2.4 光波在磁光介质中的传播.ppt

1、2020/7/19,旋 光,1石英的旋光现象,1）旋光现象,冰洲石晶体 无旋光现象,2020/7/19,水晶有旋光现象,2020/7/19,2）旋光定义：,线偏振光在石英晶体内部沿光轴方向传 播时，透过后偏振面被旋转了一个角度。,3）旋光率：,：旋光率。,4）旋光色散：,，旋光率随波长变化。,不同颜色的线振动面透过晶体后 被旋转的角度不同,2020/7/19,5）左旋和右旋晶体,一种结构是另一种 结构的镜像反演,线偏振光沿光轴通过晶体后振动面一种向左旋、另一种向右旋。,2020/7/19,磁光效应是磁光调制的物理基础。当光波通过这种磁化的物体 (磁性物质）时，其传播特性发生变化，这种现象称为磁

2、光效应。 磁光效应包括法拉第旋转效应、克尔效应、磁双折射效应等。其中最主要的是法拉第旋转效应，它使一束线偏振光在外加磁场作用下的介质中传播时，其偏振方向发生旋转，其旋转角度 的大小与沿光束方向的磁场强H和光在介质中传播的长度L之积成正比，即 VHL (1),式中，V称为韦尔代(verdet)常数，它表示在单位磁场强度下线偏振光通过单位长度的磁光介质后偏振方向旋转的角度。表列出了一些磁光材料的韦尔代常数。,2.5 光波在磁光介质中的传播,2020/7/19,装置、光路,Faraday Rotator,和光的偏振有关。当自然光从各向同性介质射向各向异性 且光轴任意取向的单轴晶体界面上时，其反射光成

3、为垂直 入射面的线偏振光时所对应的入射角即布儒斯特角。,2020/7/19,在光频波段内，令 ，几乎所有的磁光现象都可得到解释。,引进等效介电系数张量,当磁场反向时， 的符号也要反号，即:,理论分析,2020/7/19,假设磁场沿z轴方向，取磁光介质中传播的平面波为 :,式中lx、ly、lz为光波矢的方向余弦。,代入菲涅耳方程,由系数行列式为零，得到折射率n所满所足的方程 :,2020/7/19,假设光波在立方晶体或各向同性介质中（ ）平行于磁化强度（z）方向（lx=ly=0，lz=1）传播，得,2020/7/19,可见Ez=0，即介质中传播的光波为横波，相应的传播模式为右旋和左旋的两个圆偏振

4、光波：,代如菲涅耳方程 得，,2020/7/19,2020/7/19,因此，沿x方向偏振的入射光经过长度为L的磁光介质后将偏转一个角度,这就是法拉第旋转现象， 为磁致旋光率。,2020/7/19,当磁化强度较弱，B与H为线性关系，即=0为常量。因而旋光率 与外加磁场强度在成正比, 式可写成: 式中V称为韦尔德（Verdet）常数，它表示在单位磁场强度下线偏振光波通过单位长度磁光介质后偏振方向旋转的角度。,2020/7/19,法拉第旋转的特殊规律,（1）自然旋光物质左右旋与光的传播方向无关,2020/7/19,（2）光沿磁场方向通过时，振动面右旋。 光逆磁场方向传播时，振动面左旋。,2020/7

5、/19,（4）法拉第旋转的用途,若：,线偏振光返回后无法通过第一个偏振片， 成为光隔离器。,则:,（3）光束一正一反两次通过磁光介质时， 振动面转过角度 。,法拉第旋转器的应用,2020/7/19,对于旋光现象的物理原因，可解释为外加磁场使介质分子的磁矩定向排列，当一束线偏振光通过它时，分解为两个频率相同、初相位相同的两个圆偏振光，其中一个圆偏振光的电矢量是顺时针方向旋转，称为右旋圆偏振光，而另一个圆偏振光是逆时针方向旋转的，称为左旋圆偏振光。这两个圆偏振光无相互作用地以两种略有不同的速度 +c/nR和 -c/nL传播，它们通过厚度为L的介质之后产生的相位延迟分别为:,所以两圆偏振光间存在一相

6、位差,2020/7/19,当它们通过介质之后，又合成为一线偏振光，其偏振方向相对于入射光旋转了一个角度。zA表示入射介质的线偏振光的振动方向，将振幅A分解为左旋和右旋两矢量AL和AR ，假设介质的长度L使右旋矢量AR刚转回到原来的位置，此时左旋光矢量(由于vLvR )转到AL，于是合成的线偏振光A相对于入射光的偏振方向转了一个角度，此值等于角的一半，即 = /2 （nR nL）L/ (3) 可以看出，A的偏振方向将随着光波的传播 向右旋转。这称为右旋光效应。,(2),2020/7/19,磁致旋光效应的旋转方向仅与磁场方向有关，而与光线传播方向的正逆无关，这是磁致旋光现象与晶体的自然旋光现象不同

7、之处(即当光束往返通过自然旋光物质时，因旋转角相等方向相反而相互抵消)。 但通过磁光介质时，只要磁场方向不变，旋转角都朝一个方向增加，此现象表明磁致旋光效应是一个不可逆的光学过程，因而可利用来制成光学隔离器或单通光闸等器件。,2020/7/19,英国物理学家麦克尔法拉第（17911867），贫苦出身，幼年失学，在印刷厂当童工时学习零星的科学知识 1812年，聆听戴维的讲演，得到戴维的赏识，到了实验室当一名刷瓶子工人。次年成为戴维的助手。游历欧洲。 在电化学方面显示出卓越的实验才能，1824年选为皇家学会会员。遭到戴维的妒忌，但法拉第一直心存感激。,2020/7/19,电磁感应,电流有磁效应，磁

8、有没有电流效应呢？ 1831年，法拉第发现运动的磁铁会导致电流，而静止的磁铁却没有电流效应。这个电流称为感生电流。模型发电机与电动机。 数学能力的欠缺被天才的物理洞察力所弥补 建立“场”的概念（用来传递电磁作用的连续介质）、“力线”概念（场的直观图象）。破除了牛顿的超距作用概念。 建立电磁感应定律：只要导线垂直地切害磁力线，导线中就有电流产生，电流的大小与所切割的磁力线数成正比。,2020/7/19,电磁波,1832年的一封信中实际上提出了电磁波的概念：“我认为，磁力从磁极出发的传播类似于起波纹的水面的振动或者空气粒子的声振动。也就是说，我打算把振动理论应用于磁现象，就像对声音所作的那样，而且

9、这也是光现象最可能的解释。” 1845年发现磁的旋光效应（法拉第效应） 1846年提出光的本性是电力线和磁力线的振动,2020/7/19,一生对科学一往情深，对金钱和地位不屑一顾。 热爱科普事业，1860年，69岁的法拉弟以蜡烛的化学故事为题做了六次“圣诞科学讲座” 英俄交战时期，拒绝了政府研制毒气的要求 从18201862，每天坚持做实验日记，1932年出版，共七大卷3236页,2020/7/19,法拉第1845年发现旋光效应； 克尔1875年发现电克效应和1876年发现克尔磁光效应； 荷兰物理学家塞曼于1896年发现的又一个磁光效应； 法拉第旋光效应和克尔效应的发现在当时引起了众多物理学家

10、的兴趣。 1862年法拉第出于“磁力和光波彼此有联系”的信念，试图探测磁场对钠黄光的作用，但因仪器精度欠佳未果。,2020/7/19,3.4 光束的调制和扫描,磁光调制主要是应用法拉第旋转效应,使一束线偏振光在外加磁场作用下的介质中传播时，其偏振方向发生旋转,2020/7/19,1. 磁光体调制器,为了获得线性调制，在垂直于光传播的方向上加一恒定磁场Hdc，其强度足以使晶体饱和磁化。,工作时，高频信号电流通过线圈就会感生出平行于光传播方向的磁场，入射光通过YIG晶体时，由于法拉第旋转效应，其偏振面发生旋转，旋转角正比于磁场强度H。,2020/7/19,s：是单位长度饱和法拉第旋转角；,：是调制磁场,如果再通过检偏器，就可以获得一定强度变化的调制光。,2020/7/19,2. 磁光波导调制器,在磁性膜表面用光刻方法制作一条金属蛇形线路，当电流通过蛇形线路时，蛇形线路中某一条通道中的电流沿y方向，则相邻通道中的电流沿y方向