2.5

光波在磁光介質中的傳播10/1/20231共17頁旋光現象一. 自然旋光：當線偏振光沿光軸方向通過某些天然介質時，它的偏振面會發生旋轉。α

—

旋光率二.菲涅耳的解釋線偏振光可看作是同頻率、等振幅、有確定相位差的左(L)、右(R

)旋圓偏振光的合成。旋轉的角度：λφ旋光物質L10/1/2023EELER·oωω(a)(b)ERELEφLφRφ非旋光物質10/1/2023旋光物質在出射面上:由圖示，有：令——

旋光率則(b)LEφLEφφRER10/1/2023旋光色散旋光率隨波長變化不同顏色的線振動面透過晶體后被旋轉的角度不同10/1/2023三. 磁致旋光:磁場作用下表現出的旋光特性λφL磁致旋光物質B旋轉的角度：V——費德爾常量，單位：弧度/米?特斯拉，L-——光在介質中傳播長度；B——平行于傳播方向的磁感應強度分量；10/1/2023(1)

對自然旋光物質，振動面的左旋或右旋是由旋光物質本身決定的。反射鏡入射光φ右旋反射鏡反射光φ右旋10/1/2023(2)

對磁致旋光物質，光沿 與逆 方向傳播，振動面旋向相反。反射鏡入射光φ右旋B反射鏡反射光φ左旋Bφ

φ10/1/2023結

論磁致旋光效應的旋轉方向僅與磁場方向有關，而與光線傳播方向的正逆無關，這是磁致旋光現象與晶體的自然旋光現象不同之處(即當光束往返通過自然旋光物質時，因旋轉角相等方向相反而相互抵消)。

但通過磁光介質時，只要磁場方向不變，旋轉角都朝一個方向增加，此現象表明磁致旋光效應是一個不可逆的光學過程，因而可利用來制成光學隔離器或單通光閘等器件。10/1/2023當光波通過這種磁化的物體(磁性物質）時，其傳播特性發生變化，這種現象稱為磁光效應。磁光效應包括法拉第旋轉效應、克爾效應、磁雙折射效應等。其中最主要的是法拉第旋轉效應，它使一束線偏振光在外加磁場作用下的介質中傳播時，其偏振方向發生旋轉，其旋轉角度的大小與沿光束方向的磁場強度和光在介質中傳播的長度之積成正比，即韋爾德常數表示在單位磁場強度下線偏振光通過單位長度的磁光介質后偏振方向旋轉的角度。表2-5列出了一些磁光材料的韋爾代常數。2.5

光波在磁光介質中的傳播10/1/2023在光頻波段內，令，幾乎所有的磁光現象都可得到解釋。引進等效介電系數張量當磁場反向時，δ

的符號也要反號，即:理論分析10/1/2023假設磁場沿z軸方向，取磁光介質中傳播的平面波為

:式中lx、ly、lz為光波矢的方向余弦。代入菲涅耳方程-由系數行列式為零，得到折射率n所滿所足的方程

:10/1/2023理論分析假設光波在立方晶體或各向同性介質中（）平行于磁化強度（z）方向（lx=ly=0，lz=1）傳播，得理論分析10/1/2023可見Ez=0，即介質中傳播的光波為橫波，相應的傳播模式為右旋和左旋的兩個圓偏振光波：代入菲涅耳方程

得，理論分析10/1/2023理論分析10/1/2023因此，沿x方向偏振的入射光經過長度為L的磁光介質后將偏轉一個角度這就是法拉第旋轉現象，α

為磁致旋光率。10/1/2023理論分析當磁化強度較弱，B與H為線性關系，即μ=μ0為常量。因而旋光率α

與外加磁場強度成正比,上式可寫成:式中V稱為韋爾德常數，它表示在單位磁場強度下線偏振光波通過單位長度磁光介質后偏振方向旋轉的角度。理論分析10/1/2023法拉第旋轉的特殊規律若：線偏振光返回后無法通過第一個偏振片，成為光隔離器。則:自然旋光物質左右旋與光的傳播方向無關；光沿磁場方向通過時，振動面右旋。光逆磁場方向傳播時，振動面左旋。光束一正一反兩次通過磁光介質時，振動面轉過角度

。法拉第旋轉的用途法拉第旋轉器的應用10/1/2023對于旋光現象的物理原因，可解釋為外加磁場使介質分子的磁矩定向排列，當一束線偏振光通過它時，分解為兩個頻率相同、初相位相同的兩個圓偏振光，其中一個圓偏振光的電矢量是順時針方向旋轉，稱為右旋圓偏振光，而另一個圓偏振光是逆時針方向旋轉的，稱為左旋圓偏振光。這兩個圓偏振光無相互作用地以兩種略有不同的速度

υ+＝c/nR和υ-＝c/nL傳播，它們通過厚度為L的介質之后產生的相位延遲分別為:所以兩圓偏振光間存在一相位差10/1/2023當它們通過介質之后，又合成為一線偏振光，其偏振方向相對于(3)θ

=

δ/2＝

π（nR

–nL）L/

λ可以看出，A’的偏振方向將隨著光波的傳播向右旋轉。這稱為右旋光效應。ARAL’δALθz入射光旋轉了一個角度。zA表示入射介質的線偏振光的振動方向，將振幅A分解為左旋和右旋兩矢量AL和AR

，假設介質的長度L使

右旋矢量AR剛轉回到原來的位置，此時左旋光矢量(由于vL≠vR

)轉到A’L，于是合成的線偏振光A’相對于入射光的偏振方向轉了A

一A’個角度θ，此值等于δ角的一半，即(2)10/1/2023英國物理學家麥克爾·法拉第（1791－1867），貧苦出身，幼年失學，在印刷廠當童工時學習零星的科學知識。1812年，聆聽戴維的講演，得到戴維的賞識，到了實驗室當一名刷瓶子工人。次年成為戴維的助手。游歷歐洲。在電化學方面顯示出卓越的實驗才能，1824年選為皇家學會會員。遭到戴維的妒忌，但法拉第一直心存感激。麥克爾·法拉第（1791－1867）10/1/2023法拉第1845年發現旋光效應；克爾1875年發現電克效應和1876年