講課磁光效應及其應用

1、學號：31646057姓名：段冬娟專業(yè)：電子與通信工程磁光效應及其應用磁光效應及其應用磁光效應及其應用一、一、晶體的旋光效應晶體的旋光效應二、二、磁光效應磁光效應法拉第效應法拉第效應三、三、磁光效應的應用磁光效應的應用一、一、晶體的旋光效應晶體的旋光效應1 1、自然旋光現(xiàn)象自然旋光現(xiàn)象2 2、自然旋光現(xiàn)象的理論解釋自然旋光現(xiàn)象的理論解釋3 3、自然旋光現(xiàn)象的實驗驗證自然旋光現(xiàn)象的實驗驗證1 1、自然旋光現(xiàn)象、自然旋光現(xiàn)象 18111811年年, , 阿拉戈阿拉戈(Arago)(Arago)在研究石英晶體的雙折射特性在研究石英晶體的雙折射特性時發(fā)現(xiàn)：一束線偏振光沿石英晶體的光軸方向傳播時，時發(fā)現(xiàn)

2、：一束線偏振光沿石英晶體的光軸方向傳播時，其振動平面會相對原方向轉(zhuǎn)過一個角度，如其振動平面會相對原方向轉(zhuǎn)過一個角度，如圖圖1 1所示。所示。由于石英晶體是單軸晶體，光沿著光軸方向傳播不會發(fā)由于石英晶體是單軸晶體，光沿著光軸方向傳播不會發(fā)生雙折射，因而生雙折射，因而阿拉戈阿拉戈發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)象應屬另外一種新現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)象應屬另外一種新現(xiàn)象，這就是旋光現(xiàn)象。稍后，比奧這就是旋光現(xiàn)象。稍后，比奧(Biot)(Biot)在一些蒸汽和液態(tài)在一些蒸汽和液態(tài)物質(zhì)中也觀察到了同樣的旋光現(xiàn)象。物質(zhì)中也觀察到了同樣的旋光現(xiàn)象。實驗證明，一定波實驗證明，一定波長的線偏振光通過旋光介質(zhì)時，光振動方向轉(zhuǎn)過的角度長的線偏振光

3、通過旋光介質(zhì)時，光振動方向轉(zhuǎn)過的角度與在該介質(zhì)中通過的距離與在該介質(zhì)中通過的距離l l成正比，成正比，= =l l ，比例系比例系數(shù)數(shù)表征了該介質(zhì)的旋光本領(lǐng)，稱為旋光率，它與光波表征了該介質(zhì)的旋光本領(lǐng)，稱為旋光率，它與光波長、介質(zhì)的性質(zhì)及溫度有關(guān)。介質(zhì)的旋光本領(lǐng)因波長而長、介質(zhì)的性質(zhì)及溫度有關(guān)。介質(zhì)的旋光本領(lǐng)因波長而異的現(xiàn)象稱為旋光色散，石英晶體的旋光率異的現(xiàn)象稱為旋光色散，石英晶體的旋光率隨光波長隨光波長的變化規(guī)律如的變化規(guī)律如圖圖 2 2 所示。所示。圖圖 1 1 旋光現(xiàn)象旋光現(xiàn)象 圖圖 2 2 石英晶體的旋光色散石英晶體的旋光色散 實驗還發(fā)現(xiàn)，不同旋光介質(zhì)光振動矢量的旋轉(zhuǎn)方向可能不同，并

4、因此將旋光介質(zhì)分為左旋和右旋。當對著光線觀察時， 使光振動矢量順時針旋轉(zhuǎn)的介質(zhì)叫右旋光介質(zhì)，逆時針旋轉(zhuǎn)的介質(zhì)叫左旋光介質(zhì)。例如，葡萄糖溶液是右旋光介質(zhì)，果糖是左旋光介質(zhì)。自然界存在的石英晶體既有右旋的，也有左旋的，它們的旋光本領(lǐng)在數(shù)值上相等，但方向相反。之所以有這種左、右旋之分，是由于其結(jié)構(gòu)不同造成的，右旋石英與左旋石英的分子組成相同，都是SiO2，但分子的排列結(jié)構(gòu)是鏡像對稱的，反映在晶體外形上即是圖 3 所示的鏡像對稱。正是由于旋光性的存在，當將石英晶片(光軸與表面垂直)置于正交的兩個偏振器之間觀察其會聚光照射下的干涉圖樣時，圖樣的中心不是暗點，而幾乎總是亮的。 對于具有旋光特性的溶液，光振

5、動方向旋轉(zhuǎn)的角度還與溶液的濃度成正比，=cl ，式中,稱為溶液的比旋光率；c為溶液濃度。在實際應用中,可以根據(jù)光振動方向轉(zhuǎn)過的角度,確定該溶液的濃度。圖圖 3 3 右旋石英與左旋石英右旋石英與左旋石英 2.2.自然旋光現(xiàn)象的理論解釋自然旋光現(xiàn)象的理論解釋 菲涅耳假設菲涅耳假設 1825 1825 年，菲涅耳對旋光現(xiàn)象提出了一種唯象的解釋。年，菲涅耳對旋光現(xiàn)象提出了一種唯象的解釋。按照他的假設，可以把進入旋光介質(zhì)的線偏振光看作是右旋圓按照他的假設，可以把進入旋光介質(zhì)的線偏振光看作是右旋圓偏振光和左旋圓偏振光的組合。菲涅耳認為：在各向同性介質(zhì)偏振光和左旋圓偏振光的組合。菲涅耳認為：在各向同性介質(zhì)中

6、，線偏振光的右、左旋圓偏振光分量的傳播速度中，線偏振光的右、左旋圓偏振光分量的傳播速度v vR R和和v vL L相等，相等，因而其相應的折射率因而其相應的折射率Nr = Nr = c c/ Vr/ Vr和和Nl = Nl = c/Vlc/Vl 相等；在旋光介相等；在旋光介質(zhì)中，右、左旋圓偏振光的傳播速度不同，其相應的折射率也質(zhì)中，右、左旋圓偏振光的傳播速度不同，其相應的折射率也不相等。在右旋晶體中，右旋圓偏振光的傳播速度較快，不相等。在右旋晶體中，右旋圓偏振光的傳播速度較快，VrVr VlVl ( (或者或者Vr Vr Vr ( Vr (或者或者VlVl Vr) v vL L，即，即n nR

7、 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，左旋光遠離法線方向折射，右旋光靠近法線上，左旋光遠離法線方向折射，右旋光靠近法線方向折射，于是左、右旋光分開了。在第二個界面方向折射，于是左、右旋光分開了。在第二個界面CECE上，左旋上，左旋光靠近法線方向折射，右旋光遠離法線方向折射，于是兩束光光靠近法線方向折射，右旋光遠離法線方向折射，于是兩束光更加分開了。在界面更加分開了。在界面CDCD上，兩束光經(jīng)折射后進一步分開。這個上，兩束光經(jīng)折射后進一步分開。這個實驗結(jié)果，證實了左、右旋圓偏振光傳播速度不同的假設。實驗結(jié)果

8、，證實了左、右旋圓偏振光傳播速度不同的假設。二二、磁光效應磁光效應 法拉第法拉第(Faraday)(Faraday)效應效應 上述旋光現(xiàn)象是旋光介質(zhì)固有的性質(zhì)，因此可以叫作自然圓雙折射。與上述旋光現(xiàn)象是旋光介質(zhì)固有的性質(zhì)，因此可以叫作自然圓雙折射。與感應雙折射類似，也可以通過人工的方法產(chǎn)生旋光現(xiàn)象。介質(zhì)在強磁場作用感應雙折射類似，也可以通過人工的方法產(chǎn)生旋光現(xiàn)象。介質(zhì)在強磁場作用下產(chǎn)生旋光現(xiàn)象的效應叫磁致旋光效應，或者簡稱為磁光效應。磁光效應，下產(chǎn)生旋光現(xiàn)象的效應叫磁致旋光效應，或者簡稱為磁光效應。磁光效應，又叫做法拉第效應，它是由法拉第于又叫做法拉第效應，它是由法拉第于18461846年首先

9、發(fā)現(xiàn)的。年首先發(fā)現(xiàn)的。18461846年，法拉第發(fā)年，法拉第發(fā)現(xiàn)，在磁場的作用下，本來不具有旋光性的介質(zhì)也產(chǎn)生了旋光性，能夠使線現(xiàn)，在磁場的作用下，本來不具有旋光性的介質(zhì)也產(chǎn)生了旋光性，能夠使線偏振光的振動面發(fā)生旋轉(zhuǎn)，這就是法拉第效應。觀察法拉第效應的裝置結(jié)構(gòu)偏振光的振動面發(fā)生旋轉(zhuǎn)，這就是法拉第效應。觀察法拉第效應的裝置結(jié)構(gòu)如圖如圖 5 5 所示：將一根玻璃棒的兩端拋光，放進螺線管的磁場中，再加上起偏所示：將一根玻璃棒的兩端拋光，放進螺線管的磁場中，再加上起偏器器P P1 1和檢偏器和檢偏器P P2,2,讓光束通過起偏器后順著磁場方向通過玻璃棒，光矢量的方讓光束通過起偏器后順著磁場方向通過玻璃

10、棒，光矢量的方向就會旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)的角度可以用檢偏器測量。向就會旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)的角度可以用檢偏器測量。圖圖 5 5 法拉第效應法拉第效應 后來，維爾德后來，維爾德(Verdet)(Verdet)對法拉第效應進行了仔細的研對法拉第效應進行了仔細的研究，發(fā)現(xiàn)光振動平面轉(zhuǎn)過的角度與光在物質(zhì)中通過的長度究，發(fā)現(xiàn)光振動平面轉(zhuǎn)過的角度與光在物質(zhì)中通過的長度l l和磁感應強度和磁感應強度B B成正比，即：成正比，即：= =VBl VBl 式中，式中，V V是與物質(zhì)性質(zhì)有關(guān)的常數(shù)，是與物質(zhì)性質(zhì)有關(guān)的常數(shù)，叫維爾德常數(shù)。叫維爾德常數(shù)。 實驗表明，法拉第效應的旋光方向決定于外加磁場方實驗表明，法拉第效應的旋光方向決定于外

11、加磁場方向，與光的傳播方向無關(guān)，即法拉第效應具有不可逆性，這向，與光的傳播方向無關(guān)，即法拉第效應具有不可逆性，這與具有可逆性的自然旋光效應不同。例如，線偏振光通過天與具有可逆性的自然旋光效應不同。例如，線偏振光通過天然右旋介質(zhì)時，迎著光看去，振動面總是向右旋轉(zhuǎn)，所以，然右旋介質(zhì)時，迎著光看去，振動面總是向右旋轉(zhuǎn)，所以，當從天然右旋介質(zhì)出來的透射光沿原路返回時，振動面將回當從天然右旋介質(zhì)出來的透射光沿原路返回時，振動面將回到初始位置。但線偏振光通過磁光介質(zhì)時，如果沿磁場方向到初始位置。但線偏振光通過磁光介質(zhì)時，如果沿磁場方向傳播，迎著光線看，振動面向右旋轉(zhuǎn)角度傳播，迎著光線看，振動面向右旋轉(zhuǎn)角度

12、，而當光束沿反，而當光束沿反方向傳播時，振動面仍沿原方向旋轉(zhuǎn)，即迎著光線看振動面方向傳播時，振動面仍沿原方向旋轉(zhuǎn)，即迎著光線看振動面向左旋轉(zhuǎn)角度向左旋轉(zhuǎn)角度，所以光束沿原路返回，一來一去兩次通過，所以光束沿原路返回，一來一去兩次通過磁光介質(zhì)，振動面與初始位置相比，轉(zhuǎn)過了角度磁光介質(zhì)，振動面與初始位置相比，轉(zhuǎn)過了角度 2 2。三、三、磁光效應的應用磁光效應的應用 以磁光材料為研究背景的磁光器件是一種非互易性旋光器件，在光信息處理、光纖通信、共用天線光纜電視系統(tǒng)和計算機技術(shù)，以及工業(yè)、國防、宇航和醫(yī)學等領(lǐng)域有廣泛的應用。目前已研制出來的磁光器件有：磁光偏轉(zhuǎn)器、磁光開關(guān)和調(diào)制器、隔離器、環(huán)行器、顯示

13、器、旋光器、磁強計、磁光盤存儲器(可擦除光盤)以及各類磁光傳感器等。1.1.磁光存儲磁光存儲 磁光存儲材料是一種利用克爾磁光效應的磁寫入光讀出來記錄、改寫、刪除信息的載體材料。它匯聚了光存儲和磁存儲的優(yōu)點，已廣泛應用于國家管理、軍事、航空航天、石油礦產(chǎn)、交通等需要大規(guī)模數(shù)據(jù)實時收集、記錄、存儲及分析的領(lǐng)域。磁光存儲材料主要有以下三種、鉍系合金薄膜、鉍系合金薄膜：Mn Bi 薄膜是研究最早的磁光存儲材料之一。但因其存在居里溫度高（360）、磁光旋轉(zhuǎn)角偏小、信噪比低、存在強烈的晶界散射等缺點而使其應用與發(fā)展受到大大的限制。、稀土、稀土- -過渡金屬非晶膜（過渡金屬非晶膜（RE-TMRE-TM）：）

14、：RE-TM是近期研究比較多的磁光存儲材料之一。RE-TM信噪比較高，且易于在各種襯底上制備大面積均勻膜。但其存在磁光效應不夠大、易氧化、化學穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性差等缺點，不利于信息的長期可靠存儲。、稀土鐵石榴石：、稀土鐵石榴石：稀土鐵石榴石被公認為是最有應用前景的新一代磁光存儲介質(zhì)。此類晶體的物理化學性能穩(wěn)定，耐腐蝕，耐高溫，磁光偏轉(zhuǎn)角大，且在近紅外波段透明，可制成多層膜磁光盤。2 2、磁光調(diào)制器磁光調(diào)制器 磁光調(diào)制器是利用偏振光通過磁光介質(zhì)發(fā)生偏振面旋轉(zhuǎn)來調(diào)制光束的。磁光調(diào)制器可用作紅外檢測器的斬波器、紅外輻射高溫計、高靈敏度偏振計，還可用于顯示電視信號的傳輸、測距裝置以及各種光學檢測和傳輸系

15、統(tǒng)。早先用來做磁光調(diào)制器的是磁光玻璃，后來出現(xiàn)了釔鐵石榴石（YIG），在1.15.5m 波長區(qū)有高的透明度和比法拉第角。摻 Ga 的 YIG 單晶外延薄膜式磁光材料的比法拉第角高達 103104rad/cm，且對可見光也有一定透明度，更適宜制作磁光調(diào)制器。3 3、光纖電流傳感器、光纖電流傳感器 利用 Faraday 效應可以制成光纖電流傳感器，與傳統(tǒng)的電磁式電流傳感器相比，具有絕緣性能優(yōu)良、動態(tài)范圍大、頻率響應寬、抗電磁干擾能力強、體積小、重量輕、易與數(shù)字設備接口等優(yōu)點。但由于傳感光纖繞成環(huán)形會引起線性雙折射，降低傳感器的精度，同時使信號輸出隨溫度的變化而失真，因此克服光纖內(nèi)線性雙折射問題是十

16、分關(guān)鍵的技術(shù)。 目前，國外在這方面的研究已取得很大進展，如日本東芝公司和電力公司最近研制出的扭轉(zhuǎn)型光纖對消除線性雙折射效果顯著。為了提高磁光效應的靈敏度，開始考慮采用順磁性玻璃，尤其是Tb3+摻雜法拉第磁光玻璃，因其 Verdet 常數(shù)大，光透過率高，具有廣闊的應用前景。4 4、 磁光開關(guān)磁光開關(guān) 磁光開關(guān)采用的物理機理是法拉第效應，通過控制磁光晶體的磁化強度進而控制傳輸光偏振面的旋轉(zhuǎn)。通過外加磁場的改變來改變磁光晶體對入射偏振光偏振面的作用，從而達到切換光路的效果。磁光開關(guān)有塊狀、薄膜狀和光纖型三種。相對其他非機械式光開關(guān)而言，磁光開關(guān)具有速度快、磁滯小、耗能小、穩(wěn)定性好、驅(qū)動電壓低、串擾小

17、、體積小、易于高度集成等優(yōu)點，并且其整體結(jié)構(gòu)柔性可彎曲，可卷成光纖圈，靈敏度相對提高。但是，磁光開關(guān)的不足之處在于磁光材料的性能有待于進一步的改善和優(yōu)化，以增高透光率和降低損耗。 磁光材料和磁光器件大多涉及高技術(shù)領(lǐng)域，是技術(shù)密集、知識密集型的尖端項目，又是具有顯著經(jīng)濟和社會效益的項目，有著誘人的發(fā)展前景。因此，對磁光材料和磁光器件的深入研究顯得尤為重要和迫切。近年來，對磁光特性的研究也日益深入，新的磁光材料不斷發(fā)現(xiàn)。目前，相對于材料實驗研究的進展，理論研究方面還有待加強，如進一步研究磁光效應產(chǎn)生的物理機制和磁光材料光吸收的本質(zhì)，以便更好地運用理論來指導和解決生產(chǎn)和實踐中遇到的問題，以制備出適合

18、于器件要求的高性能磁光材料和磁光器件。參考文獻：參考文獻：1 周靜, 王選章, 謝文廣. 磁光效應及其應用J. 現(xiàn)代物理知識, 2005, 17(5): 47-49. 2 趙建林.光學M. 北京: 北京高等教育出版社, 2005. 311-312. 3 祈學孟 . 一種高弗爾德常數(shù)磁敏旋光玻璃 : 中國 , 951062794 P. 1996-6-19. 4 周蓓明, 王標, 毛涵芬, 等. TG28 磁光玻璃J. 中國激光, 1996, 23: 857-860. 14 潘應天, 劉賢德, 李再光. 磁性液體磁光特性及其應用研究J. 紅外技術(shù), 1992, 14(5): 41-45. 15 任廣軍, 姚建銓, 王鵬, 等. 液晶磁致旋光的研究J.物理學報, 2007, 56(2): 994-998. 16 黃敏, 張守業(yè). 石榴石型磁光存儲材料J. 材料科學與工程, 1997, 15(4): 43-46. 17 艾延寶, 金永君. 法拉第磁致旋光效應及應用J. 物理與工程, 2002, 12(5): 50-51. 18 徐時清, 楊中民, 戴世勛, 等. Tb 摻雜 Faraday 磁光玻璃的研究進展J. 硅酸鹽學報, 2003, 31(4): 377-381. 謝謝！謝謝！ 磁旋光材料的應用 2、磁光調(diào)制 設由交變電流產(chǎn)生的交變磁場引起的法拉第旋轉(zhuǎn)角 為 ，