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 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P1和检偏器P2,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。
3. 自然旋光现象的实菲涅耳棱镜组
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
速度不同，菲涅耳设计、制成了图 4 所示的、由左旋石英 和右旋石英交替胶合的三棱镜组，这些棱镜的光轴均与入射面
AB垂直。
一束单色线偏振光射入AB面，在棱镜 1 中沿光轴方向传 播，相应的左、右旋圆偏振光的速度不同，vR>vL，即nR<nL；
磁光效应及其应用
学号：31646057 姓名：段冬娟 专业：电子与通信工程
磁光效应及其应用
一、晶体的旋光效应 二、磁光效应——法拉第效应
三、磁光效应的应用
一、晶体的旋光效应
1、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
1、自然旋光现象
1811年, 阿拉戈(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1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，因而阿拉戈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。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θ 与在该介质 中通过的距离l成正比，θ =α l ，比例系数α 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α 随光波长的变化规律如图 2 所 示。
二、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，它是由法拉第于1846年首先发现的。1846年，法拉第发
传播，迎着光线看，振动面向右旋转角度θ ，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θ ，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 2θ 。
三、磁光效应的应用
以磁光材料为研究背景的磁光器件是一种非互易性旋光器件，在光信息处理、 光纤通信、共用天线光缆电视系统和计算机技术，以及工业、国防、宇航和医学 等领域有广泛的应用。目前已研制出来的磁光器件有：磁光偏转器、磁光开关和 调制器、隔离器、环行器、显示器、旋光器、磁强计、磁光盘存储器(可擦除光 盘)以及各类磁光传感器等。
图 1 旋光现象
图 2 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溶液 的浓度成正比，θ =α cl ，式中,α 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。
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 SiO2，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 3 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。
在棱镜 2 中，vL>vR，即nL<nR ;在棱镜3中,vR>vL,即nR<nL。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。
1.磁光存储
磁光存储材料是一种利用克尔磁光效应的磁写入光读出 来记录、改写、删除信息的载体材料。它汇聚了光存储和磁 存储的优点，已广泛应用于国家管理、军事、航空航天、石 油矿产、交通等需要大规模数据实时收集、记录、存储及分 析的领域。磁光存储材料主要有以下三种
图 5 法拉第效应
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：θ =VBl 叫维尔德常数。 式中，V是与物质性质有关的常数，
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
图 3 右旋石英与左旋石英
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vR和vL 相等，因而其相应的折射率Nr = c/ Vr和Nl = c/Vl 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，Vr > Vl (或者Vr< Vl )；在左旋晶体中，左旋圆 偏振光的传播速度较快，Vl > Vr (或者Vl < Vr) 。根据 这一种假设，可以解释旋光现象。