磁光效应及其应用课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,5.4 磁光效应及其应用,5.4.1 晶体的旋光效应,5.4.2 磁光效应法拉第效应,5.4.3 磁光效应的应用,5.4 磁光效应及其应用5.4.1 晶体的旋光效应,1,5.4.1 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,5.4.1 晶体的旋光效应 自然旋光现象,2,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。,自然旋光现象,3,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 0.4,m时，为49/mm；,在0.5,m时，为31/mm；在0.65 m时，为16/mm；而胆甾,相液晶的,约为18 000/mm。,实验证明，一定波长的线偏振光通过旋光介质时，光振,4,图 5-18 旋光现象,图 5-18 旋光现象,5,图 5-19 石英晶体的旋光色散,图 5-19 石英晶体的旋光色散,6,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,对于具有旋光特性的溶液，光振动方向旋转的角度还与=,7,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SiO,2,，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。,实验还发现，不同旋光介质光振动矢量的旋转方向可能不,8,图 5-20 右旋石英与左旋石英,图 5-20 右旋石英与左旋石英,9,2.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,v,R,和,v,L,相等，因而其相应的折射率,n,R,=,c,/,v,R,和,n,L,=,c/v,L,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，,v,R,v,L,(或者,n,R,v,R,(或者,n,L,n,R,)。根据这一种假设，可以解释旋,光现象。,2.自然旋光现象的理论解释,10,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：,假设入射到旋光介质上的光是沿水平方向振动的线偏振,11,则其合成波的琼斯矢量为：,则其合成波的琼斯矢量为：,12,引入：,合成波的琼斯矢量可以写为：,引入：,13,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,n,L,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,n,R,n,L，,则,v,L,，即,n,R,v,R,，即,n,L,v,L,即,n,R,n,L,。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。,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,17,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。,当然，菲涅耳的解释只是唯象理论，它不能说明旋光现,18,5.4.2 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。,5.4.2 磁光效应 法拉第(Faraday)效应,19,1846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,P,1,和检偏器,P,2,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。,1846年，法拉第发现，在磁场的作用下，本来不具有旋,20,图 5-22 法拉第效应,图 5-22 法拉第效应,21,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。,后来，维尔德(Verdet)对法拉第效应进行了仔细的,22,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,18,18,20,16,20,33,20,4.86,9.22,4,.,83,10,.,44,3,.,81,38,.,57,12,.,30,表 5-1 几种物质的维尔德常数物 质 温 度/C,23,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,，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,。,实验表明，法拉第效应的旋光方向决定于外加磁场方,24,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,P,1,与,P,2,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,P,1,转过 45，于是，刚好能通过,P,2,；,但对于从后面光学系统(例如激光放大器 2 等)各界面反射,回来的光，经,P,2,和法拉第盒后，其光矢量与,P,1,垂直，因此被,隔离而不能返回到光源。,由于法拉第效应的这种不可逆性，使得它在光电子技术,25,图 5-23 法拉第光隔离器应用示意图,图 5-23 法拉第光隔离器应用示意图,26,