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晶体磁光效应 引 言 外加磁场作用所引起材料的光学各向异性称为磁光效应。 1845 年，法拉第（ M. Faraday）在探索电磁现象和光学现象之间的联系时发现：当一束平面偏振光穿过非旋光性介质时，如果给介质沿光的传播方向加上磁场，就会观察到光经过介质后偏振面转过α角度（即磁场使介质具有了旋光性），这种磁光效应称为法拉第效应。法拉第效应在许多方面都有应用。它可以作为物质结构研究的手段，比如，根据结构不同的碳氢化合物其法拉第效应的表现不同来分析碳氢化合物;在半导体物理的研究中 , 它可以用来测量载流子的有效质量和提供能带结构的知识；在电工测量中，它还被用来测量电路中的电流和磁场；在激光通讯、激光雷达技术中，利用法拉第效应可制成光频环行器、调制器等重要器件；特别是在激光技术中，利用法拉第效应，可制成光波隔离器或单通器，这些在激光多级放大技术和高分辨激光光谱技术都是不可缺少的器件。 1.实验原理 磁光效应的物理起因 我们知道，两个同频率的垂直简谐振动能够合成为一个圆运动，同样，一个圆运动可以分解成一对相互垂直的简谐振动。 图1 左右旋圆运动合成直线简谐运动 现在我们要讨论的是：一个直线简谐振动可以分解为一对圆运动（即左旋圆偏振和右旋圆偏振为磁光介质中光波的两种传播简谐模式，这就是把一个直线简谐振动分解为一对圆运动的原因）。如图 1，EL和ER是两个大小相等（皆为 A）而不变的旋转矢量。它们的角速度（±ω）大小相等方向相反。设在 t=0 时刻它们沿某一方向重合（图 1(a)），由于过任意时刻Δ t 后两个矢量的角位移（±ω t） 也大小相等方向相反，它们的合矢量 E总保持在原来的方向上（图 1(b) ），这时 E的瞬时值为： E=2Acosωt 由此可见，EL和ER两个旋转矢量合成一个沿直线作简谐振动的矢量 E，其振幅为 2A，方向永远在EL,ER瞬时位置的角平分线上。上述结论也可以反过来叙述：即一个沿直线作简谐振动的矢量 E，可以分解成一对左、右旋的旋转矢量EL和ER，它们的大小是矢量 E振幅之半，角速度的大小是矢量 E的角频率ω. 运用这个原理到光学，就是线偏振光可以分解成左、右旋圆偏振光，而左、右旋圆偏振光可以合成为线偏振光。 为了解释旋光性，菲涅尔作了如下假设：在旋光晶体中，线偏振光沿光轴传播时分解成左旋和右旋圆偏振光（ L光和 R光），它们的传播速度 UL和 VR略有不同，或者说二者折射率 nL=C/vL, nR=C/vR不同， 图2 旋光性的解释 因而经过旋光晶体时产生不同的位相滞后： φL=2πnld/λ φR=2πnRd/λ 当光束穿出晶体后左、右旋圆偏振光的速度恢复一致，我们又可以把它们合成起来考虑，如前所述，它们合成为一个线偏振光，其偏振方向在EL、 ER瞬时位置的角平分线上（图 2）。由图2（ b） 不难看出，此方向相对于原来的竖直方向转过了一个角度φ ，其大小为：（φR -φL）/2 上式表明，偏振面旋转的角度φ 是与旋光晶片的厚度 d成正比的，当nRnl时，φ 0，晶体是左旋的；当nRnl时，φ 0，晶体是右旋的。 磁致旋光：法拉第旋转 一束线偏振光通过具有磁矩的物质后，其偏振面相对于入射线偏振光发生了一定的旋转，这个现象称为法拉第磁光效应。法拉第旋转角为： ΘF为光传播方向单位长度的旋转角，称为法拉第旋光率； V叫维尔德常数； B 为磁感应强度。 应当注意：当光传播方向反转时，法拉第旋转的左右方向互换，这一点与自然旋光物质很不同，那里左、右旋是由旋光物质决定的，与光的传播方向是否反转无关。 倍频法测量法拉第旋转角 根据 Malus 定律，经过起偏器，再经检偏器输出的光强为： I(a)=I0cos2a 式中 a 为起偏器和检偏器光轴之间的夹角， I0 为 a=0时的输出光强。在两个偏振器之间插入一个由磁化线 圈 交变磁化了的磁光石榴石单晶式单晶薄膜样品，构成一 个 磁光调制器，如图3 所示。设由交变电流产生的交变磁 场 H引起的交变法拉第旋转角为 θ′，则如图 3 系统的输出 光 强度为： I(a +θ’) = I0 cos2 (a +θ’) = (I0 / 2)[1 + cos 2(a +θ’)] 当用正弦电流输入调制线圈，则在垂直石榴石单 图3 磁光调制器 晶薄膜平面的方向上产生一个正弦变化交变磁场，由此引起的交变法拉第旋转角 θ′为：θ ‘=θ0 ‘sinωt。式中θ0’ 是交变法拉第旋转角θ′的幅度，称为调制幅度。 图3 磁光调制器 由上可知，当α一定时，输入光强I仅随 θ′变化，而θ′是受磁场 H控制的，因此 I 随 H而变化，这就是光强的磁光调制。显然，由于交变磁场 H引起的法拉第旋转使输出光强幅度变化（