法拉第效应

晶体的旋光效应(Rotationeffectincrystals)1．旋光现象1811年,阿喇果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。石英光轴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，该现象应属另外一种新现象,这就是旋光现象。1．旋光现象石英光轴比奥在蒸汽和液态物质中也观察到了同样的旋光现象。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成正比:(118)l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。1．旋光现象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所示。1．旋光现象400500600700204060/nmP红紫1．旋光现象例如,石英晶体的在:400500600700204060/nm在0.4m时，为490/mm；在0.5m时，为310/mm；在0.6m时，为160/mm。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：(119)cl称为溶液的比旋光率；c为溶液浓度。可以根据光振动方向转过的角度，确定该溶液的浓度。1．旋光现象不同旋光介质光振动矢量的旋转方向不同,并因此将旋光介质分为左旋和右旋。1．旋光现象石英光轴对着光线观察,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。1．旋光现象右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。1．旋光现象当将石英晶片置于正交的两个偏振器之间观察其会聚光照射时,图样的中心不是暗点，而几乎总是亮的。1．旋光现象P1P2石英2．旋光现象的解释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R和L相等,因而其相应的折射率nR＝c/R和nL＝c/L相等。2．旋光现象的解释而在右、左旋光介质中，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,RL；左旋晶体中，左旋圆偏振光的传播速度较快，LR。LLRR//ncnc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111110ii222．旋光现象的解释x方向振动的线偏振光、振动方向与x轴成角的线偏振光、左旋圆偏振光、右旋圆偏振光的标准归一化琼斯矢量形式分别为：1cos,,1122,i0si22in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RRRLLL2π(120)2πklnlklnl2．旋光现象的解释nl则其合成波的琼斯矢量为RLRLRLRLRLiiiii()i()i()22211111111eeeeiiii2222111=eeeii2klkllllkkkkkkE引入RLRL()2(121)()2lkklkk2．旋光现象的解释合成波的琼斯矢量可以写为iiiiii1ee)cos2ee(122)1sinee)2E（（它代表了光振动方向与水平方向成角的线偏振光。2．旋光现象的解释iiiiii1ee)cos2ee(122)1sinee)2E（（RLRLRLi()i()i()222111=eeeii2lllkkkkkkERLRL();()(121)22llkkkk2．旋光现象的解释入射的线偏振光光矢量通过旋光介质后，转过了角:RLiii1111eeii22cose122sin111110ii22EE（）10x方向振动的线偏振光振动方向与x轴成角的线偏振光cossinRLπ()(123)nnl2．旋光现象的解释由(120)式和(l21)式可以得到RRRLLL(1202π)π2klnlklnlRLRL()2((121))2lklkkk如果左旋圆偏振光传播得快，nL＜nR，则＞0，即光矢量是向逆时针方向旋转的。2．旋光现象的解释RLπ()(123)nnl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。2．旋光现象的解释(123)式还指出，旋转角度与l成正比,与波长有关，这些都是与实验相符的。RLπ()(123)nnl400500600700204060/nm为了验证旋光介质中传播速度不同，菲涅耳设计成了由左旋石英和右旋石英交替胶合的三棱镜组，其光轴均与入射面AB垂直。2．旋光现象的解释ABCDERRLLR123一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,RL;棱镜2中，LR;棱镜3中，RL。2．旋光现象的解释ABCDERRLLR123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。2．旋光现象的解释ABCDERRLLR123LRLRnn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。2．旋光现象的解释ABCDERRLLR123RLRLnn在界面CD上,两束光经折射后进一步分开。实验结果,证实了左、右旋圆偏振光传播速度不同的假设.2．旋光现象的解释ABCDERRLLR123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。2．旋光现象的解释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。将旋光现象与双折射现象进行对比: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。2．旋光现象的解释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。法拉第效应(Faradayeffect)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，或法拉第效应。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，这就是法拉第效应。法拉第效应(Faradayeffect)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。P1P2EE磁场法拉第效应(Faradayeffect)维尔德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(124)VBl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下表中。法拉第效应(Faradayeffect)物质温度/℃V/[弧度/(特米)]磷冕玻璃轻火石玻璃水晶[垂直光轴]食盐水磷二硫化碳181820162033204.899.224.8310.443.8138.5712.30*用＝0.589m的偏振光照明。几种物质的维尔德常数法拉第效应(Faradayeffect)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。法拉第效应(Faradayeffect)法拉第效应(Faradayeffect)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。法拉第效应(Faradayeffect)线偏振光通过磁性介质时，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。法拉第效应(Faradayeffect)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。输入光束激光放器1激光放器2输出磁致旋光材料螺线管P1改进型格-汤棱镜P2(与P1成450的格-汤棱镜)让偏振片P1与P2的透振方向成450,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450。于是,刚好能通过P2。输入光束激光放器1激光放器2输出磁致旋光材料螺线管P1改进型格-汤棱镜P2(与P1成450的格-汤棱镜)法拉第效应(Faradayeffect)但对于从后面光学系统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。输入光束激光放器1激光放器2输出磁致旋光材料螺线管P1改进型格-汤棱镜与P1成450的格-汤棱镜法拉第效应(Faradayeffect)