光波在磁光介质中的传播课件

2.5

光波在磁光介质中的传播10/1/20231共17页旋光现象一. 自然旋光：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。α

—

旋光率二.菲涅耳的解释线偏振光可看作是同频率、等振幅、有确定相位差的左(L)、右(R

)旋圆偏振光的合成。旋转的角度：λφ旋光物质L10/1/2023EELER·oωω(a)(b)ERELEφLφRφ非旋光物质10/1/2023旋光物质在出射面上:由图示，有：令——

旋光率则(b)LEφLEφφRER10/1/2023旋光色散旋光率随波长变化不同颜色的线振动面透过晶体后被旋转的角度不同10/1/2023三. 磁致旋光:磁场作用下表现出的旋光特性λφL磁致旋光物质B旋转的角度：V——费德尔常量，单位：弧度/米⋅特斯拉，L-——光在介质中传播长度；B——平行于传播方向的磁感应强度分量；10/1/2023(1)

对自然旋光物质，振动面的左旋或右旋是由旋光物质本身决定的。反射镜入射光φ右旋反射镜反射光φ右旋10/1/2023(2)

对磁致旋光物质，光沿 与逆 方向传播，振动面旋向相反。反射镜入射光φ右旋B反射镜反射光φ左旋Bφ

φ10/1/2023结

论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，因旋转角相等方向相反而相互抵消)。

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。10/1/2023当光波通过这种磁化的物体(磁性物质）时，其传播特性发生变化，这种现象称为磁光效应。磁光效应包括法拉第旋转效应、克尔效应、磁双折射效应等。其中最主要的是法拉第旋转效应，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代常数。2.5

光波在磁光介质中的传播10/1/2023在光频波段内，令，几乎所有的磁光现象都可得到解释。引进等效介电系数张量当磁场反向时，δ

的符号也要反号，即:理论分析10/1/2023假设磁场沿z轴方向，取磁光介质中传播的平面波为

:式中lx、ly、lz为光波矢的方向余弦。代入菲涅耳方程-由系数行列式为零，得到折射率n所满所足的方程

:10/1/2023理论分析假设光波在立方晶体或各向同性介质中（）平行于磁化强度（z）方向（lx=ly=0，lz=1）传播，得理论分析10/1/2023可见Ez=0，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：代入菲涅耳方程

得，理论分析10/1/2023理论分析10/1/2023因此，沿x方向偏振的入射光经过长度为L的磁光介质后将偏转一个角度这就是法拉第旋转现象，α

为磁致旋光率。10/1/2023理论分析当磁化强度较弱，B与H为线性关系，即μ=μ0为常量。因而旋光率α

与外加磁场强度成正比,上式可写成:式中V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度。理论分析10/1/2023法拉第旋转的特殊规律若：线偏振光返回后无法通过第一个偏振片，成为光隔离器。则:自然旋光物质左右旋与光的传播方向无关；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。光束一正一反两次通过磁光介质时，振动面转过角度

。法拉第旋转的用途法拉第旋转器的应用10/1/2023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

υ+＝c/nR和υ-＝c/nL传播，它们通过厚度为L的介质之后产生的相位延迟分别为:所以两圆偏振光间存在一相位差10/1/2023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(3)θ

=

δ/2＝

π（nR

–nL）L/

λ可以看出，A’的偏振方向将随着光波的传播向右旋转。这称为右旋光效应。ARAL’δALθz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，将振幅A分解为左旋和右旋两矢量AL和AR

，假设介质的长度L使

右旋矢量AR刚转回到原来的位置，此时左旋光矢量(由于vL≠vR

)转到A’L，于是合成的线偏振光A’相对于入射光的偏振方向转了A

一A’个角度θ，此值等于δ角的一半，即(2)10/1/2023英国物理学家麦克尔·法拉第（1791－1867），贫苦出身，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，1824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。麦克尔·法拉第（1791－1867）10/1/2023法拉第1845年发现旋光效应；克尔1875年发现电克效应和1876年