《磁光效应及其应用.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《磁光效应及其应用.ppt（26页珍藏版）》请在三一文库上搜索。
1、5.4 磁光效应及其应用,5.4.1 晶体的旋光效应,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,自然旋光现象 1811 年, 阿喇果(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 5-18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(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 动方向转过的角度与在该介质中通过的距离l成正
2、比， =l 比例系数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 晶体的旋光率随光波长的变化规律如图 5-19 所示。 例如，石英晶体的在光波长为 0.4m时，为49/mm； 在0.5m时，为31/mm；在0.65 m时，为16/mm；而胆甾 相液晶的约为18 000/mm。,图 5-18 旋光现象,图 5-19 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， 式中,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。,=cl,实
3、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 5-20 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
4、干涉图样 时，图样的中心不是暗点，而几乎总是亮的。,图 5-20 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nR vR (或者nL nR) 。根据这一种
5、假设，可以解释旋 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 光，按照归一化琼斯矩阵方法, 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l的旋光介质后， 相位滞后分别为：,则其合成波的琼斯矢量为：,引入： 合成波的琼斯矢量可以写为：,它代表了光振动方向与水平方向成角的线偏振光。这说 明，入射的线偏振光光矢量通过旋光介质后，转过了角。由 此可以推得： 如果左旋圆偏振光传播得快,nL 0,即光矢量 是向逆时针方向旋转的,如果右旋圆偏振光传播得快,nR nL， 则0，即光矢量是向顺时针方向旋转的,这就说明了左、右旋 光介质的区别。而且, 上式还表明,旋转角度与l成正比，
6、与 波长有关(旋光色散)，这些都是与实验相符的。,3. 自然旋光现象的实验验证 菲涅耳棱镜组实验装置,图 5-21 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 5-21 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，vRvL，即nRvR，即nLvL,即nRnL。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
7、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。,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 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 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。 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 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
8、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 圆双折射，而将前面讨论的双折射现象称为线双折射。,5.4.2 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
9、应。观察法拉第效应的装置结构如图 5-22 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。,图 5-22 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： =VBl 式中，V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 5-1。,表 5-1 几种物质的维尔德常数 (用=0.589 3m的偏振光照明),实验表明，法拉第效应的旋光方向决定于外加
10、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 传播，迎着光线看，振动面向右旋转角度，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，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 2。,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 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 通过。这种器件的结构示意图如图5-23所示，让偏振片P1与 P2的透振方向成 45角，调整磁感应强度B，使从法拉第盒 出来的光振动面相对P1转过 45，于是，刚好能通过P2 ； 但对于从后面光学系统(例如激光放大器 2 等)各界面反射 回来的光，经P2和法拉第盒后，其光矢量与P1垂直，因此被 隔离而不能返回到光源。,图 5-23 法拉第光隔离器应用示意图,