa

34、tors定义：定义：能够使透过的能够使透过的o光和光和e光的相位差任意改变的晶片光的相位差任意改变的晶片 巴俾涅补偿器：巴俾涅补偿器：由两块光轴正交的直角石英棱镜迭由两块光轴正交的直角石英棱镜迭置而成，用于细光束的相位补偿调节。置而成，用于细光束的相位补偿调节。 第一劈内的第一劈内的o光进入第二光进入第二劈内变为劈内变为e光，光程：光，光程：21dndneo 同样地，同样地， e光，光，21dndnoe 两者的相位差：两者的相位差：)(212eonndd 三三. . 椭圆偏振光和圆偏振光的检偏椭圆偏振光和圆偏振光的检偏用用 4 4 片片和和偏振片偏振片P P 配合，配合，可以区分自然光和可以区

35、分自然光和圆偏振光，也可区分部分偏振光和椭圆偏振光。圆偏振光，也可区分部分偏振光和椭圆偏振光。索列尔补偿器：索列尔补偿器：由由两块光轴平行的石两块光轴平行的石英直角劈楔与一块英直角劈楔与一块光轴正交的平行平光轴正交的平行平面石英晶片迭置而面石英晶片迭置而成，可用于宽光束成，可用于宽光束的相位补偿。的相位补偿。 两者的相位差：两者的相位差：)(212eonndd 四分之一波片四分之一波片圆偏振光圆偏振光自然光自然光自然光自然光线偏振光线偏振光 偏振片（转动）偏振片（转动）线偏振光线偏振光 I 不变不变线偏振光线偏振光I 变变, 有消光有消光以入射光方向为轴以入射光方向为轴 四分之一波片四分之一波

36、片椭圆偏振光椭圆偏振光部分偏振光部分偏振光线偏振光线偏振光 偏振片（转动）偏振片（转动）线偏振光线偏振光I 变变, 有消光有消光 部分部分偏振光偏振光光轴平行于最大光强或最小光强方向放置，光轴平行于最大光强或最小光强方向放置，或光轴平行于椭圆偏振光的长轴或短轴放置或光轴平行于椭圆偏振光的长轴或短轴放置线偏振光线偏振光I 变变, 无消光无消光磁光克尔效应：磁光克尔效应： 磁光克尔效应：磁光克尔效应：18771877年，年， KerrKerr发现铁磁体对反发现铁磁体对反射光的偏振状态会产生影响，当一束偏振光打到射光的偏振状态会产生影响，当一束偏振光打到样品表面时，铁磁性会导致反射光偏振面转过一样品

37、表面时，铁磁性会导致反射光偏振面转过一个小角度，这个小角度叫做个小角度，这个小角度叫做KerrKerr旋转角旋转角，同时，同时，铁磁性会导致椭偏率也有一个小变化，这个变化铁磁性会导致椭偏率也有一个小变化，这个变化叫做叫做KerrKerr椭偏率。椭偏率。 SMOKESMOKE（Surface Magneto-Optic Kerr EffectSurface Magneto-Optic Kerr Effect）装置：测量灵敏度极高；无损伤测量；测量到的装置：测量灵敏度极高；无损伤测量；测量到的信息来源于介质上的光斑照射的区域。信息来源于介质上的光斑照射的区域。II II 实验原理实验原理所谓磁光克

38、尔效应磁光克尔效应（magnetooptical Kerr effect，MOKE），是指当一线偏振光入射到磁化介质表面时，其反射光线的偏振性质会由于介质磁化强度的存在而发生变化（图1）。一般说来，反射光线会变成一椭圆偏振光，其椭偏率，称为克尔椭偏率，同时椭圆的主轴和原入射光的线偏振方向会有一个小的夹角，称为克尔旋转角。 图1按照磁场相对入射面的配置状态不同按照磁场相对入射面的配置状态不同, ,表面磁光克尔效应可以分为表面磁光克尔效应可以分为3 3种：种：a. a. 极向克尔效应极向克尔效应, , 薄膜样品磁化方向垂直于样品表面并且平行于入射面薄膜样品磁化方向垂直于样品表面并且平行于入射面b.

39、 b. 纵向克尔效应纵向克尔效应, , 薄膜样品磁化方向在样品膜面内薄膜样品磁化方向在样品膜面内, ,并且平行于入射面并且平行于入射面c. c. 横向克尔效应横向克尔效应, , 薄膜样品磁化方向在样品膜面内薄膜样品磁化方向在样品膜面内, ,并且垂直于入射面并且垂直于入射面abc激光器发射的激光束通过起偏棱镜后变为线偏振光, 然后从样品表面反射, 经过检偏棱镜进入探测器。检偏棱镜的偏振方向要与起偏棱镜设置成偏离消光位置很小的角度（如图2所示）, 这主要是为了区分正负克尔旋转角, 若检偏棱镜方向设置在消光位置, 无论反射光偏振面是顺时针还是逆时针旋转, 反映在光强的变化上都是强度增大, 这样就无法区分偏振面的正负旋转方向, 也就无法判断样品的磁化方向。当2个偏振方向之间有小角度时, 通过检偏棱镜的光线有本底光强I0, 反射光偏振面旋转方向和同向时光强增大, 反向时光强减小, 这样样品的磁化方向可以通过光强的变化来区分。 在图1的光路中, 假设取入射光为P偏振光, 其电场矢量EP平行于入射面, 当光线从磁化了的样品表面反射时, 由于克尔效应，反射光中含有很小的垂直于EP的电场分量Es, 如图2, 所示, 通常Es EP, 在一