磁光效應及其應用

關于磁光效應及其應用5.4.1晶體的旋光效應自然旋光現(xiàn)象2.自然旋光現(xiàn)象的理論解釋3.自然旋光現(xiàn)象的實驗驗證第2頁,共27頁，2024年2月25日，星期天自然旋光現(xiàn)象

1811年,阿喇果(Arago)在研究石英晶體的雙折射特性時發(fā)現(xiàn)：一束線偏振光沿石英晶體的光軸方向傳播時，其振動平面會相對原方向轉過一個角度，如圖5-18所示。由于石英晶體是單軸晶體，光沿著光軸方向傳播不會發(fā)生雙折射，因而阿喇果發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)象應屬另外一種新現(xiàn)象，這就是旋光現(xiàn)象。稍后，比奧(Biot)在一些蒸汽和液態(tài)物質中也觀察到了同樣的旋光現(xiàn)象。第3頁,共27頁，2024年2月25日，星期天實驗證明，一定波長的線偏振光通過旋光介質時，光振動方向轉過的角度θ與在該介質中通過的距離l成正比，

θ=αl

比例系數(shù)α表征了該介質的旋光本領，稱為旋光率，它與光波長、介質的性質及溫度有關。介質的旋光本領因波長而異的現(xiàn)象稱為旋光色散，石英晶體的旋光率α隨光波長的變化規(guī)律如圖5-19所示。例如，石英晶體的α在光波長為0.4μm時，為49°/mm；在0.5μm時，為31°/mm；在0.65μm時，為16°/mm；而膽甾相液晶的α約為18000°/mm。第4頁,共27頁，2024年2月25日，星期天圖5-18旋光現(xiàn)象第5頁,共27頁，2024年2月25日，星期天圖5-19石英晶體的旋光色散第6頁,共27頁，2024年2月25日，星期天對于具有旋光特性的溶液，光振動方向旋轉的角度還與溶液的濃度成正比，式中,α稱為溶液的比旋光率；c為溶液濃度。在實際應用中,可以根據(jù)光振動方向轉過的角度,確定該溶液的濃度。θ=αcl

第7頁,共27頁，2024年2月25日，星期天實驗還發(fā)現(xiàn)，不同旋光介質光振動矢量的旋轉方向可能不同，并因此將旋光介質分為左旋和右旋。當對著光線觀察時，使光振動矢量順時針旋轉的介質叫右旋光介質，逆時針旋轉的介質叫左旋光介質。例如，葡萄糖溶液是右旋光介質，果糖是左旋光介質。自然界存在的石英晶體既有右旋的，也有左旋的，它們的旋光本領在數(shù)值上相等，但方向相反。之所以有這種左、右旋之分，是由于其結構不同造成的，右旋石英與左旋石英的分子組成相同，都是SiO2，但分子的排列結構是鏡像對稱的，反映在晶體外形上即是圖5-20所示的鏡像對稱。正是由于旋光性的存在，當將石英晶片(光軸與表面垂直)置于正交的兩個偏振器之間觀察其會聚光照射下的干涉圖樣時，圖樣的中心不是暗點，而幾乎總是亮的。第8頁,共27頁，2024年2月25日，星期天圖5-20右旋石英與左旋石英第9頁,共27頁，2024年2月25日，星期天2.自然旋光現(xiàn)象的理論解釋

——菲涅耳假設

1825年，菲涅耳對旋光現(xiàn)象提出了一種唯象的解釋。按照他的假設，可以把進入旋光介質的線偏振光看作是右旋圓偏振光和左旋圓偏振光的組合。菲涅耳認為：在各向同性介質中，線偏振光的右、左旋圓偏振光分量的傳播速度vR和vL相等，因而其相應的折射率nR=c/vR和nL=c/vL相等；在旋光介質中，右、左旋圓偏振光的傳播速度不同，其相應的折射率也不相等。在右旋晶體中，右旋圓偏振光的傳播速度較快，vR>vL(或者nR

<nL)；在左旋晶體中，左旋圓偏振光的傳播速度較快，vL>vR(或者nL<nR)。根據(jù)這一種假設，可以解釋旋光現(xiàn)象。第10頁,共27頁，2024年2月25日，星期天假設入射到旋光介質上的光是沿水平方向振動的線偏振光，按照歸一化瓊斯矩陣方法,可以把菲涅耳假設表示為：如果右旋和左旋圓偏振光通過厚度為l的旋光介質后，相位滯后分別為：第11頁,共27頁，2024年2月25日，星期天則其合成波的瓊斯矢量為：

第12頁,共27頁，2024年2月25日，星期天引入：合成波的瓊斯矢量可以寫為：第13頁,共27頁，2024年2月25日，星期天

它代表了光振動方向與水平方向成θ角的線偏振光。這說明，入射的線偏振光光矢量通過旋光介質后，轉過了θ角。由此可以推得：如果左旋圓偏振光傳播得快,nL<nR，則θ>0,即光矢量是向逆時針方向旋轉的,如果右旋圓偏振光傳播得快,nR<nL，則θ<0，即光矢量是向順時針方向旋轉的,這就說明了左、右旋光介質的區(qū)別。而且,上式還表明,旋轉角度θ與l成正比，與波長有關(旋光色散)，這些都是與實驗相符的。第14頁,共27頁，2024年2月25日，星期天3.自然旋光現(xiàn)象的實驗驗證

——菲涅耳棱鏡組實驗裝置第15頁,共27頁，2024年2月25日，星期天圖5-21菲涅耳棱鏡組

第16頁,共27頁，2024年2月25日，星期天為了驗證旋光介質中左旋圓偏振光和右旋圓偏振光的傳播速度不同，菲涅耳設計、制成了圖5-21所示的、由左旋石英和右旋石英交替膠合的三棱鏡組，這些棱鏡的光軸均與入射面AB垂直。一束單色線偏振光射入AB面，在棱鏡1中沿光軸方向傳播，相應的左、右旋圓偏振光的速度不同，vR>vL，即nR<nL；在棱鏡2中，vL>vR，即nL<nR;在棱鏡3中,vR>vL,即nR<nL。所以，在界面AE上，左旋光遠離法線方向折射，右旋光靠近法線方向折射，于是左、右旋光分開了。在第二個界面CE上，左旋光靠近法線方向折射，右旋光遠離法線方向折射，于是兩束光更加分開了。在界面CD上，兩束光經折射后進一步分開。這個實驗結果，證實了左、右旋圓偏振光傳播速度不同的假設。第17頁,共27頁，2024年2月25日，星期天當然，菲涅耳的解釋只是唯象理論，它不能說明旋光現(xiàn)象的根本原因，不能回答為什么在旋光介質中二圓偏振光的速度不同。這個問題必須從分子結構去考慮，即光在物質中傳播時，不僅受分子的電矩作用，還要受到諸如分子的大小和磁矩等次要因素的作用，考慮到這些因素后，入射光波的光矢量振動方向旋轉就是必然的了。進一步，如果我們將旋光現(xiàn)象與前面討論的雙折射現(xiàn)象進行對比，就可以看出它們在形式上的相似性，只不過一個是指在各向異性介質中的二正交線偏振光的傳播速度不同，一個是指在旋光介質中的二反向旋轉的圓偏振光的傳播速度不同。因此，可將旋光現(xiàn)象視為一種特殊的雙折射現(xiàn)象——圓雙折射，而將前面討論的雙折射現(xiàn)象稱為線雙折射。第18頁,共27頁，2024年2月25日，星期天5.4.2磁光效應

——法拉第(Faraday)效應上述旋光現(xiàn)象是旋光介質固有的性質，因此可以叫作自然圓雙折射。與感應雙折射類似，也可以通過人工的方法產生旋光現(xiàn)象。介質在強磁場作用下產生旋光現(xiàn)象的效應叫磁致旋光效應，或者簡稱為磁光效應。磁光效應，又叫做法拉第效應法拉第效應，它是由法拉第于1846年首先發(fā)現(xiàn)的。第19頁,共27頁，2024年2月25日，星期天

1846年，法拉第發(fā)現(xiàn)，在磁場的作用下，本來不具有旋光性的介質也產生了旋光性，能夠使線偏振光的振動面發(fā)生旋轉，這就是法拉第效應。觀察法拉第效應的裝置結構如圖5-22所示：將一根玻璃棒的兩端拋光，放進螺線管的磁場中，再加上起偏器P1和檢偏器P2,讓光束通過起偏器后順著磁場方向通過玻璃棒，光矢量的方向就會旋轉，旋轉的角度可以用檢偏器測量。第20頁,共27頁，2024年2月25日，星期天圖5-22法拉第效應第21頁,共27頁，2024年2月25日，星期天后來，維爾德(Verdet)對法拉第效應進行了仔細的研究，發(fā)現(xiàn)光振動平面轉過的角度與光在物質中通過的長度l和磁感應強度B成正比，即：

θ=VBl

式中，V是與物質性質有關的常數(shù)，叫維爾德常數(shù)。一些常用物質的維爾德常數(shù)列于表5-1。第22頁,共27頁，2024年2月25日，星期天表5-1幾種物質的維爾德常數(shù)(用λ=0.5893μm的偏振光照明)物

質

溫

度

/°CV

/［弧度/(特·米)］

磷冕玻璃輕火石玻璃水晶(垂直光軸)

食鹽水磷二硫化碳

181820162033204.86

9.22

4.83

10.44

3.81

38.5712.30第23頁,共27頁，2024年2月25日，星期天實驗表明，法拉第效應的旋光方向決定于外加磁場方向，與光的傳播方向無關，即法拉第效應具有不可逆性，這與具有可逆性的自然旋光效應不同。例如，線偏振光通過天然右旋介質時，迎著光看去，振動面總是向右旋轉，所以，當從天然右旋介質出來的透射光沿原路返回時，振動面將回到初始位置。但線偏振光通過磁光介質時，如果沿磁場方向傳播，迎著光線看，振動面向右旋轉角度θ，而當光束沿反方向傳播時，振動面仍沿原方向旋轉，即迎著光線看振動面向左旋轉角度θ，所以光束沿原路返回，一來一去兩次通過磁光介質，振動面與初始位置相比，轉過了角度2θ。第24頁,共27頁，2024年2月25日，星期天由于法拉第效應的這種不可逆性，使得它在光電子技術中有著重要的應用。例如，在激光系統(tǒng)中，為了避免光路中各光學界面的反射光對激光源產生干擾，可以利用法拉第效應制成光隔離器，只允許光從一個方向通過，而不允許反向通過。這種器件的結構示意圖如圖5-23所示，讓偏振片P1與P2的透振方向成45°角，調整磁感應強度B，使從法拉第盒出來的光振動面相對P1轉