磁光效应以及其应用

1、关于磁光效应及其应用第一张，PPT共二十七页，创作于2022年6月5.4.1 晶体的旋光效应 自然旋光现象2. 自然旋光现象的理论解释3. 自然旋光现象的实验验证第二张，PPT共二十七页，创作于2022年6月自然旋光现象 1811 年, 阿喇果(Arago)在研究石英晶体的双折射特性时发现：一束线偏振光沿石英晶体的光轴方向传播时，其振动平面会相对原方向转过一个角度，如图 5-18所示。由于石英晶体是单轴晶体，光沿着光轴方向传播不会发生双折射，因而阿喇果发现的现象应属另外一种新现象，这就是旋光现象。稍后，比奥(Biot)在一些蒸汽和液态物质中也观察到了同样的旋光现象。第三张，PPT共二十七页，创

2、作于2022年6月 实验证明，一定波长的线偏振光通过旋光介质时，光振动方向转过的角度与在该介质中通过的距离l成正比， =l 比例系数表征了该介质的旋光本领，称为旋光率，它与光波长、介质的性质及温度有关。 介质的旋光本领因波长而异的现象称为旋光色散，石英晶体的旋光率随光波长的变化规律如图 5-19 所示。 例如，石英晶体的在光波长为 0.4m时，为49/mm；在0.5m时，为31/mm；在0.65 m时，为16/mm；而胆甾相液晶的约为18 000/mm。第四张，PPT共二十七页，创作于2022年6月图 5-18 旋光现象 第五张，PPT共二十七页，创作于2022年6月图 5-19 石英晶体的旋

3、光色散 第六张，PPT共二十七页，创作于2022年6月 对于具有旋光特性的溶液，光振动方向旋转的角度还与溶液的浓度成正比， 式中,称为溶液的比旋光率；c为溶液浓度。在实际应用中,可以根据光振动方向转过的角度,确定该溶液的浓度。=cl 第七张，PPT共二十七页，创作于2022年6月 实验还发现，不同旋光介质光振动矢量的旋转方向可能不同，并因此将旋光介质分为左旋和右旋。当对着光线观察时， 使光振动矢量顺时针旋转的介质叫右旋光介质，逆时针旋转的介质叫左旋光介质。例如，葡萄糖溶液是右旋光介质，果糖是左旋光介质。自然界存在的石英晶体既有右旋的，也有左旋的，它们的旋光本领在数值上相等，但方向相反。之所以有

4、这种左、右旋之分，是由于其结构不同造成的，右旋石英与左旋石英的分子组成相同，都是SiO2，但分子的排列结构是镜像对称的，反映在晶体外形上即是图 5-20 所示的镜像对称。 正是由于旋光性的存在，当将石英晶片(光轴与表面垂直)置于正交的两个偏振器之间观察其会聚光照射下的干涉图样时，图样的中心不是暗点，而几乎总是亮的。第八张，PPT共二十七页，创作于2022年6月图 5-20 右旋石英与左旋石英 第九张，PPT共二十七页，创作于2022年6月2.自然旋光现象的理论解释 菲涅耳假设 1825 年，菲涅耳对旋光现象提出了一种唯象的解释。按照他的假设，可以把进入旋光介质的线偏振光看作是右旋圆偏振光和左旋

5、圆偏振光的组合。 菲涅耳认为：在各向同性介质中，线偏振光的右、左旋圆偏振光分量的传播速度vR和vL相等，因而其相应的折射率nR = c/vR 和nL = c/vL 相等；在旋光介质中，右、左旋圆偏振光的传播速度不同，其相应的折射率也不相等。 在右旋晶体中，右旋圆偏振光的传播速度较快，vR vL (或者nR vR (或者nL nR) 。根据这一种假设，可以解释旋光现象。第十张，PPT共二十七页，创作于2022年6月 假设入射到旋光介质上的光是沿水平方向振动的线偏振光，按照归一化琼斯矩阵方法, 可以把菲涅耳假设表示为： 如果右旋和左旋圆偏振光通过厚度为l的旋光介质后，相位滞后分别为：第十一张，PP

6、T共二十七页，创作于2022年6月则其合成波的琼斯矢量为： 第十二张，PPT共二十七页，创作于2022年6月引入：合成波的琼斯矢量可以写为：第十三张，PPT共二十七页，创作于2022年6月 它代表了光振动方向与水平方向成角的线偏振光。这说明，入射的线偏振光光矢量通过旋光介质后，转过了角。由此可以推得： 如果左旋圆偏振光传播得快,nL 0,即光矢量是向逆时针方向旋转的,如果右旋圆偏振光传播得快,nR nL，则vL，即nRvR，即nLvL,即nRnL。所以，在界面AE上，左旋光远离法线方向折射，右旋光靠近法线方向折射，于是左、右旋光分开了。在第二个界面CE上，左旋光靠近法线方向折射，右旋光远离法线

7、方向折射，于是两束光更加分开了。在界面CD上，两束光经折射后进一步分开。这个实验结果，证实了左、右旋圆偏振光传播速度不同的假设。第十七张，PPT共二十七页，创作于2022年6月 当然，菲涅耳的解释只是唯象理论，它不能说明旋光现象的根本原因，不能回答为什么在旋光介质中二圆偏振光的速度不同。这个问题必须从分子结构去考虑，即光在物质中传播时，不仅受分子的电矩作用，还要受到诸如分子的大小和磁矩等次要因素的作用，考虑到这些因素后，入射光波的光矢量振动方向旋转就是必然的了。 进一步，如果我们将旋光现象与前面讨论的双折射现象进行对比，就可以看出它们在形式上的相似性，只不过一个是指在各向异性介质中的二正交线偏

8、振光的传播速度不同，一个是指在旋光介质中的二反向旋转的圆偏振光的传播速度不同。因此，可将旋光现象视为一种特殊的双折射现象圆双折射，而将前面讨论的双折射现象称为线双折射。第十八张，PPT共二十七页，创作于2022年6月5.4.2 磁光效应 法拉第(Faraday)效应 上述旋光现象是旋光介质固有的性质，因此可以叫作自然圆双折射。与感应双折射类似，也可以通过人工的方法产生旋光现象。介质在强磁场作用下产生旋光现象的效应叫磁致旋光效应，或者简称为磁光效应。磁光效应，又叫做法拉第效应法拉第效应，它是由法拉第于1846年首先发现的。第十九张，PPT共二十七页，创作于2022年6月 1846年，法拉第发现，

9、在磁场的作用下，本来不具有旋光性的介质也产生了旋光性，能够使线偏振光的振动面发生旋转，这就是法拉第效应。观察法拉第效应的装置结构如图 5-22 所示：将一根玻璃棒的两端抛光，放进螺线管的磁场中，再加上起偏器P1和检偏器P2,让光束通过起偏器后顺着磁场方向通过玻璃棒，光矢量的方向就会旋转，旋转的角度可以用检偏器测量。第二十张，PPT共二十七页，创作于2022年6月图 5-22 法拉第效应 第二十一张，PPT共二十七页，创作于2022年6月 后来，维尔德(Verdet)对法拉第效应进行了仔细的研究，发现光振动平面转过的角度与光在物质中通过的长度l和磁感应强度B成正比，即：=VBl 式中，V是与物质

10、性质有关的常数，叫维尔德常数。 一些常用物质的维尔德常数列于表 5-1。第二十二张，PPT共二十七页，创作于2022年6月表 5-1 几种物质的维尔德常数(用=0.589 3m的偏振光照明) 物 质 温 度 /C V/弧度/(特米) 磷冕玻璃轻火石玻璃水晶(垂直光轴)食盐水磷二硫化碳 18182016203320 4.869.224.8310.443.8138.5712.30 第二十三张，PPT共二十七页，创作于2022年6月 实验表明，法拉第效应的旋光方向决定于外加磁场方向，与光的传播方向无关，即法拉第效应具有不可逆性，这与具有可逆性的自然旋光效应不同。例如，线偏振光通过天然右旋介质时，迎着

11、光看去，振动面总是向右旋转，所以，当从天然右旋介质出来的透射光沿原路返回时，振动面将回到初始位置。但线偏振光通过磁光介质时，如果沿磁场方向传播，迎着光线看，振动面向右旋转角度，而当光束沿反方向传播时，振动面仍沿原方向旋转，即迎着光线看振动面向左旋转角度，所以光束沿原路返回，一来一去两次通过磁光介质，振动面与初始位置相比，转过了角度 2。第二十四张，PPT共二十七页，创作于2022年6月 由于法拉第效应的这种不可逆性，使得它在光电子技术中有着重要的应用。例如，在激光系统中，为了避免光路中各光学界面的反射光对激光源产生干扰，可以利用法拉第效应制成光隔离器，只允许光从一个方向通过，而不允许反向通过。这种器件的结构示意图如图5-23所示，让偏振片P1与P2的透振方向成 45角，调整磁感应强度B，使从法拉第盒出来的光振动面相对P1转过 45，于是，