磁光效应

磁光效应目录磁光效应原理•法拉第效应基本概述磁光材料介电常数各向异性•对各向同性材料外加磁场•材料本身的铁磁性磁光效应当今具体应用•光纤电流传感器优点•具体的操作引言自然界中存在一些物质，当线偏振光沿光轴方向通过这些物质后，其偏振面会发生旋转，即发生旋光现象，称之为自然旋光。旋光现象最早由阿拉果在石英晶体中发现，随后毕奥发现一些各向同性的气体和液体也具备该特性；而一些不具备自然旋光本领的晶体在磁场的作用下，偏振面产生偏转的现象称为磁光效应，该现象由法拉第首次发现，也称为法拉第效应。参考文献——孙鉴,耿铭阳,姚亚峰,等.自然旋光与法拉第效应的实验研究[J].光学仪器,2014,36(3):224-227.一、法拉第效应1845年，迈克尔·法拉第发现当偏振光通过强磁场中的玻璃后，出射的光偏振方面发生了改变。通过进一步的研究,法拉第发现在许多固体,液体和气体中都存在这种现象。这种磁场作用下线偏振光偏振面发生旋转的现象便被称为法拉第旋光效应,简称法拉第效应,如图2.1参考文献——张昊.环形结构全光纤电流传感器研究[D].福建师范大学,2014.在磁场作用下发生的法拉第效应，显然是光波与材料、磁场互相作用产生的旋光现象。1854年，法国物理学家埃米尔·费尔德指出，法拉第效应中偏振光旋转角度正比于磁场强度以及磁场与光波前进方向夹角余弦。实验还证明,旋转角度也与介质长度成正比,因此,可以得到旋转角度的表达式:Ω=𝑉𝐻ⅆ𝑙𝐿该式表示法拉第效应由光波在介质中前进距离和磁场大小以及材料系数V决定。V是以费尔德的名字命名的费尔德常数，代表了材料对磁光效应的敏感性。法拉第效应可以由菲涅尔对旋光性的解释得出，通常，如图2.2介质中的线偏振光可以分解成两个旋转方向相反的圆偏振光。由于两束圆偏振光的角速度大小相同,方向相反,如果在各向均匀的介质中,经过任意时间Δ𝑡,他们的转过的角位移也是大小相同方向相反。因此,两者的合成矢量依然是原来的线偏振光。在自然旋光晶体中,对应左右旋圆偏振光的折射率不同，而光在磁场的作用下，同样也会有这样的效应产生。磁场作用下，经过一定长度的传播后,两种圆偏振光转过的角度将大小不同，如图2.3。二、磁光效应介电常数一般的，在没有外加磁场的情况下，二氧化硅为各向同性吸收材料，相对介电常数值取一个常数：参考内容——谷歌学术磁光效应介电常数特别地，在磁光材料中存在的磁场（外部施加的或者由于材料本身铁磁性）会引起材料的介电常数张量ε的变化。ε变为各向异性3×3矩阵，具有复杂的非对角线分量，其值取决于入射光的频率ω。如果吸收损失可以忽略不计，ε是一个Hermitian矩阵。忽略吸收损耗，Hermitianε的最一般形式是：ε=𝜀𝑥𝑥′𝜀𝑥𝑦′+𝑖𝑔𝑥𝜀𝑥𝑥′−𝑖𝑔𝑦𝜀𝑥𝑦′−𝑖𝑔𝑥𝜀𝑥𝑥′𝜀𝑦𝑧′+𝑖𝑔𝑥𝜀𝑥𝑥′+𝑖𝑔𝑥𝜀𝑦𝑥′−𝑖𝑔𝑥𝜀𝑧𝑧′由此产生的主轴也变得复杂，它对应的椭圆偏振光，其分解而成的左旋和右旋旋转偏振可以以不同的速度传播。参考文献——ZvezdinAK,KotovVA.ModernMagnetoopticsandMagnetoopticalMaterials:StudiesinCondensedMatter[M].1997.其中g是一个伪矢量，叫做回旋矢量（gyrationvector），它的量级比对称矩阵𝜀′要小很多，g的方向被叫做材料的旋转轴，g与外加磁场成比例。g=𝜀0𝜒(𝑚)𝐻𝜒(𝑚)是磁光效应中材料的磁化率。在xyz坐标下，当g的旋转轴放在z方向，即电磁波沿着z轴传输时，介电常数可简化为：𝜀=𝜀1000𝜀1000𝜀0+0−𝑖𝑔0𝑖𝑔00000参考文献——ZvezdinAK,KotovVA.ModernMagnetoopticsandMagnetoopticalMaterials:StudiesinCondensedMatter[M].1997.四、磁光效应在电流传感上的应用与电磁式电流互感器(CT)相比,基于光学、微电子、微机技术的光纤式电流传感器(OFCT),具有：无铁心、绝缘结构简单可靠。体积小、重量轻线性度好、动态范围大、无饱和现象,输出信号可直接与微机化计量及保护设备接口等优点。参考文献——邓隐北,彭晓华.光纤电流传感器的工作原理及应用[J].上海电力,2008(6):550-552.将各向同性吸收体放入磁场：光纤式电流传感器（OFCT）主要由传感头、输送与接收光纤、电子回路等三部分组成,如图1所示：令检偏器与入射线偏振光夹角为根据马吕斯定律，则通过检偏后的光强为:𝐽=𝐴2cos2（𝜑−Ω）将光强J对φ求导，可以得到检光强的极大值在𝜑=±𝜋时,这意味着检偏器与输入偏振光最佳夹角为45°，代入上式,考虑到通常情况下电流引起的偏转角度Ω很小，可以得到:𝐽=𝐴221±sin（2Ω）≈𝐴221±2Ω容易看出,将交流部分𝐴2∙Ω除以直流部分𝐴22即可得到2倍偏转角2Ω。因此，通过检测光强的大小可以得到电流大小。各向异性吸收体的磁光第效应：H1是金H2是连续的电介质层，介电常数为2H3是掺铋钇铁石榴石Bi-substitutedyttriumirongarnetM是玻璃，介电常数为2.13参考文献——LeiC,LiD,ChenL,etal.Enhancementofmagneto-opticalFaradayeffectsandextraordinaryopticaltransmissioninatri-layerstructurewithrectangularannulararrays[J].OpticsLetters,2016,41(4):729.Bi:YIG本身就是种铁磁材料：𝜀xx=𝜀yy=𝜀zz=5.5+𝑖0.0025𝑔x=𝑔𝑦=0，𝑔𝑧=1−𝑖0.15×10−2当通过矩形环形阵列的光穿过Bi：YIG薄膜时，由于与MO介电层中的磁化M耦合，将产生电场另一个分量Ey（即，横向电（TE）偏振光），这可以归因于极化方向的变化以及法拉第旋转的产生。因此，法拉第旋转𝜙𝐹可以描述为𝜙𝐹=arctan（𝐸𝑦𝐸𝑥），其中，𝜙𝐹的实部表示法拉第旋转角，虚部表示法拉第椭圆率。谢谢！