磁光效应及其应用

关于磁光效应及其应用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2页,共27页，2024年2月25日，星期天自然旋光现象

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3页,共27页，2024年2月25日，星期天实验证明，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θ与在该介质中通过的距离l成正比，

θ=αl

比例系数α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α随光波长的变化规律如图5-19所示。例如，石英晶体的α在光波长为0.4μm时，为49°/mm；在0.5μm时，为31°/mm；在0.65μm时，为16°/mm；而胆甾相液晶的α约为18000°/mm。第4页,共27页，2024年2月25日，星期天图5-18旋光现象第5页,共27页，2024年2月25日，星期天图5-19石英晶体的旋光色散第6页,共27页，2024年2月25日，星期天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,α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。θ=αcl

第7页,共27页，2024年2月25日，星期天实验还发现，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8页,共27页，2024年2月25日，星期天图5-20右旋石英与左旋石英第9页,共27页，2024年2月25日，星期天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

<nL)；在左旋晶体中，左旋圆偏振光的传播速度较快，vL>vR(或者nL<nR)。根据这一种假设，可以解释旋光现象。第10页,共27页，2024年2月25日，星期天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11页,共27页，2024年2月25日，星期天则其合成波的琼斯矢量为：

第12页,共27页，2024年2月25日，星期天引入：合成波的琼斯矢量可以写为：第13页,共27页，2024年2月25日，星期天

它代表了光振动方向与水平方向成θ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θ角。由此可以推得：如果左旋圆偏振光传播得快,nL<nR，则θ>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θ<0，即光矢量是向顺时针方向旋转的,这就说明了左、右旋光介质的区别。而且,上式还表明,旋转角度θ与l成正比，与波长有关(旋光色散)，这些都是与实验相符的。第14页,共27页，2024年2月25日，星期天3.自然旋光现象的实验验证

——菲涅耳棱镜组实验装置第15页,共27页，2024年2月25日，星期天图5-21菲涅耳棱镜组

第16页,共27页，2024年2月25日，星期天为了验证旋光介质中左旋圆偏振光和右旋圆偏振光的传播速度不同，菲涅耳设计、制成了图5-21所示的、由左旋石英和右旋石英交替胶合的三棱镜组，这些棱镜的光轴均与入射面AB垂直。一束单色线偏振光射入AB面，在棱镜1中沿光轴方向传播，相应的左、右旋圆偏振光的速度不同，vR>vL，即nR<nL；在棱镜2中，vL>vR，即nL<nR;在棱镜3中,vR>vL,即nR<nL。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17页,共27页，2024年2月25日，星期天当然，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18页,共27页，2024年2月25日，星期天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19页,共27页，2024年2月25日，星期天

1846年，法拉第发现，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20页,共27页，2024年2月25日，星期天图5-22法拉第效应第21页,共27页，2024年2月25日，星期天后来，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：

θ=VBl

式中，V是与物质性质有关的常数，叫维尔德常数。一些常用物质的维尔德常数列于表5-1。第22页,共27页，2024年2月25日，星期天表5-1几种物质的维尔德常数(用λ=0.5893μm的偏振光照明)物

质

温

度

/°CV

/［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

181820162033204.86

9.22

4.83

10.44

3.81

38.5712.30第23页,共27页，2024年2月25日，星期天实验表明，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θ，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θ，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2θ。第24页,共27页，2024年2月25日，星期天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