磁光效应与磁光材料
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c 光的偏振的含义
光的电磁理论建立以后，光的横波性才得以完满说明：在自由空间传播的光波 是一种纯粹的横波，光波中沿横向振动着的物理量是电场矢量和磁场矢量，鉴 于在光和物质的相互作用过程中主要是光波中的电矢量起作用，所以常以电矢 量作为光波中振动矢量的代表。光的横波性只表明电矢量与光的传播方向垂直， 在与传播方向垂直的二维空间里电矢量还可能有各式各样的振动状态，称之为 光的偏振态或偏振结构。
定义：迎着光线传播的方向观看，若振动矢量 E顺时针旋转就称为 右旋椭圆偏振光，若振动矢量E逆时针旋转就称为 左旋椭圆偏振光。
Ex Ax cost Ey Ay cos( t)
磁光效应与磁光材料
引言 第一部分 光和磁的基础知识 第二部分 磁光效应 第三部分 磁光材料 第四部分 磁光器件
引言
1845 年， 英国物理学家 Faraday首次发现了磁致旋光效应。其 后一百多年，人们又不断发现了新的磁光效应和建立了磁光理论 ，但磁光效应并未获得广泛应用。直到 1950年代，磁光效应才 被广泛应用于磁性材料磁畴结构的观察和研究。近年来，随着激 光、计算机、信息、光纤通信等新技术的发展， 人们对磁光效应 的研究和应用不断向深度和广度发展， 从而涌现出许多崭新的磁 光材料和磁光器件。各种磁光材料——磁光玻璃、磁光薄膜、磁 性液体、磁性光子晶体和磁光液晶等发展极为迅速，磁光材料及 器件的研究从此进入空前发展时期，并在许多高新技术领域获得 了广泛的应用。近几十年来，一门新型分支学科——磁光学(包括 磁光效应、磁光理论、磁光材料、磁光测量、磁光器件、磁光光 谱学等)基本形成，以此为背景的各种磁光材料及器件也显示了其 独特的性能和广阔的应用前景，并引起了人们浓厚的兴趣。
第一部分 光和磁的基础知识
A 光的横波性与五种偏振态
光的干涉和衍射现象只表明光是一种波动，光的偏振现象才清 楚地显示光是横波（振动方向与传播方向垂直）而不是纵波。
1．光的偏振现象与光的横波性
a 机械波的横波性的检验
如图，将橡皮绳的一端固定，上下抖动另一端，于是横波沿 绳传播，在波的传播路径中放置两个栏杆G1、G2，若二者缝 隙方向一致图(a)，则通过 G1的振动可无阻碍地通过 G2；若二者缝隙方向垂直 图(b)，则通过G1的振动传 到G2处就被挡住，在G2后 不再有波动。 这只可能是横波。
有些物质，如顺磁性、磁铁性、反铁磁性和亚铁磁性物质的内部， 具有原子或离子磁矩。这些具有固有磁矩的物质在外磁场的作用 下，电磁特性会发生变化，因而使光波在其内部的传输特性也发 生变化，这种现象称为磁光效应。
有些物质，如逆磁性物质内部，没有固有的原子或离子磁矩，但 这种物质处于外磁场中时，将使其内部的电子轨道产生附加的拉 莫进动。这一进动具有相应的角动量和相应的磁矩，从而亦能使 光波在其内部传播的特性发生变化，但这种物质产生的磁光效应 远较铁磁性和亚铁磁性物质的微弱。 磁光效应，包括法拉第效应、克尔效应、磁线振双拆射(科顿一 穆顿效应和瓦格特效应)、磁圆振二向色性、磁线振二向色性， 塞曼效应和磁激发光散射等，其中最为人们所熟悉，而且亦最有 用的是法拉第效应。
b. 椭圆偏振光
(1)椭圆偏振光
在垂直ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ传播方向的平面上，只有单一的振
动矢量，振动矢量的大小和方向不断地改变，
振动矢量（电矢量）的端点在波面内描绘的
轨迹是一个椭圆。 每一时刻的电矢量可分解为
v E
Exivˆ Ey vˆj
Ex Ax cost Ey Ay cos( t) 0 2
当 Ax Ay 或 / 2 时 若消去参量方程中的t
2. 光的五种偏振态
光是横波，才有不同的偏振状态
光波的五种偏振态：自然光、线偏振光、部分 偏振光、圆偏振光和椭圆偏振光。
a 自然光
(1) 自然光 自然光：在垂直光传播方向的平面上，所有方向均有横 振动，各个方向的振动幅度均相等，形成如图所示的轴对称振幅分 布。 （2）自然光通过偏振片后的光强度
自然光通过偏振片后透射光强为入射光强的一半。任何光线通过 偏振片后剩下的只是振动沿其透振方向的分量，透射光的强度等 于这分量的平方，由于自然光中各振动的对称分布，它们沿任何 方向的分量造成的强度I都一样，它等于总强度I0的一半。所以当 我们转动P的透振方向时，透射光的强度I并不改变。
b 光波的横波性的检验（光的偏振现象）
如图，让光线依次通过两个偏振片 P1、P2，P1固定不动，以光线为轴 转动P2，发现：随着P2的的取向不 同，透射光的强度发生变化，当P2 处于某一位置时透射光的强度最大， 由此位置转过90度后，透射光的强 度减为零，即光线完全被P2所 阻挡（消光），若继续转过90度，透射光又变为最亮，再转过90度，又复消光， 如此等等。结论：偏振片所起的作用反映了它上面存在一个特殊方向，使光波 中的振动能顺利通过；该实验也反映了光波的振动方向与传播方向垂直即光波 是横波。
（2）偏振片及其透振方向和消光方向 偏振片对入射光具有消光和透过的功能， 偏振片上能透过的振动方向称为透振方向 （区别于光的传播方向）。
（3）偏振片的起偏和检偏性能 起偏器：任何偏振态的光通过后透射光都变为线偏振光的器件。
检偏器：检查入射光偏振态的器件，线偏振光通过此器件后光 强变为零。
偏振片既是起偏器，又是检偏器。
光波振动方向的不全面和振幅不均等的现象称为光的偏振现象。
d 偏振片
（1）晶体的二向色性（选择吸收性）
晶体对不同方向的电磁振动具有选择 吸收的性质。如当光线射在电气石晶 体表面上时，振动的电矢量与光轴平 行时被吸收得较少，光可以较多地通过图（a），振动的电矢 量与光轴垂直时被吸收得较多，光通过得较少图（b）。
Ex2 Ax2
Ey2 Ay2
2Ex Ey Ax Ay
cos
sin2
椭圆方程
椭圆长轴、短轴的大小和取向，与振幅Ax,Ay和位相差 都有关系
结论： (1)椭圆偏振光可以分解为两个互相垂直的振幅不相等的相
位差固定、但不等于 或 0的线偏振光(2)可以由这两束线偏振
光来代替这束椭圆偏振光。
(2) 左旋与右旋椭圆偏振光
光的电磁理论建立以后，光的横波性才得以完满说明：在自由空间传播的光波 是一种纯粹的横波，光波中沿横向振动着的物理量是电场矢量和磁场矢量，鉴 于在光和物质的相互作用过程中主要是光波中的电矢量起作用，所以常以电矢 量作为光波中振动矢量的代表。光的横波性只表明电矢量与光的传播方向垂直， 在与传播方向垂直的二维空间里电矢量还可能有各式各样的振动状态，称之为 光的偏振态或偏振结构。
定义：迎着光线传播的方向观看，若振动矢量 E顺时针旋转就称为 右旋椭圆偏振光，若振动矢量E逆时针旋转就称为 左旋椭圆偏振光。
Ex Ax cost Ey Ay cos( t)
磁光效应与磁光材料
引言 第一部分 光和磁的基础知识 第二部分 磁光效应 第三部分 磁光材料 第四部分 磁光器件
引言
1845 年， 英国物理学家 Faraday首次发现了磁致旋光效应。其 后一百多年，人们又不断发现了新的磁光效应和建立了磁光理论 ，但磁光效应并未获得广泛应用。直到 1950年代，磁光效应才 被广泛应用于磁性材料磁畴结构的观察和研究。近年来，随着激 光、计算机、信息、光纤通信等新技术的发展， 人们对磁光效应 的研究和应用不断向深度和广度发展， 从而涌现出许多崭新的磁 光材料和磁光器件。各种磁光材料——磁光玻璃、磁光薄膜、磁 性液体、磁性光子晶体和磁光液晶等发展极为迅速，磁光材料及 器件的研究从此进入空前发展时期，并在许多高新技术领域获得 了广泛的应用。近几十年来，一门新型分支学科——磁光学(包括 磁光效应、磁光理论、磁光材料、磁光测量、磁光器件、磁光光 谱学等)基本形成，以此为背景的各种磁光材料及器件也显示了其 独特的性能和广阔的应用前景，并引起了人们浓厚的兴趣。
第一部分 光和磁的基础知识
A 光的横波性与五种偏振态
光的干涉和衍射现象只表明光是一种波动，光的偏振现象才清 楚地显示光是横波（振动方向与传播方向垂直）而不是纵波。
1．光的偏振现象与光的横波性
a 机械波的横波性的检验
如图，将橡皮绳的一端固定，上下抖动另一端，于是横波沿 绳传播，在波的传播路径中放置两个栏杆G1、G2，若二者缝 隙方向一致图(a)，则通过 G1的振动可无阻碍地通过 G2；若二者缝隙方向垂直 图(b)，则通过G1的振动传 到G2处就被挡住，在G2后 不再有波动。 这只可能是横波。
有些物质，如顺磁性、磁铁性、反铁磁性和亚铁磁性物质的内部， 具有原子或离子磁矩。这些具有固有磁矩的物质在外磁场的作用 下，电磁特性会发生变化，因而使光波在其内部的传输特性也发 生变化，这种现象称为磁光效应。
有些物质，如逆磁性物质内部，没有固有的原子或离子磁矩，但 这种物质处于外磁场中时，将使其内部的电子轨道产生附加的拉 莫进动。这一进动具有相应的角动量和相应的磁矩，从而亦能使 光波在其内部传播的特性发生变化，但这种物质产生的磁光效应 远较铁磁性和亚铁磁性物质的微弱。 磁光效应，包括法拉第效应、克尔效应、磁线振双拆射(科顿一 穆顿效应和瓦格特效应)、磁圆振二向色性、磁线振二向色性， 塞曼效应和磁激发光散射等，其中最为人们所熟悉，而且亦最有 用的是法拉第效应。
b. 椭圆偏振光
(1)椭圆偏振光
在垂直ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ传播方向的平面上，只有单一的振
动矢量，振动矢量的大小和方向不断地改变，
振动矢量（电矢量）的端点在波面内描绘的
轨迹是一个椭圆。 每一时刻的电矢量可分解为
v E
Exivˆ Ey vˆj
Ex Ax cost Ey Ay cos( t) 0 2
当 Ax Ay 或 / 2 时 若消去参量方程中的t
2. 光的五种偏振态
光是横波，才有不同的偏振状态
光波的五种偏振态：自然光、线偏振光、部分 偏振光、圆偏振光和椭圆偏振光。
a 自然光
(1) 自然光 自然光：在垂直光传播方向的平面上，所有方向均有横 振动，各个方向的振动幅度均相等，形成如图所示的轴对称振幅分 布。 （2）自然光通过偏振片后的光强度
自然光通过偏振片后透射光强为入射光强的一半。任何光线通过 偏振片后剩下的只是振动沿其透振方向的分量，透射光的强度等 于这分量的平方，由于自然光中各振动的对称分布，它们沿任何 方向的分量造成的强度I都一样，它等于总强度I0的一半。所以当 我们转动P的透振方向时，透射光的强度I并不改变。
b 光波的横波性的检验（光的偏振现象）
如图，让光线依次通过两个偏振片 P1、P2，P1固定不动，以光线为轴 转动P2，发现：随着P2的的取向不 同，透射光的强度发生变化，当P2 处于某一位置时透射光的强度最大， 由此位置转过90度后，透射光的强 度减为零，即光线完全被P2所 阻挡（消光），若继续转过90度，透射光又变为最亮，再转过90度，又复消光， 如此等等。结论：偏振片所起的作用反映了它上面存在一个特殊方向，使光波 中的振动能顺利通过；该实验也反映了光波的振动方向与传播方向垂直即光波 是横波。
（2）偏振片及其透振方向和消光方向 偏振片对入射光具有消光和透过的功能， 偏振片上能透过的振动方向称为透振方向 （区别于光的传播方向）。
（3）偏振片的起偏和检偏性能 起偏器：任何偏振态的光通过后透射光都变为线偏振光的器件。
检偏器：检查入射光偏振态的器件，线偏振光通过此器件后光 强变为零。
偏振片既是起偏器，又是检偏器。
光波振动方向的不全面和振幅不均等的现象称为光的偏振现象。
d 偏振片
（1）晶体的二向色性（选择吸收性）
晶体对不同方向的电磁振动具有选择 吸收的性质。如当光线射在电气石晶 体表面上时，振动的电矢量与光轴平 行时被吸收得较少，光可以较多地通过图（a），振动的电矢 量与光轴垂直时被吸收得较多，光通过得较少图（b）。
Ex2 Ax2
Ey2 Ay2
2Ex Ey Ax Ay
cos
sin2
椭圆方程
椭圆长轴、短轴的大小和取向，与振幅Ax,Ay和位相差 都有关系
结论： (1)椭圆偏振光可以分解为两个互相垂直的振幅不相等的相
位差固定、但不等于 或 0的线偏振光(2)可以由这两束线偏振
光来代替这束椭圆偏振光。
(2) 左旋与右旋椭圆偏振光