光電子技術(shù)-2.5-光波在磁光介質(zhì)中的傳播.

1、UPDOWNBACK2021-12-262021-12-26 共共1717頁頁 1 12021-12-26旋旋 光光1石英的旋光現(xiàn)象石英的旋光現(xiàn)象1 1）旋光現(xiàn)象）旋光現(xiàn)象冰洲石晶體冰洲石晶體無旋光現(xiàn)象無旋光現(xiàn)象UPDOWNBACK2021-12-262021-12-26 共共1717頁頁 2 22021-12-26水晶有旋光現(xiàn)象水晶有旋光現(xiàn)象UPDOWNBACK2021-12-262021-12-26 共共1717頁頁 3 32021-12-262 2）旋光定義：）旋光定義：線偏振光在石英晶體內(nèi)部沿光軸方向傳線偏振光在石英晶體內(nèi)部沿光軸方向傳播時，透過后偏振面被旋轉(zhuǎn)了一個角度。播時，透過后偏

2、振面被旋轉(zhuǎn)了一個角度。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：，旋光率隨波長變化。，旋光率隨波長變化。 )(不同顏色的線振動面透過晶體后不同顏色的線振動面透過晶體后被旋轉(zhuǎn)的角度不同被旋轉(zhuǎn)的角度不同UPDOWNBACK2021-12-262021-12-26 共共1717頁頁 4 42021-12-265 5）左旋和右旋晶體）左旋和右旋晶體一種結(jié)構(gòu)是另一種一種結(jié)構(gòu)是另一種結(jié)構(gòu)的鏡像反演結(jié)構(gòu)的鏡像反演線偏振光沿光軸通線偏振光沿光軸通過晶體后振動面一過晶體后振動面一種向左旋、另一種種向左旋、另一種向右旋。向右旋。UPDOWNBACK2021-12-262021

3、-12-26 共共1717頁頁 5 52021-12-26磁光效應(yīng)是磁光調(diào)制的物理基礎(chǔ)。當(dāng)光波通過這種磁化的物體磁光效應(yīng)是磁光調(diào)制的物理基礎(chǔ)。當(dāng)光波通過這種磁化的物體 (磁性磁性物質(zhì)）時，其傳播特性發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為磁光效應(yīng)。物質(zhì)）時，其傳播特性發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為磁光效應(yīng)。 磁光效應(yīng)包括磁光效應(yīng)包括法拉第旋轉(zhuǎn)法拉第旋轉(zhuǎn)效應(yīng)、效應(yīng)、克爾克爾效應(yīng)、效應(yīng)、磁雙折射磁雙折射效應(yīng)等。其效應(yīng)等。其中最主要的是中最主要的是法拉第旋轉(zhuǎn)效應(yīng)法拉第旋轉(zhuǎn)效應(yīng)，它使一束線偏振光在外加磁場作用下，它使一束線偏振光在外加磁場作用下的介質(zhì)中傳播時，其偏振方向發(fā)生旋轉(zhuǎn)，其旋轉(zhuǎn)角度的介質(zhì)中傳播時，其偏振方向發(fā)生旋轉(zhuǎn)，其

4、旋轉(zhuǎn)角度 的大小與沿光的大小與沿光束方向的磁場強束方向的磁場強H和光在介質(zhì)中傳播的長度和光在介質(zhì)中傳播的長度L之積成正比，即之積成正比，即 VHL (1) 式中，V稱為韋爾代(verdet)常數(shù)，它表示在單位磁場強度下線偏振光通過單位長度的磁光介質(zhì)后偏振方向旋轉(zhuǎn)的角度。表列出了一些磁光材料的韋爾代常數(shù)。2.5 光波在磁光介質(zhì)中的傳播光波在磁光介質(zhì)中的傳播UPDOWNBACK2021-12-262021-12-26 共共1717頁頁 6 62021-12-26裝置、光路裝置、光路Faraday RotatorBrewster dielectric polarizersRotatorUPDOWNB

5、ACK2021-12-262021-12-26 共共1717頁頁 7 72021-12-26在光頻波段內(nèi)，令在光頻波段內(nèi)，令 ，幾乎所有的磁光現(xiàn)象都可得到解釋。，幾乎所有的磁光現(xiàn)象都可得到解釋。 0引進等效介電系數(shù)張量引進等效介電系數(shù)張量 rzrxrxrijii0000當(dāng)磁場反向時，當(dāng)磁場反向時， 的符號也要反號，即的符號也要反號，即: )()(BB理論分析理論分析UPDOWNBACK2021-12-262021-12-26 共共1717頁頁 8 82021-12-26假設(shè)磁場沿假設(shè)磁場沿z軸方向，取磁光介質(zhì)中傳播的平面波為軸方向，取磁光介質(zhì)中傳播的平面波為 :)()(exp),(0zlylx

6、lnktiErktiEtrEzyx式中式中l(wèi)x、ly、lz為光波矢的方向余弦。為光波矢的方向余弦。 代入代入菲涅耳方程菲涅耳方程 0)(2EEllEnr由系數(shù)行列式為零，得到折射率由系數(shù)行列式為零，得到折射率n所滿所足的方程所滿所足的方程 :UPDOWNBACK2021-12-262021-12-26 共共1717頁頁 9 92021-12-260)()()()(222222222224ryrxrzzryrxrzyryxrxrzyxryrxzrzyryxrxlllllnllln 假設(shè)光波在立方晶體或各向同性介質(zhì)中假設(shè)光波在立方晶體或各向同性介質(zhì)中（ ）平行于磁化強度（）平行于磁化強度（z）方向

7、（）方向（lx=ly=0，lz=1）傳播，得）傳播，得 20nrzryrx022402204nnnn202nnUPDOWNBACK2021-12-262021-12-26 共共1717頁頁 10102021-12-26000002020zyxyxzyxEnEEiEiEEEEnii可見可見Ez=0，即介質(zhì)中傳播的光波為橫波，相應(yīng)的傳播模式為，即介質(zhì)中傳播的光波為橫波，相應(yīng)的傳播模式為右旋和左旋的兩個圓偏振光波：右旋和左旋的兩個圓偏振光波： )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。二者之間產(chǎn)生了額外使由于外加磁場的作用，2

8、/,xyyxEEEEUPDOWNBACK2021-12-262021-12-26 共共1717頁頁 11112021-12-26左旋)22exp()2exp()2exp(000nzinziiEnziEyx右旋)22exp()2exp()2exp(000nzinziiEnziEyxUPDOWNBACK2021-12-262021-12-26 共共1717頁頁 12122021-12-26因此，沿因此，沿x方向偏振的入射光經(jīng)過長度為方向偏振的入射光經(jīng)過長度為L的磁光介質(zhì)后將偏轉(zhuǎn)的磁光介質(zhì)后將偏轉(zhuǎn)一個角度一個角度 L000)(2nnn這就是法拉第旋轉(zhuǎn)現(xiàn)象，這就是法拉第旋轉(zhuǎn)現(xiàn)象， 為磁致旋光率。為磁致

9、旋光率。 UPDOWNBACK2021-12-262021-12-26 共共1717頁頁 13132021-12-26當(dāng)磁化強度較弱，當(dāng)磁化強度較弱，B與與H為線性關(guān)系，即為線性關(guān)系，即 = 0為常量。因而旋為常量。因而旋光率光率 與外加磁場強度在成正比與外加磁場強度在成正比, 式可寫成式可寫成: 式中式中V稱為韋爾德（稱為韋爾德（Verdet）常數(shù)，它表示在單位磁場強度下）常數(shù)，它表示在單位磁場強度下線偏振光波通過單位長度磁光介質(zhì)后偏振方向旋轉(zhuǎn)的角度線偏振光波通過單位長度磁光介質(zhì)后偏振方向旋轉(zhuǎn)的角度。 VHUPDOWNBACK2021-12-262021-12-26 共共1717頁頁 141

10、42021-12-26法拉第旋轉(zhuǎn)的特殊規(guī)律法拉第旋轉(zhuǎn)的特殊規(guī)律（1）自然旋光物質(zhì)左右旋與光的傳播方向無關(guān)）自然旋光物質(zhì)左右旋與光的傳播方向無關(guān)UPDOWNBACK2021-12-262021-12-26 共共1717頁頁 15152021-12-26（2）光沿磁場方向通過時，振動面右旋。）光沿磁場方向通過時，振動面右旋。 光逆磁場方向傳播時，振動面左旋。光逆磁場方向傳播時，振動面左旋。UPDOWNBACK2021-12-262021-12-26 共共1717頁頁 16162021-12-26（4）法拉第旋轉(zhuǎn)的用途）法拉第旋轉(zhuǎn)的用途0450902若：若：線偏振光返回后無法通過第一個偏振片，線偏振

11、光返回后無法通過第一個偏振片，成為成為光隔離器光隔離器。則則:（3）光束一正一反兩次通過磁光介質(zhì)時，）光束一正一反兩次通過磁光介質(zhì)時， 振動面轉(zhuǎn)過角度振動面轉(zhuǎn)過角度 。2法拉第旋轉(zhuǎn)器的應(yīng)用UPDOWNBACK2021-12-262021-12-26 共共1717頁頁 17172021-12-26 對于旋光現(xiàn)象的物理原因，可解釋為外加磁場使介質(zhì)分子的磁對于旋光現(xiàn)象的物理原因，可解釋為外加磁場使介質(zhì)分子的磁矩定向排列，當(dāng)一束線偏振光通過它時，分解為兩個頻率相同、初矩定向排列，當(dāng)一束線偏振光通過它時，分解為兩個頻率相同、初相位相同的兩個圓偏振光，其中一個圓偏振光的電矢量是順時針方相位相同的兩個圓偏振

12、光，其中一個圓偏振光的電矢量是順時針方向旋轉(zhuǎn)，稱為右旋圓偏振光，而另一個圓偏振光是逆時針方向旋轉(zhuǎn)向旋轉(zhuǎn)，稱為右旋圓偏振光，而另一個圓偏振光是逆時針方向旋轉(zhuǎn)的，稱為左旋圓偏振光。這兩個圓偏振光無相互作用地以兩種略有的，稱為左旋圓偏振光。這兩個圓偏振光無相互作用地以兩種略有不同的速度不同的速度 +c/nR和和 -c/nL傳播，它們通過厚度為傳播，它們通過厚度為L的介質(zhì)之后的介質(zhì)之后產(chǎn)生的相位延遲分別為產(chǎn)生的相位延遲分別為:所以兩圓偏振光間存在一相位差所以兩圓偏振光間存在一相位差UPDOWNBACK2021-12-262021-12-26 共共1717頁頁 18182021-12-26當(dāng)它們通過介質(zhì)

13、之后，又合成為一線偏振光，其偏振方向相對于當(dāng)它們通過介質(zhì)之后，又合成為一線偏振光，其偏振方向相對于入射光旋轉(zhuǎn)了一個角度。入射光旋轉(zhuǎn)了一個角度。zA表示入射介質(zhì)的線偏振光的振動方向，表示入射介質(zhì)的線偏振光的振動方向，將振幅將振幅A分解為左旋和右旋兩矢量分解為左旋和右旋兩矢量AL和和AR ，假設(shè)介質(zhì)的長度，假設(shè)介質(zhì)的長度L使使右旋矢量右旋矢量AR剛轉(zhuǎn)回到原來的位置，此時左旋光矢量剛轉(zhuǎn)回到原來的位置，此時左旋光矢量(由于由于vLvR )轉(zhuǎn)到轉(zhuǎn)到AL，于是合成的線偏振光，于是合成的線偏振光A相對于入射光的偏振方向轉(zhuǎn)了相對于入射光的偏振方向轉(zhuǎn)了一個角度一個角度 ，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?qū)㈦S著光波的傳播的偏振方向?qū)㈦S著光波的傳播向右旋轉(zhuǎn)。這稱為向右旋轉(zhuǎn)。這稱為右旋光效應(yīng)右旋光效應(yīng)。ALARAL zAALnnLR)(221(2)UPDOWNBACK2021-12-262021-12-26 共共1717頁頁 19192021-12-26 磁致旋光效應(yīng)的旋轉(zhuǎn)方向僅與磁場方向有關(guān)，而與光線傳磁致旋光效應(yīng)的旋轉(zhuǎn)方向僅與磁場方向有關(guān)，而與光線傳播方向的正逆無關(guān)，這是磁致旋光現(xiàn)象與晶體的自然旋光現(xiàn)象播方向的正逆無關(guān)，這是磁致旋光現(xiàn)象與晶體的自然旋光現(xiàn)象不同之處不同之處(即當(dāng)光束往返通過自然旋光物質(zhì)時，因旋轉(zhuǎn)角相等方即

15、當(dāng)光束往返通過自然旋光物質(zhì)時，因旋轉(zhuǎn)角相等方向相反而相互抵消向相反而相互抵消)。 但通過磁光介質(zhì)時，只要磁場方向不變，但通過磁光介質(zhì)時，只要磁場方向不變，旋轉(zhuǎn)角都朝一個方向增加，此現(xiàn)象表明磁致旋光效應(yīng)是一個不旋轉(zhuǎn)角都朝一個方向增加，此現(xiàn)象表明磁致旋光效應(yīng)是一個不可逆的光學(xué)過程，因而可利用來制成光學(xué)隔離器或單通光閘等可逆的光學(xué)過程，因而可利用來制成光學(xué)隔離器或單通光閘等器件。器件。UPDOWNBACK2021-12-262021-12-26 共共1717頁頁 20202021-12-26 英國物理學(xué)家麥克爾英國物理學(xué)家麥克爾法拉第（法拉第（17911867），貧苦出），貧苦出身，幼年失學(xué)，在印刷

16、廠當(dāng)童工時學(xué)習(xí)零星的科學(xué)知識身，幼年失學(xué)，在印刷廠當(dāng)童工時學(xué)習(xí)零星的科學(xué)知識 1812年，聆聽戴維的講演，得到戴維的賞識，到了實驗?zāi)辏雎牬骶S的講演，得到戴維的賞識，到了實驗室當(dāng)一名刷瓶子工人。次年成為戴維的助手。游歷歐洲。室當(dāng)一名刷瓶子工人。次年成為戴維的助手。游歷歐洲。 在電化學(xué)方面顯示出卓越的實驗才能，在電化學(xué)方面顯示出卓越的實驗才能，1824年選為皇家年選為皇家學(xué)會會員。遭到戴維的妒忌，但法拉第一直心存感激。學(xué)會會員。遭到戴維的妒忌，但法拉第一直心存感激。UPDOWNBACK2021-12-262021-12-26 共共1717頁頁 21212021-12-26 電流有磁效應(yīng)，磁有沒有

17、電流效應(yīng)呢？電流有磁效應(yīng)，磁有沒有電流效應(yīng)呢？ 1831年，法拉第發(fā)現(xiàn)運動的磁鐵會導(dǎo)致電流，而靜止年，法拉第發(fā)現(xiàn)運動的磁鐵會導(dǎo)致電流，而靜止的磁鐵卻沒有電流效應(yīng)。這個電流稱為感生電流。模的磁鐵卻沒有電流效應(yīng)。這個電流稱為感生電流。模型發(fā)電機與電動機。型發(fā)電機與電動機。 數(shù)學(xué)能力的欠缺被天才的物理洞察力所彌補數(shù)學(xué)能力的欠缺被天才的物理洞察力所彌補 建立建立“場場”的概念（用來傳遞電磁作用的連續(xù)介質(zhì)）、的概念（用來傳遞電磁作用的連續(xù)介質(zhì)）、“力線力線”概念（場的直觀圖象）。破除了牛頓的超距概念（場的直觀圖象）。破除了牛頓的超距作用概念。作用概念。 建立電磁感應(yīng)定律：只要導(dǎo)線垂直地切害磁力線，導(dǎo)建立

18、電磁感應(yīng)定律：只要導(dǎo)線垂直地切害磁力線，導(dǎo)線中就有電流產(chǎn)生，電流的大小與所切割的磁力線數(shù)線中就有電流產(chǎn)生，電流的大小與所切割的磁力線數(shù)成正比。成正比。UPDOWNBACK2021-12-262021-12-26 共共1717頁頁 22222021-12-26 1832年的一封信中實際上提出了電磁波的概念：年的一封信中實際上提出了電磁波的概念：“我認為，磁力從磁極出發(fā)的傳播類似于起波我認為，磁力從磁極出發(fā)的傳播類似于起波紋的水面的振動或者空氣粒子的聲振動。也就紋的水面的振動或者空氣粒子的聲振動。也就是說，我打算把振動理論應(yīng)用于磁現(xiàn)象，就像是說，我打算把振動理論應(yīng)用于磁現(xiàn)象，就像對聲音所作的那樣，而且這也是光現(xiàn)象最可能對聲音所作的那樣，而且這也是光現(xiàn)象最可能的解釋。的解釋?！?1845年發(fā)現(xiàn)磁的旋光效應(yīng)（法拉第效應(yīng)）年發(fā)現(xiàn)磁的旋光效應(yīng)（法拉第效應(yīng)） 1846年提出光的本性是電力線和磁力線的振動年提出光的本性是電