講課--磁光效應(yīng)及其應(yīng)用概要復(fù)習(xí)過(guò)程

1、講課-磁光效應(yīng)及其應(yīng)用概要一、一、晶體的旋光效應(yīng)晶體的旋光效應(yīng)1 1、自然旋光現(xiàn)象自然旋光現(xiàn)象2 2、自然旋光現(xiàn)象的理論解釋自然旋光現(xiàn)象的理論解釋3 3、自然旋光現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證自然旋光現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證1 1、自然旋光現(xiàn)象、自然旋光現(xiàn)象 18111811年年, , 阿拉戈阿拉戈(Arago)(Arago)在研究石英晶體的雙折射特性在研究石英晶體的雙折射特性時(shí)發(fā)現(xiàn)：一束線偏振光沿石英晶體的光軸方向傳播時(shí)，時(shí)發(fā)現(xiàn)：一束線偏振光沿石英晶體的光軸方向傳播時(shí)，其振動(dòng)平面會(huì)相對(duì)原方向轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)角度，如其振動(dòng)平面會(huì)相對(duì)原方向轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)角度，如圖圖1 1所示。所示。由于石英晶體是單軸晶體，光沿著光軸方向傳播不會(huì)發(fā)由于

2、石英晶體是單軸晶體，光沿著光軸方向傳播不會(huì)發(fā)生雙折射，因而生雙折射，因而阿拉戈阿拉戈發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)象應(yīng)屬另外一種新現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)象應(yīng)屬另外一種新現(xiàn)象，這就是旋光現(xiàn)象。稍后，比奧這就是旋光現(xiàn)象。稍后，比奧(Biot)(Biot)在一些蒸汽和液態(tài)在一些蒸汽和液態(tài)物質(zhì)中也觀察到了同樣的旋光現(xiàn)象。物質(zhì)中也觀察到了同樣的旋光現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)證明，一定波實(shí)驗(yàn)證明，一定波長(zhǎng)的線偏振光通過(guò)旋光介質(zhì)時(shí)，光振動(dòng)方向轉(zhuǎn)過(guò)的角度長(zhǎng)的線偏振光通過(guò)旋光介質(zhì)時(shí)，光振動(dòng)方向轉(zhuǎn)過(guò)的角度與在該介質(zhì)中通過(guò)的距離與在該介質(zhì)中通過(guò)的距離l l成正比，成正比，= =l l ，比例系比例系數(shù)數(shù)表征了該介質(zhì)的旋光本領(lǐng)，稱(chēng)為旋光率，它與光波表征了該介質(zhì)的

3、旋光本領(lǐng)，稱(chēng)為旋光率，它與光波長(zhǎng)、介質(zhì)的性質(zhì)及溫度有關(guān)。介質(zhì)的旋光本領(lǐng)因波長(zhǎng)而長(zhǎng)、介質(zhì)的性質(zhì)及溫度有關(guān)。介質(zhì)的旋光本領(lǐng)因波長(zhǎng)而異的現(xiàn)象稱(chēng)為旋光色散，石英晶體的旋光率異的現(xiàn)象稱(chēng)為旋光色散，石英晶體的旋光率隨光波長(zhǎng)隨光波長(zhǎng)的變化規(guī)律如的變化規(guī)律如圖圖 2 2 所示。所示。圖圖 1 1 旋光現(xiàn)象旋光現(xiàn)象 圖圖 2 2 石英晶體的旋光色散石英晶體的旋光色散 實(shí)驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)，不同旋光介質(zhì)光振動(dòng)矢量的旋轉(zhuǎn)方向可能不同，并因此將旋光介質(zhì)分為左旋和右旋。當(dāng)對(duì)著光線觀察時(shí)， 使光振動(dòng)矢量順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的介質(zhì)叫右旋光介質(zhì)，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的介質(zhì)叫左旋光介質(zhì)。例如，葡萄糖溶液是右旋光介質(zhì)，果糖是左旋光介質(zhì)。自然界存在的石英晶體既

4、有右旋的，也有左旋的，它們的旋光本領(lǐng)在數(shù)值上相等，但方向相反。之所以有這種左、右旋之分，是由于其結(jié)構(gòu)不同造成的，右旋石英與左旋石英的分子組成相同，都是SiO2，但分子的排列結(jié)構(gòu)是鏡像對(duì)稱(chēng)的，反映在晶體外形上即是圖 3 所示的鏡像對(duì)稱(chēng)。正是由于旋光性的存在，當(dāng)將石英晶片(光軸與表面垂直)置于正交的兩個(gè)偏振器之間觀察其會(huì)聚光照射下的干涉圖樣時(shí)，圖樣的中心不是暗點(diǎn)，而幾乎總是亮的。 對(duì)于具有旋光特性的溶液，光振動(dòng)方向旋轉(zhuǎn)的角度還與溶液的濃度成正比，=cl ，式中,稱(chēng)為溶液的比旋光率；c為溶液濃度。在實(shí)際應(yīng)用中,可以根據(jù)光振動(dòng)方向轉(zhuǎn)過(guò)的角度,確定該溶液的濃度。圖圖 3 3 右旋石英與左旋石英右旋石英與

5、左旋石英 2.2.自然旋光現(xiàn)象的理論解釋自然旋光現(xiàn)象的理論解釋 菲涅耳假設(shè)菲涅耳假設(shè) 1825 1825 年，菲涅耳對(duì)旋光現(xiàn)象提出了一種唯象的解釋。年，菲涅耳對(duì)旋光現(xiàn)象提出了一種唯象的解釋。按照他的假設(shè)，可以把進(jìn)入旋光介質(zhì)的線偏振光看作是右旋圓按照他的假設(shè)，可以把進(jìn)入旋光介質(zhì)的線偏振光看作是右旋圓偏振光和左旋圓偏振光的組合。菲涅耳認(rèn)為：在各向同性介質(zhì)偏振光和左旋圓偏振光的組合。菲涅耳認(rèn)為：在各向同性介質(zhì)中，線偏振光的右、左旋圓偏振光分量的傳播速度中，線偏振光的右、左旋圓偏振光分量的傳播速度v vR R和和v vL L相等，相等，因而其相應(yīng)的折射率因而其相應(yīng)的折射率Nr = Nr = c c/

6、Vr/ Vr和和Nl = Nl = c/Vlc/Vl 相等；在旋光介相等；在旋光介質(zhì)中，右、左旋圓偏振光的傳播速度不同，其相應(yīng)的折射率也質(zhì)中，右、左旋圓偏振光的傳播速度不同，其相應(yīng)的折射率也不相等。在右旋晶體中，右旋圓偏振光的傳播速度較快，不相等。在右旋晶體中，右旋圓偏振光的傳播速度較快，VrVr VlVl ( (或者或者Vr Vr Vr ( Vr (或者或者VlVl Vr) v vL L，即，即n nR R v vR R，即，即n nL L v vL L, ,即即n nR R n nL L。所。所以，在界面以，在界面AEAE上，左旋光遠(yuǎn)離法線方向折射，右旋光靠近法線上，左旋光遠(yuǎn)離法線方向折射

7、，右旋光靠近法線方向折射，于是左、右旋光分開(kāi)了。在第二個(gè)界面方向折射，于是左、右旋光分開(kāi)了。在第二個(gè)界面CECE上，左旋上，左旋光靠近法線方向折射，右旋光遠(yuǎn)離法線方向折射，于是兩束光光靠近法線方向折射，右旋光遠(yuǎn)離法線方向折射，于是兩束光更加分開(kāi)了。在界面更加分開(kāi)了。在界面CDCD上，兩束光經(jīng)折射后進(jìn)一步分開(kāi)。這個(gè)上，兩束光經(jīng)折射后進(jìn)一步分開(kāi)。這個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，證實(shí)了左、右旋圓偏振光傳播速度不同的假設(shè)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果，證實(shí)了左、右旋圓偏振光傳播速度不同的假設(shè)。二二、磁光效應(yīng)磁光效應(yīng) 法拉第法拉第(Faraday)(Faraday)效應(yīng)效應(yīng) 上述旋光現(xiàn)象是旋光介質(zhì)固有的性質(zhì)，因此可以叫作自然圓雙折射。與上述

8、旋光現(xiàn)象是旋光介質(zhì)固有的性質(zhì)，因此可以叫作自然圓雙折射。與感應(yīng)雙折射類(lèi)似，也可以通過(guò)人工的方法產(chǎn)生旋光現(xiàn)象。介質(zhì)在強(qiáng)磁場(chǎng)作用感應(yīng)雙折射類(lèi)似，也可以通過(guò)人工的方法產(chǎn)生旋光現(xiàn)象。介質(zhì)在強(qiáng)磁場(chǎng)作用下產(chǎn)生旋光現(xiàn)象的效應(yīng)叫磁致旋光效應(yīng)，或者簡(jiǎn)稱(chēng)為磁光效應(yīng)。磁光效應(yīng)，下產(chǎn)生旋光現(xiàn)象的效應(yīng)叫磁致旋光效應(yīng)，或者簡(jiǎn)稱(chēng)為磁光效應(yīng)。磁光效應(yīng)，又叫做法拉第效應(yīng)，它是由法拉第于又叫做法拉第效應(yīng)，它是由法拉第于18461846年首先發(fā)現(xiàn)的。年首先發(fā)現(xiàn)的。18461846年，法拉第發(fā)年，法拉第發(fā)現(xiàn)，在磁場(chǎng)的作用下，本來(lái)不具有旋光性的介質(zhì)也產(chǎn)生了旋光性，能夠使線現(xiàn)，在磁場(chǎng)的作用下，本來(lái)不具有旋光性的介質(zhì)也產(chǎn)生了旋光性，能夠使

9、線偏振光的振動(dòng)面發(fā)生旋轉(zhuǎn)，這就是法拉第效應(yīng)。觀察法拉第效應(yīng)的裝置結(jié)構(gòu)偏振光的振動(dòng)面發(fā)生旋轉(zhuǎn)，這就是法拉第效應(yīng)。觀察法拉第效應(yīng)的裝置結(jié)構(gòu)如圖如圖 5 5 所示：將一根玻璃棒的兩端拋光，放進(jìn)螺線管的磁場(chǎng)中，再加上起偏所示：將一根玻璃棒的兩端拋光，放進(jìn)螺線管的磁場(chǎng)中，再加上起偏器器P P1 1和檢偏器和檢偏器P P2,2,讓光束通過(guò)起偏器后順著磁場(chǎng)方向通過(guò)玻璃棒，光矢量的方讓光束通過(guò)起偏器后順著磁場(chǎng)方向通過(guò)玻璃棒，光矢量的方向就會(huì)旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)的角度可以用檢偏器測(cè)量。向就會(huì)旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)的角度可以用檢偏器測(cè)量。圖圖 5 5 法拉第效應(yīng)法拉第效應(yīng) 后來(lái)，維爾德后來(lái)，維爾德(Verdet)(Verdet)對(duì)法拉

10、第效應(yīng)進(jìn)行了仔細(xì)的研對(duì)法拉第效應(yīng)進(jìn)行了仔細(xì)的研究，發(fā)現(xiàn)光振動(dòng)平面轉(zhuǎn)過(guò)的角度與光在物質(zhì)中通過(guò)的長(zhǎng)度究，發(fā)現(xiàn)光振動(dòng)平面轉(zhuǎn)過(guò)的角度與光在物質(zhì)中通過(guò)的長(zhǎng)度l l和磁感應(yīng)強(qiáng)度和磁感應(yīng)強(qiáng)度B B成正比，即：成正比，即：= =VBl VBl 式中，式中，V V是與物質(zhì)性質(zhì)有關(guān)的常數(shù)，是與物質(zhì)性質(zhì)有關(guān)的常數(shù)，叫維爾德常數(shù)。叫維爾德常數(shù)。 實(shí)驗(yàn)表明，法拉第效應(yīng)的旋光方向決定于外加磁場(chǎng)方實(shí)驗(yàn)表明，法拉第效應(yīng)的旋光方向決定于外加磁場(chǎng)方向，與光的傳播方向無(wú)關(guān)，即法拉第效應(yīng)具有不可逆性，這向，與光的傳播方向無(wú)關(guān)，即法拉第效應(yīng)具有不可逆性，這與具有可逆性的自然旋光效應(yīng)不同。例如，線偏振光通過(guò)天與具有可逆性的自然旋光效應(yīng)不

11、同。例如，線偏振光通過(guò)天然右旋介質(zhì)時(shí)，迎著光看去，振動(dòng)面總是向右旋轉(zhuǎn)，所以，然右旋介質(zhì)時(shí)，迎著光看去，振動(dòng)面總是向右旋轉(zhuǎn)，所以，當(dāng)從天然右旋介質(zhì)出來(lái)的透射光沿原路返回時(shí)，振動(dòng)面將回當(dāng)從天然右旋介質(zhì)出來(lái)的透射光沿原路返回時(shí)，振動(dòng)面將回到初始位置。但線偏振光通過(guò)磁光介質(zhì)時(shí)，如果沿磁場(chǎng)方向到初始位置。但線偏振光通過(guò)磁光介質(zhì)時(shí)，如果沿磁場(chǎng)方向傳播，迎著光線看，振動(dòng)面向右旋轉(zhuǎn)角度傳播，迎著光線看，振動(dòng)面向右旋轉(zhuǎn)角度，而當(dāng)光束沿反，而當(dāng)光束沿反方向傳播時(shí)，振動(dòng)面仍沿原方向旋轉(zhuǎn)，即迎著光線看振動(dòng)面方向傳播時(shí)，振動(dòng)面仍沿原方向旋轉(zhuǎn)，即迎著光線看振動(dòng)面向左旋轉(zhuǎn)角度向左旋轉(zhuǎn)角度，所以光束沿原路返回，一來(lái)一去兩次通

12、過(guò)，所以光束沿原路返回，一來(lái)一去兩次通過(guò)磁光介質(zhì)，振動(dòng)面與初始位置相比，轉(zhuǎn)過(guò)了角度磁光介質(zhì)，振動(dòng)面與初始位置相比，轉(zhuǎn)過(guò)了角度 2 2。三、三、磁光效應(yīng)的應(yīng)用磁光效應(yīng)的應(yīng)用 以磁光材料為研究背景的磁光器件是一種非互易性旋光器件，在光信息處理、光纖通信、共用天線光纜電視系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)技術(shù)，以及工業(yè)、國(guó)防、宇航和醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。目前已研制出來(lái)的磁光器件有：磁光偏轉(zhuǎn)器、磁光開(kāi)關(guān)和調(diào)制器、隔離器、環(huán)行器、顯示器、旋光器、磁強(qiáng)計(jì)、磁光盤(pán)存儲(chǔ)器(可擦除光盤(pán))以及各類(lèi)磁光傳感器等。1.1.磁光存儲(chǔ)磁光存儲(chǔ) 磁光存儲(chǔ)材料是一種利用克爾磁光效應(yīng)的磁寫(xiě)入光讀出來(lái)記錄、改寫(xiě)、刪除信息的載體材料。它匯聚了光存儲(chǔ)和

13、磁存儲(chǔ)的優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于國(guó)家管理、軍事、航空航天、石油礦產(chǎn)、交通等需要大規(guī)模數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)收集、記錄、存儲(chǔ)及分析的領(lǐng)域。磁光存儲(chǔ)材料主要有以下三種、鉍系合金薄膜、鉍系合金薄膜：Mn Bi 薄膜是研究最早的磁光存儲(chǔ)材料之一。但因其存在居里溫度高（360）、磁光旋轉(zhuǎn)角偏小、信噪比低、存在強(qiáng)烈的晶界散射等缺點(diǎn)而使其應(yīng)用與發(fā)展受到大大的限制。、稀土、稀土- -過(guò)渡金屬非晶膜（過(guò)渡金屬非晶膜（RE-TMRE-TM）：）：RE-TM是近期研究比較多的磁光存儲(chǔ)材料之一。RE-TM信噪比較高，且易于在各種襯底上制備大面積均勻膜。但其存在磁光效應(yīng)不夠大、易氧化、化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性差等缺點(diǎn)，不利于信息的長(zhǎng)期可靠存儲(chǔ)

14、。、稀土鐵石榴石：、稀土鐵石榴石：稀土鐵石榴石被公認(rèn)為是最有應(yīng)用前景的新一代磁光存儲(chǔ)介質(zhì)。此類(lèi)晶體的物理化學(xué)性能穩(wěn)定，耐腐蝕，耐高溫，磁光偏轉(zhuǎn)角大，且在近紅外波段透明，可制成多層膜磁光盤(pán)。2 2、磁光調(diào)制器磁光調(diào)制器 磁光調(diào)制器是利用偏振光通過(guò)磁光介質(zhì)發(fā)生偏振面旋轉(zhuǎn)來(lái)調(diào)制光束的。磁光調(diào)制器可用作紅外檢測(cè)器的斬波器、紅外輻射高溫計(jì)、高靈敏度偏振計(jì)，還可用于顯示電視信號(hào)的傳輸、測(cè)距裝置以及各種光學(xué)檢測(cè)和傳輸系統(tǒng)。早先用來(lái)做磁光調(diào)制器的是磁光玻璃，后來(lái)出現(xiàn)了釔鐵石榴石（YIG），在1.15.5m 波長(zhǎng)區(qū)有高的透明度和比法拉第角。摻 Ga 的 YIG 單晶外延薄膜式磁光材料的比法拉第角高達(dá) 10310

15、4rad/cm，且對(duì)可見(jiàn)光也有一定透明度，更適宜制作磁光調(diào)制器。3 3、光纖電流傳感器、光纖電流傳感器 利用 Faraday 效應(yīng)可以制成光纖電流傳感器，與傳統(tǒng)的電磁式電流傳感器相比，具有絕緣性能優(yōu)良、動(dòng)態(tài)范圍大、頻率響應(yīng)寬、抗電磁干擾能力強(qiáng)、體積小、重量輕、易與數(shù)字設(shè)備接口等優(yōu)點(diǎn)。但由于傳感光纖繞成環(huán)形會(huì)引起線性雙折射，降低傳感器的精度，同時(shí)使信號(hào)輸出隨溫度的變化而失真，因此克服光纖內(nèi)線性雙折射問(wèn)題是十分關(guān)鍵的技術(shù)。 目前，國(guó)外在這方面的研究已取得很大進(jìn)展，如日本東芝公司和電力公司最近研制出的扭轉(zhuǎn)型光纖對(duì)消除線性雙折射效果顯著。為了提高磁光效應(yīng)的靈敏度，開(kāi)始考慮采用順磁性玻璃，尤其是Tb3+

16、摻雜法拉第磁光玻璃，因其 Verdet 常數(shù)大，光透過(guò)率高，具有廣闊的應(yīng)用前景。4 4、 磁光開(kāi)關(guān)磁光開(kāi)關(guān) 磁光開(kāi)關(guān)采用的物理機(jī)理是法拉第效應(yīng)，通過(guò)控制磁光晶體的磁化強(qiáng)度進(jìn)而控制傳輸光偏振面的旋轉(zhuǎn)。通過(guò)外加磁場(chǎng)的改變來(lái)改變磁光晶體對(duì)入射偏振光偏振面的作用，從而達(dá)到切換光路的效果。磁光開(kāi)關(guān)有塊狀、薄膜狀和光纖型三種。相對(duì)其他非機(jī)械式光開(kāi)關(guān)而言，磁光開(kāi)關(guān)具有速度快、磁滯小、耗能小、穩(wěn)定性好、驅(qū)動(dòng)電壓低、串?dāng)_小、體積小、易于高度集成等優(yōu)點(diǎn)，并且其整體結(jié)構(gòu)柔性可彎曲，可卷成光纖圈，靈敏度相對(duì)提高。但是，磁光開(kāi)關(guān)的不足之處在于磁光材料的性能有待于進(jìn)一步的改善和優(yōu)化，以增高透光率和降低損耗。 磁光材料和磁

17、光器件大多涉及高技術(shù)領(lǐng)域，是技術(shù)密集、知識(shí)密集型的尖端項(xiàng)目，又是具有顯著經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益的項(xiàng)目，有著誘人的發(fā)展前景。因此，對(duì)磁光材料和磁光器件的深入研究顯得尤為重要和迫切。近年來(lái)，對(duì)磁光特性的研究也日益深入，新的磁光材料不斷發(fā)現(xiàn)。目前，相對(duì)于材料實(shí)驗(yàn)研究的進(jìn)展，理論研究方面還有待加強(qiáng)，如進(jìn)一步研究磁光效應(yīng)產(chǎn)生的物理機(jī)制和磁光材料光吸收的本質(zhì)，以便更好地運(yùn)用理論來(lái)指導(dǎo)和解決生產(chǎn)和實(shí)踐中遇到的問(wèn)題，以制備出適合于器件要求的高性能磁光材料和磁光器件。參考文獻(xiàn)：參考文獻(xiàn)：1 周靜, 王選章, 謝文廣. 磁光效應(yīng)及其應(yīng)用J. 現(xiàn)代物理知識(shí), 2005, 17(5): 47-49. 2 趙建林.光學(xué)M. 北

18、京: 北京高等教育出版社, 2005. 311-312. 3 祈學(xué)孟 . 一種高弗爾德常數(shù)磁敏旋光玻璃 : 中國(guó) , 951062794 P. 1996-6-19. 4 周蓓明, 王標(biāo), 毛涵芬, 等. TG28 磁光玻璃J. 中國(guó)激光, 1996, 23: 857-860. 14 潘應(yīng)天, 劉賢德, 李再光. 磁性液體磁光特性及其應(yīng)用研究J. 紅外技術(shù), 1992, 14(5): 41-45. 15 任廣軍, 姚建銓, 王鵬, 等. 液晶磁致旋光的研究J.物理學(xué)報(bào), 2007, 56(2): 994-998. 16 黃敏, 張守業(yè). 石榴石型磁光存儲(chǔ)材料J. 材料科學(xué)與工程, 1997, 15(4): 43-46. 17 艾延寶, 金永君. 法拉第磁致旋光效應(yīng)及應(yīng)用J. 物理與工程, 2002, 12(5): 50-51. 18 徐時(shí)清, 楊中民, 戴世勛, 等. Tb 摻雜 Faraday 磁光玻璃的研究進(jìn)展J. 硅酸鹽學(xué)報(bào), 2003, 31(4): 377-381. 謝謝！謝謝！ 磁旋光材料的應(yīng)用 2、磁光調(diào)制 設(shè)由交變電流產(chǎn)生的交變磁場(chǎng)引起的法拉第旋轉(zhuǎn)角 為 ，則低頻磁光調(diào)制器系統(tǒng)的輸出光強(qiáng)為 (2-1) 當(dāng)用正弦波電流輸入調(diào)制線圈時(shí)，則在垂直石榴石單晶薄膜平面的方向上產(chǎn)生一個(gè)正弦變化的交變磁場(chǎng)，由此引起的交變