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2016/8/7
对自然旋光物质，振动面的左旋或右旋是由旋光物质本身决定的，与光 的传播方向无关 入射光 左旋

反射镜
反射光
左旋

反射镜
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对磁致旋光物质，因加了一定方向的磁场，光沿逆向传播，振动面旋向 相反
左旋 入射光 反射镜
当一束线偏振光通过时，分解为两个频率相同、初相位相同的两个圆偏
振光，一个电矢量是顺时针旋转（右旋），另一个是逆时针旋转（左旋）， 而且分别以 +＝c/nR和 -＝c/nL传播，当通过长L后产生的相位延迟分别为:
从而总相位差
1 2
2

(nR nL ) L
(2)
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2016/8/7
4 磁光效应（Magneto-optical effect）
• 旋光效应：当线偏振光沿光轴通过晶体后，偏振方向可以发生旋转。一般
的旋光晶体为弱磁材料，具有双折射和互易的旋光特性。
• 磁光效应：对于强磁材料或处于强磁场作用下的弱磁材料，其透射光以及 反射光会产生与材料的磁化强度或外加磁场强度相关的非互易的光学效应。
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2、理论分析
假设磁场沿z轴方向，取磁光介质中传播的平面波为 :
E (r , t ) E exp[i (t k r )] E{i[t k0 n(l x x l y y l z z )]}
式中lx、ly、lz为光波矢的方向余弦。
右旋 反射光

反射镜
B
B
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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
•
已知的磁光效应包括：Farady效应、Kerr效应、Zeeman效应、Voigt效应、
Cotton-Mouton效应（后二者也称为磁致双折射效应）
•
非互易：Farady旋转角θF和Kerr旋转角θ′F等表征磁光效应的参数都是磁场(H、 M）的线性函数，当磁场反向时， θF和θ′F都要改变符号。即光偏振面转动 方向仅由磁场H的方向决定，与光的传播方向与磁场同向还是反向无关。角 度叠加效应
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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。
ˆr E ] 0 代入菲涅耳方程 n [ E l (l E )
2
由系数行列式为零，得到折射率n所满所足的方程 :
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2、理论分析
n [ l l l ] n [( rx ry )(l l )
法拉第旋转器的应用
1、磁光开关与磁光调制器（点调制与空间调制）
2、 磁光光盘：光信息存储
3、隔离器：在光通信和级联式激光器系统中用以隔离后续系统反馈的光信号
4、偏频器：零锁区激光陀螺中通过产生偏频来消除激光陀螺的闭锁现象
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3、法拉第旋转的特殊规律
2、就第1题中的线偏振光，如果其传播方向与磁光介质的磁化强度方向 存在150的夹角，则该偏振光的偏振面将会旋转了多少。
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角的一半，即
A
A’
= /2＝ （nR – nL）L/
(3)
AL’
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。
AL

z
AR
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3、法拉第旋转的特殊规律
当通过磁光介质时，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。
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2016/8/7
3、法拉第旋转的特殊规律
当合成为一线偏振光时，其偏振方向将旋转了一个角度。
若将振幅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vL≠vR )转到A’L，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
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2016/8/7
电磁波
• 1832年电磁波的概念：“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。”
• 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 • 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
由于外加磁场的作用， 使E x , E y二者之间产生了额外 的相位差。E y 超前（或落后） E x相位 / 2。
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2、理论分析
2 E exp( i nz) x 0 E i exp(i 2 nz) exp(i 2 nz ) y 0 0 2
（1）自然旋光物质左右旋与光的传播方向无关
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2016/8/7
3、法拉第旋转的特殊规律
（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。
（3）光束一正一反两次通过磁光介质时，振动面转过角度
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。
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2016/8/7
《光电子技术》
Photoelectronic Technique
光束在磁光介质中的传播
主讲：周自刚
助教：范宗学
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旋光现象
1）旋光现象
冰洲石晶体无旋光现象
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2016/8/7
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
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2016/8/7
课后作业
1、一束波长为0.6328μm线偏振光经过长为20cm，半径为0.5cm的实心玻 璃时，若用6V恒定电源时，加在玻璃其外绕200匝导线（有效电阻为3Ω）后 ，则该偏振光的偏振面将旋转了多少（若韦尔代常数为0.2510-5 /cmT）。
F Vd ( H M ) L
γ：磁光系数 在没有发生磁饱和的情况下 H<< γ M
F Vd ML
外加磁场很强，导致磁化饱和
M →Ms, θF趋向饱和
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2016/8/7
6 Kerr效应
• 反射效应：在磁光晶体表面反射时，反射光相对于入射光产生非互易 性旋转，如线偏振光可由Kerr效应成为椭圆偏振反射光。 • 入射光与磁场方向的关系可分：极向、纵向和横向Kerr效应
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2016/8/7
法拉第
英国物理学家 （1791－1867）
• 1812年，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。
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转了一个角度。
3）旋光率：
d

：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
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2016/8/7
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。
的磁场强度H和光在介质中传播的长度L之积成正比，即
＝VHL
长度的磁光介质后偏振方向旋转的角度。
(1)
V称为韦尔代(verdet)常数，表示在单位磁场强度下线偏振光通过单位
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2016/8/7
1、法拉第旋转装置
布鲁斯特介质偏振片
旋转体
实物装置 简化原理
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光隔离器，环行器。
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2016/8/7
5 Farady旋转效应
• 透射效应，光传播方向与磁 场方向一致。 • 对于顺磁和抗磁介质（弱磁 介质） 其中Vd>0，右旋介质，Vd<0，左 旋介质。 • 对于铁磁或亚铁磁介质（强 磁介质）