1、5.4 5.4 磁光效应及其应用磁光效应及其应用5.4.1 5.4.1 晶体的旋光效应晶体的旋光效应5.4.2 5.4.2 磁光效应磁光效应法拉第效应法拉第效应5.4.3 5.4.3 磁光效应的应用磁光效应的应用5.4.1 5.4.1 晶体的旋光效应晶体的旋光效应1.1.自然旋光现象自然旋光现象2.2.2.2.自然旋光现象的理论解释自然旋光现象的理论解释3.3.3.3.自然旋光现象的实验验证自然旋光现象的实验验证1.1.自然旋光现象自然旋光现象 1811 1811 年年,阿喇果阿喇果(Arago)(Arago)在研究石英晶体的双折射特性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
2、光轴方向传播时，其振时发现：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，如图动平面会相对原方向转过一个角度，如图 5-18 5-18所示。由于所示。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，比奥光现象。稍后，比奥(Biot)(Biot)在一些蒸汽和液态物质中也观察在一些蒸汽和液态物质中也观察到了同样的旋光现象。到了同样的旋光现象。实验证明，一定波长的线偏振光通过旋光介质时，光振实验证明
3、，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动方向转过的角度与在该介质中通过的距离与在该介质中通过的距离l l成正比，成正比，=l l 比例系数比例系数表征了该介质的旋光本领，称为旋光率，它与光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。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，石英晶体的旋光率晶体的旋光率随光波长的变化规律如图随光波长的变化规律如图 5-19 5-19 所示。所示。例如，石英晶体的例如，石英晶体的在光波长为在光波长为 0.4 0.4m m时，为时，为4949/m
4、m/mm；在在0.50.5m m时，为时，为3131/mm/mm；在；在0.65 m0.65 m时，为时，为1616/mm/mm；而胆甾；而胆甾相液晶的相液晶的约为约为18 00018 000/mm/mm。图图 5-18 5-18 旋光现象旋光现象 图图 5-19 5-19 石英晶体的旋光色散石英晶体的旋光色散 对于具有旋光特性的溶液，光振动方向旋转的角度还与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，溶液的浓度成正比，式中式中,称为溶液的比旋光率；称为溶液的比旋光率；c c为溶液浓度。在实际应为溶液浓度。在实际应用中用中,可以根据光振动方向转过的角度可以根据光振动方向转
5、过的角度,确定该溶液的浓度。确定该溶液的浓度。=cl 实验还发现，不同旋光介质光振动矢量的旋转方向可能不实验还发现，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，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
6、在数值上相等，但方向相反。之所以有这的，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，都是石英的分子组成相同，都是SiOSiO2 2，但分子的排列结构是镜像对，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称的，反映在晶体外形上即是图 5-20 5-20 所示的镜像对称。所示的镜像对称。正是由于旋光性的存在，当将石英晶片正是由于旋光性的存在，当将石英晶片(光轴与表面垂直光轴与表面垂直)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置于正交的两个偏振器之
7、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。时，图样的中心不是暗点，而几乎总是亮的。图图 5-20 5-20 右旋石英与左旋石英右旋石英与左旋石英 2.2.自然旋光现象的理论解释自然旋光现象的理论解释 菲涅耳假设菲涅耳假设 1825 1825 年，菲涅耳对旋光现象提出了一种唯象的解释。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。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、左旋菲涅耳认为：在各向同性介质中，线偏
8、振光的右、左旋圆偏振光分量的传播速度圆偏振光分量的传播速度v vR R和和v vL L相等，因而其相应的折射率相等，因而其相应的折射率n nR R=c c/v vR R 和和n nL L=c/vc/vL L 相等；在旋光介质中，右、左旋圆偏相等；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。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，在右旋晶体中，右旋圆偏振光的传播速度较快，v vR R v vL L (或者或者n nR R v vR R (或者或者n nL L n nR R)。根据这一种假设，可以解释旋。根据这一种假设，可以解
9、释旋光现象。光现象。假设入射到旋光介质上的光是沿水平方向振动的线偏振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光，按照归一化琼斯矩阵方法,可以把菲涅耳假设表示为：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如果右旋和左旋圆偏振光通过厚度为l l的旋光介质后，的旋光介质后，相位滞后分别为：相位滞后分别为：i121112101lnlklnlkLLLRRR22则其合成波的琼斯矢量为：则其合成波的琼斯矢量为：21)(21)(21)(1121121121121121LRLRLRLRLRkkikkikkililiiieieieeieieieiE引入：引入：合成波
10、的琼斯矢量可以写为：合成波的琼斯矢量可以写为：2)(2)(lkklkkLRLRsincos)(21)(21iiiiiieeeeeeE 它代表了光振动方向与水平方向成它代表了光振动方向与水平方向成角的线偏振光。这说角的线偏振光。这说明，入射的线偏振光光矢量通过旋光介质后，转过了明，入射的线偏振光光矢量通过旋光介质后，转过了角。由角。由此可以推得：此可以推得：如果左旋圆偏振光传播得快如果左旋圆偏振光传播得快,n nL L 0,0,即光矢量即光矢量是向逆时针方向旋转的是向逆时针方向旋转的,如果右旋圆偏振光传播得快如果右旋圆偏振光传播得快,n nR R n nL L，则则0 v vL L，即，即n n
11、R R v vR R，即，即n nL L v vL L,即即n nR R n nL L。所。所以，在界面以，在界面AEAE上，左旋光远离法线方向折射，右旋光靠近法线上，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。在第二个界面方向折射，于是左、右旋光分开了。在第二个界面CECE上，左旋上，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。在界面更加分开了。在界面CDCD上，两束光经折射后进一步分开。这个上，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。实验结果，
12、证实了左、右旋圆偏振光传播速度不同的假设。当然，菲涅耳的解释只是唯象理论，它不能说明旋光现当然，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。光矢量振动方向
13、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，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。圆双折射，而将前面讨论的双折射
14、现象称为线双折射。5.4.2 5.4.2 磁光效应磁光效应 法拉第法拉第(Faraday)(Faraday)效应效应 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，它是由法拉第于第效应法拉第效应，它是由法拉第于1846年
15、首先发现的。年首先发现的。1846 1846年，法拉第发现，在磁场的作用下，本来不具有旋年，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 5-22 所示：将一根玻璃棒的两端抛光，放进螺线管的磁场所示：将一根玻璃棒的两端抛光，放进螺线管的磁场中，再加上起偏器中，再加上起偏器P P1 1和检偏器和检偏器P P2 2,让光束通过起偏器后顺着让光束通过起偏器后顺着磁场方向通过玻璃棒，光矢量的
16、方向就会旋转，旋转的角度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。可以用检偏器测量。图图 5-22 5-22 法拉第效应法拉第效应 后来，维尔德后来，维尔德(Verdet)(Verdet)对法拉第效应进行了仔细的研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 l和磁感应强度和磁感应强度B B成正比，即：成正比，即：=VBlVBl 式中，式中，V V是与物质性质有关的常数，叫维尔德常数。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一些常用物质的维尔德常数列于表
17、5-1 5-1。表表 5-1 5-1 几种物质的维尔德常数几种物质的维尔德常数(用用=0.589 3m=0.589 3m的偏振光照明的偏振光照明)物物 质质 温温 度度/C V/弧度弧度/(特特米米)磷冕玻璃磷冕玻璃轻火石玻璃轻火石玻璃水晶水晶(垂直光轴垂直光轴)食盐食盐水水磷磷二硫化碳二硫化碳 18182016203320 4.869.224.8310.443.8138.5712.30 实验表明，法拉第效应的旋光方向决定于外加磁场方实验表明，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
18、的自然旋光效应不同。例如，线偏振光通过天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，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传播，迎着光线看，振动面向右旋转角度，而当光束沿反，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方向传播时，振动面仍沿原方向旋转，即迎着光线
19、看振动面向左旋转角度向左旋转角度，所以光束沿原路返回，一来一去两次通过，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，转过了角度磁光介质，振动面与初始位置相比，转过了角度 2 2。由于法拉第效应的这种不可逆性，使得它在光电子技术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，而不允许反向应制成光隔离器，只允许光从一个方向通过，而
20、不允许反向通过。这种器件的结构示意图如图通过。这种器件的结构示意图如图5-235-23所示，让偏振片所示，让偏振片P P1 1与与P P2 2的透振方向成的透振方向成 45 45角，调整磁感应强度角，调整磁感应强度B B，使从法拉第盒，使从法拉第盒出来的光振动面相对出来的光振动面相对P P1 1转过转过 45 45，于是，刚好能通过，于是，刚好能通过P P2 2 ；但对于从后面光学系统但对于从后面光学系统(例如激光放大器例如激光放大器 2 2 等等)各界面反射各界面反射回来的光，经回来的光，经P P2 2和法拉第盒后，其光矢量与和法拉第盒后，其光矢量与P P1 1垂直，因此被垂直，因此被隔离而不能返回到光源。隔离而不能返回到光源。图图 5-23 5-23 法拉第光隔离器应用示意图法拉第光隔离器应用示意图
