磁性测量原理篇-5-磁光效应pdf
磁光效应简介
法拉第反射是光在磁场中反射时，偏振面发生旋转的现象。这种现象是由于光 在磁场中反射时，磁场所引起的偏振面旋转角与光反射距离成正比。
磁光克尔效应
总结词
磁光克尔效应是磁光效应的一种 ，在光学测量和光学通信等领域 有重要应用。
详细描述
磁光克尔效应是指在外加磁场作 用下，某些非中心对称晶体或各 向异性媒质中，由于光偏振方向 改变而引起折射率变化的现象。
光学数据加密
利用磁光效应可以对数据进行加密和解密，提高数据的安全性。
光学检测领域的应用
光学传感
利用磁光效应可以设计出各种光学传感器，用于测量物理量的变化，如磁场、温度、压力等。
非线性光学效应
磁光效应可以增强非线性光学效应，如光学倍频、光学参量放大等，为光学检测提供了新的手段。
其他领域的应用
激光雷达
2. Phelan, T. W., & Ritz, T. (2007). Magneto-optic effects in semiconductor quantum dots. Journal of applied physics, 101(6), 063102.
3. Sivak, D. A., & Zhang, X. (2012). Magneto-optic effects in thin film garnets. Journal of magnetism and magnetic materials, 324(20), 3395-3400.
磁光效应的实验研究
近年来，实验研究主要集中在利用磁光效应进行 光学通信、光学传感、光学信息处理等领域。
3
磁光效应的理论模型
理论模型主要基于经典电磁理论和量子力学理论 进行描述。
磁光电效应的原理和应用
磁光电效应的原理和应用1. 原理介绍磁光电效应是指材料在外界磁场作用下，光的传播速度和光的偏振方向发生变化的现象。
它是磁场与光场相互作用的结果，具有重要的科学意义和广泛的应用价值。
磁光电效应的原理可归结为克尔效应和磁各向异性效应两个方面。
1.1 克尔效应克尔效应是指材料在外界磁场作用下，光线传播方向发生弯曲的现象。
当光线通过垂直于磁场方向的材料时，由于磁场对光的折射率产生影响，光线会被偏折。
这种现象被称为纵向克尔效应。
当光线通过与磁场平行的材料时，光线传播方向也会发生偏转，这种现象被称为横向克尔效应。
1.2 磁各向异性效应磁各向异性效应是指材料在外界磁场作用下，光的偏振方向发生旋转的现象。
在没有外界磁场的情况下，自然光会以相等的强度沿着所有方向传播。
但是在磁场的作用下，材料会对不同偏振方向的光产生不同的消光或吸收。
这就导致了光的线偏振方向发生旋转。
2. 应用介绍磁光电效应具有广泛的应用价值，在光电通信、光存储、光调制和传感器等领域发挥着重要作用。
2.1 光电通信在光纤通信中，磁光电效应可以用于光纤中光的相位调制和光开关。
通过利用磁光效应使光线偏振方向旋转，可以实现信号的调制和切换。
这种相位调制技术可以提高通信速率和信息传输量。
2.2 光存储磁光电效应可应用于光存储设备中的信息读取和写入。
通过磁场的作用，可以实现光存储介质中的位信息的非破坏性读取，并且能够在存储介质中写入新的信息。
2.3 光调制磁光电效应可以用于光调制器，实现光信号的调制。
利用磁光效应使光线偏振方向发生旋转，可以改变光信号的强度和相位，从而对光信号进行调制。
2.4 传感器磁光电效应在传感器领域也有广泛的应用。
通过测量外界磁场对光电材料产生的影响，可以实现磁场传感器的设计。
利用磁光电效应可以制造出高灵敏度、线性度好的磁场传感器，用于测量磁场的大小和方向。
3. 总结磁光电效应是材料在外界磁场作用下，光的传播速度和偏振方向发生变化的现象。
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。
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 ：
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2 H3是掺铋钇铁石榴石Bi-substituted yttrium iron garnet M是玻璃，介电常数为2.13
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：
谢谢！
参考文献——Lei C, Li D, Chen L, et al. Enhancement of magneto-optical Faraday effects and extraordinary optical transmission in a tri-layer structure with rectangular annular arrays[J]. Optics Letters, 2016, 41(4):729.
磁光效应
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• 法拉第旋转效应的应用
法拉第效应可以应用于测量 仪器。例如，法拉第效应被用于 测量旋光度、或光波的振幅调变 、或磁场的遥感。在自旋电子学 里，法拉第效应被用于研究半导 体内部的电子自旋的极化。法拉 第旋转器（Faraday rotator）可 以用于光波的调幅，是光隔离器 与光循环器（optical circulator ）的基础组件，在光通讯与其它 激光领域必备组件。
克尔磁光效应的应用
克尔磁光效应主要应 用与磁光光盘存储系统中。 人们很早就知道光信息的记 录和再生技术----照相技术 。激束发明后，照相技术有 了很大的发展。光盘就是用 激光非接触式高密度地记录 图像，声音，数据等信息的 圆板状媒体。
参考资料
李国栋 -《 磁性材料及器件》 都有为 - 《功能材料》 牛永宾，许丽萍等 - 《红外与激光工程》
• 克尔磁光效应
线偏振光入射到磁化媒
质表面反射出去时，偏振面
发生旋转的现象。也叫克尔
磁光效应或克尔磁光旋转。
这是继法拉第效应发现
后，英国科学家J.克尔于
图一
1876年发现的第二个重要
的磁光效应。
按磁化强度和入射面的相对取向，克尔磁光效应分极向 克尔磁光效应、横向克尔磁光效应和纵向克尔磁光效应 （图一）。极向和纵向克尔磁光旋转都正比于样品的磁 化强度。通常极向克尔旋转最大、纵向次之。
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磁性测量原理
磁性测量原理
磁性测量原理是一种测定物体磁性特性的方法。
它可以帮助我们了解物体的磁场分布、磁化情况以及其它与磁性相关的信息。
磁性测量通常使用磁感应强度计或磁力计等仪器设备，通过测量磁场的强度、方向和分布来获取相关数据。
磁性测量原理的核心是基于物体的磁场与测量仪器之间的相互作用。
当物体被置于磁场中时，它会受到磁场的影响，产生磁化效应。
这种磁化效应会导致物体产生自身的磁场，进而与外部磁场相互作用。
在磁性测量中，通过测量物体周围磁场的强度和分布来了解其磁性特性。
一般来说，磁感应强度计可以测量磁场的大小和方向。
它使用磁力线对测量物体进行扫描，然后根据磁力线的强度和方向来计算磁场的特性。
另外，磁性测量原理还可以通过测量物体的磁滞回线来了解其磁性特性。
磁滞回线是一个表征物体磁化和去磁化过程的曲线，它描述了物体在不同磁场下磁化和去磁化的行为。
通过测量磁滞回线的形状和特性，我们可以了解物体的磁性特性以及磁场对其的影响。
总之，磁性测量原理通过测量磁场的强度、方向和分布来了解物体的磁性特性。
这种原理可以应用于磁场测量、磁力计量和磁滞回线测量等领域，广泛应用于材料科学、电磁学和工程技术等相关领域。
磁光效应
件。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。
磁光效应的概念
磁致旋光材料
1、磁光玻璃 磁光玻璃因其在可见光和红外区具有很好的
透光性，且能够形成各种复杂的形状、拉制成光
纤因而在磁光隔离器、磁光调制器和光纤电流传 感器等磁光器件中有广泛的应用前景。 2、晶体薄膜 此类薄膜材料具有巨大的磁光效应、低的光吸收损耗及高的磁 光优值，被广泛应用于光录像、光复制、光存储和光信息处理的磁 光显示器。
克尔效应
线偏振光入射到磁光介质表面反射出去时，反射光偏振面相对
于入射光偏振面转过一定角度ΘK，此现象称之为克尔效应。
磁光克尔效应包括三种情况： （1）极向克尔效应。磁化强度M与介质表面垂直时的克尔效应（图 3-9A）。 （2）横向克尔效应。磁化强度M与介质表面平行，但垂直于光的入 射面时的克尔效应（如图３－9（B））。 （3）纵向克尔效应。磁化强度M既平行于介质表面又平行于光入射 面时的克尔效应（图3-9（C））。
在磁场的作用下，物质的电磁特性(如磁导率、磁化强度、磁畴结构等) 会发生变化，使光波在其内部的传输特性(如偏振状态、光强、相位、传输 方向等)也随之发生变化的现象称为磁光效应。 1. 法拉第效应 2. 克尔效应 3. 塞曼效应 4. 磁致双折射效应 磁圆振二向色性、磁线振二向色性、磁激发光散射、磁场光吸收、磁离子体 效应和光磁效应等。
法拉第效应
法拉第效应是指一束线偏振光沿外加磁场方向通过置于磁场中 的介质时，透射光的偏振化方向相对于入射光的偏振化方向转过一 定角度ΘF的现象，如图所示。通常，材料中的法拉第转角ΘF与样品 长度L和磁场强度H有以下关系： ΘF=HLV 其中，V为Verdet常数，是物质固有的比例系数,单位是min/(Oe·cm)
磁光效应的解释和应用
磁光效应的解释和应用磁光效应是一种非常特殊的物理现象，它能够在磁场和光之间相互转换。
具体来说，就是在一个磁场中，光线可以被偏转方向。
这个现象神秘而神奇，被广泛地应用在各个领域，包括科学研究、医疗、通信和娱乐等方面。
本文将介绍磁光效应的基本原理和它的一些应用。
磁光效应的基本原理磁光效应是指当光线穿过磁场时，它的偏振方向会被改变的现象。
这个现象可以通过克尔效应来解释。
克尔效应是指在磁场中，不同方向的偏振光线速度不同，因而会产生不同的相位差，从而导致整个光波面的旋转。
更具体地说，当光线通过具有磁性材料时，它会与材料中的磁电荷相互作用，从而导致光线的偏振方向发生变化。
这个过程可以进一步分为常磁性和巨磁性两种情况。
常磁性是指材料中的原子磁矩与磁场方向不一致，这个情况下发生的克尔效应叫做Faraday效应。
而在巨磁性材料中，磁电荷的方向与磁场方向相同，因此会导致Cotton-Mouton效应。
磁光效应的应用磁光效应在科学研究、医疗、通信和娱乐等领域都有广泛的应用。
在科学研究方面，磁光效应被广泛用于材料磁性、磁场和磁畴的研究。
通过测量磁光的旋转角度，可以确定磁场的强度和方向。
磁光效应还常用于开发和研究磁场和磁性材料的新型传感器和器件。
在医疗方面，磁光效应被应用于磁共振成像(MRI)。
在MRI中，利用磁光效应来感测人体内部磁场的小变化，通过这种方式可以创造出人体内部对不同成分的特定效果图像，以诊断不同的病症。
同时，MRI还可以用于医学研究和药物开发等方面。
在通信领域，磁光效应被广泛应用于光学通信中。
磁光器件（Magneto-optical Devices）是一种把电信信息转化为光信号的器件。
通过磁光器件转化，光信号可以更好地保持原信息，并且能够更快地在波长间切换，实现更快速和高质量的数字通信。
在娱乐领域，磁光效应也有一些应用。
例如，磁光图像, 是一种让图像通过光线的磁光效应呈现出立体效果的图像。
这些图像需要使用特定的眼镜来观看，因为它们有双效性。
磁光效应简介
磁光环行器
磁光环行器的原理和隔离器的原理一样。 利用光环行器可在一根光纤内传输两个不 同方向的信号，从而大大减小了系统的体 积和成本。 图中由1端输入的信号只能沿顺时针方向 进入2、3和4端，而不能沿逆时针方向进 入4、3和2端，这样就防止了光线的反射。
磁光传感器
磁光效应传感器的原理主要是利用光的偏振状 态来实现传感器的功能。当一束偏振光通过介 质时，若在光束传播方向存在着一个外磁场， 那么光通过偏振面将旋转一个角度。也就可以 通过旋转的角度来测量外加的磁场。 在特定的试验装置下，偏转的角度和输出的光 强成正比，通过输出光照射激光二极管LD，就 可以获得数字化的光强，用来测量特定的物理 量。
磁光调制器
发生偏振面旋转来调制光束。磁光调制器 有广泛的应用，可作为红外检测器的斩波 器，可制成红外辐射高温计、高灵敏度偏 振计，还可用于显示电视信号的传输、测 距装置以及各种光学检测和传输系统中。 磁光调制器有很多种，常用的有钇铁石榴 石单晶及其薄膜磁光调制器、玻璃磁光调 制器和薄膜波导磁光调制器等。
磁光效应包括很多种，目前对其研究和应 用最广泛的是法拉第效应和克尔效应。
磁光效应的几种理论
一、法拉第效应 二、克尔效应 三、磁线双折射（科顿—莫顿效应或者佛赫特 效应） 四、磁圆振二向色性
五、塞曼效应
六、磁激发光散射 下面就简单介绍一下法拉第效应和克尔效应。
法拉第效应
一束偏振光沿外加磁场方向或磁化强度方 向通过介质时偏振面发生旋转的现象称为 法拉第效应。 描述法拉第效应的物理量称为法拉第旋转， 亦可称为磁光旋转。 法拉第效应的宏观理论可以应用介电张量 和麦克斯韦方程来描述法拉第磁光效应， 这是一种常用的磁光效应的经典理论。
法拉第磁光效应的原理
法拉第磁光效应的原理嘿，朋友！咱们今天来聊聊法拉第磁光效应，这可是个相当神奇又有趣的玩意儿。
你知道光吗？那是我们生活中再常见不过的东西啦，照亮我们的世界，让我们能看清周围的一切。
可你想过光在磁场中会有啥特别的表现不？这就好比一个调皮的孩子在大人的管束下会有不一样的行为一样。
法拉第磁光效应啊，简单来说，就是当一束光通过处于磁场中的物质时，它的偏振面会发生旋转。
啥是偏振面？嗯，你可以把它想象成光的一个“小属性”，就像人的性格特点一样。
咱们平常看到的光，就像是一群毫无秩序到处乱跑的孩子。
而偏振光呢，就像是这些孩子排好了整齐的队伍，朝着一个特定的方向前进。
当这排好队的光进入有磁场的物质时，就好像被磁场这个“神秘力量”轻轻推了一把，它们的队伍方向就发生了变化，也就是偏振面旋转啦。
这是不是很奇妙？就好像光在磁场里被施了魔法一样！那为啥会这样呢？这得从物质的内部结构说起。
物质里面的原子、分子啥的，就像是一个个小小的“工作车间”。
在磁场的作用下，这些“车间”的工作方式发生了改变，从而影响了光的传播。
比如说，就像一个原本正常运转的工厂，突然来了个严格的新领导，要求改变工作流程，于是整个生产出来的东西就不一样啦。
科学家们为了研究这个效应，那可是费了好大的劲。
一次次的实验，一次次的观察和分析。
他们就像侦探一样，不放过任何一个细节，努力寻找着这个神奇现象背后的真相。
你想想，如果我们能好好利用这个法拉第磁光效应，那能做出多少神奇的东西啊！比如说更先进的光学仪器，能让我们看到更细微、更遥远的世界。
这就像给我们打开了一扇通往未知世界的新大门，让我们看到更多以前看不到的精彩。
所以说，法拉第磁光效应可不仅仅是个科学名词，它是打开未来科技大门的一把神秘钥匙，等着我们去探索更多的奥秘，创造更多的可能。
难道不是吗？。
磁光效应
磁光效应磁光效应是指处于磁化状态的物质与光之间发生相互作用而引起的各种光学现象。
包括法拉第效应、克尔磁光效应、塞曼效应和科顿-穆顿效应等。
这些效应均起源于物质的磁化，反映了光与物质磁性间的联系。
下面我们将分别简要介绍各个不同的磁光效应1.法拉第效应1)发现：1845年，法拉第发现:当一束平面偏振光通过置于磁场中的磁光介质时，平面偏振光的偏振面就会随着平行于光线方向的磁场发生旋转。
旋转的这个角度称之为法拉第旋转角，偏转角度ψ与磁感应强度B和光穿越介质的长度l的乘积成正比，即ψ=VBl，比例系数V称为费尔德常数，与介质性质及光波频率有关。
偏转方向取决于介质性质和磁场方向。
上述现象称为法拉第效应或磁致旋光效应。
2)实验原理法拉第效应实验装置如图所示。
由光源产生的复合白光通过小型单色仪后可以获得波长在360~800nm的单色光，经过起偏镜成为单色线偏振光，然后穿过电磁铁。
电磁铁采用直流供电，中间磁路有通光孔，保证人射光与磁场B方向一致。
根据励磁电流的大小可以求得对应的磁场值。
入射光穿过样品后从电磁铁的另一极穿出人射到检偏器上，透过检偏器的光进入光电倍增管，由数显表显示光电流的大小，即出射光强的大小。
根据出射光强最大(或最小)时检偏器的位置读数即可得出旋光角。
检偏器的角度位置读数也由数显表读出。
3)应用:法拉第效应可以应用于测量仪器。
例如，法拉第效应被用于测量旋光度、或光波的振幅调变、或磁场的遥感。
在自旋电子学里，法拉第效应被用于研究半导体内部的电子自旋的极化。
法拉第旋转器(Faraday rotator)可以用于光波的调幅，是光隔离器与光循环器(optical circulator)的基础组件，在光通讯与其它激光领域必备组件。
具体应用如下:(1) 量糖计(自然旋光)(2) 磁光开关与磁光调制器(点调制与空间调制)(3) 磁光光盘:光信息存储(4) 磁光电流传感器(或互感器):测量大电流等；法拉第效应可用于混合碳水化合物成分分析和分子结构研究。
磁光效应及其应用
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 ；
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
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。
θ =α cl
式中,α 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。
实验还发现，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
磁光效应原理(一)
磁光效应原理(一)磁光效应：介绍与原理解析1. 引言•磁光效应是一种在材料中观察到的光学现象。
•它是研究磁学和光学交叉领域的一大重要课题。
2. 什么是磁光效应？•磁光效应指的是材料在外加磁场的作用下，其折射率与光线的传播方向和磁场的方向之间有一定的关联关系。
•简单来说，就是材料的光学性质会受到磁场的影响。
3. 磁光效应的分类根据材料的响应方式和体现形式，磁光效应可以分为以下几种：3.1 外尔磁光效应•外尔磁光效应是指材料在外加磁场下，产生的一种线性光学现象。
•这种效应是由于磁场影响了材料中电子的运动状态，进而改变了折射率。
3.2 法拉第磁光效应•法拉第磁光效应是指材料在外加磁场下，产生的一种非线性光学现象。
•这种效应是由于磁场影响了材料中电子的非线性极化行为，进而改变了折射率。
3.3 磁光透明效应•磁光透明效应是指材料在外加磁场下，展示出无损吸收和透射的特性。
•这种效应在一些人工合成的磁光材料中得到了广泛的研究和应用。
4. 磁光效应的原理解析磁光效应的原理涉及到材料中电子的自旋和轨道运动，以及磁场与电子之间的相互作用。
以下是一些重要的原理解析：4.1 塞曼效应•塞曼效应是指材料中处于外加磁场下的自旋磁矩与外加磁场的相互作用导致能级分裂的现象。
•这种能级分裂会对材料的光学性质产生影响，进而引发磁光效应。
4.2 波尔磁子•波尔磁子是指电子在磁光效应中，自旋和轨道运动产生的磁矩。
•波尔磁子的大小与电子的自旋和轨道运动有关。
4.3 光子与磁光材料的相互作用•光子在磁光材料中的传播将受到材料的折射率影响，折射率的变化与材料中的波尔磁子和外加磁场强度有关。
•这种相互作用导致了磁光效应的观察与应用。
5. 磁光效应的应用前景由于磁光效应的研究与应用对于光通信和磁存储等领域有重要意义，因此具有广阔的应用前景。
以下是几个潜在的应用方向：5.1 磁光存储技术•利用磁光效应可以实现非破坏读取储存介质的数据，具有高容量、高速度和光学可控的特点，有望应用于大容量的磁光存储技术。
磁光效应
磁光效应从广义来说，磁光效应是通过光学方法检测被测物体磁性质的方法。
一束探测光照射到被测物体上，探测光和被测物体发生相互作用后，探测光离开被测物体，这时探测光的物理状态会发生变化，通过检测这种变化，就可以推断出被测物体的磁性质。
从本质上讲，被测物体的磁学性质反映了电子自旋取向分布的状况。
因为磁光效应反映的是被测物体的磁性质，所以进行磁光效应测量的时候，经常会给样品施加上磁场，磁光效应的强度会随着外界磁场的变化而变化。
一般来说，磁光效应会使探测光的物理状态发生两种变化：第一种变化是探测光偏振方向变化（Rotation），即入射光和出射光的偏振方向会不同。
第二种变化是探测光的椭圆率发生了变化（Elliptically），即入射光和出射光的左旋偏振分量和右旋偏振分量比率会发生变化。
从经典光学上讲，磁光效应就是被测物体对左旋偏振光和右旋偏振光的反应不同。
根据光路布局的不同，磁光效应可以分为两类：第一类是Faraday 效应，它的特点是探测光束透射过被测物体。
Faraday 效应的优点是探测光和被测物体的作用距离长，所以信号强度相对大，容易测量；Faraday 效应的缺点是被测物体必须是透光的。
根据施加到样品上的磁场方向的不同，Faraday 效应有两种实验布局：第一种称为Faraday布局，其特点是外加磁场方向平行于探测光的方向；图1. Faraday 效应图2. Faraday布局第二种称为V oigt布局，其特点是外加磁场方向垂直于探测光的方向。
图3. Voigt布局第二类磁光效应称为Kerr效应（MOKE），它的特点是探测光束从被测物体上反射而出。
Kerr效应的优点是实验操作上简单，缺点是磁光效应弱。
图4. Kerr效应根据施加到样品上的磁场方向的不同，Faraday 效应有三种实验布局：第一种称为Polar MOKE，它的特点是外加磁场方向垂直于被测物体表面，但平行于入射平面。
图5. Polar MOKE 布局第二种称为Longitudinal MOKE，它的特点是外加磁场方向平行于被测物体表面，也平行于入射平面。
磁光效应
磁光效应磁光效应是指处于磁化状态的物质与光之间发生相互作用而引起的各种光学现象.包括法拉第效应、克尔磁光效应、塞曼效应和科顿-穆顿效应等.这些效应均起源于物质的磁化，反映了光与物质磁性间的联系.笔者认为这些磁光效应实验进一步说明光子具有电磁质量.（一）、“法拉第效应”1845年M.法拉第发现，当线偏振光在介质中传播时，若在平行于光的传播方向上加一强磁场，则光振动方向将发生偏转，偏转角度ψ与磁感应强度B和光穿越介质的长度l的乘积成正比，即ψ＝VBl，比例系数V称为费尔德常数，与介质性质及光波频率有关.偏转方向取决于介质性质和磁场方向.上述现象称为法拉第效应或磁致旋光效应.该效应可用来分析碳氢化合物，因每种碳氢化合物有各自的磁致旋光特性；在光谱研究中，可借以得到关于激发能级的有关知识；在激光技术中可用来隔离反射光，也可作为调制光波的手段.因为磁场下电子的运动总附加有右旋的拉穆尔进动﹐当光的传播方向相反时﹐偏振面旋转角方向不倒转﹐所以法拉第效应是非互易效应.这种非互易的本质在微波和光的通信中是很重要的.许多微波﹑光的隔离器﹑环行器﹑开关就是用旋转角大的磁性材料制作的.“法拉第是很熟悉借助于偏振光来研究产生在透明固体中的协变的方法的.他作了许多实验，希望发现偏振光在通过内部存在着电解导电或介电感应的媒质时所受到的某种作用.然而他并没有能找到任何这种作用，尽管实验是用按照最适宜发现拉力的效应的方式装置起来的－－电力或电流和光线相垂直，并和偏振平面成45度角.法拉第用各种方式改变了实验，但是没有发现由电解电流或静电感应引起的对光的任何作用.然而他在确立光和磁之间的关系方面却取得了成功，而他作到这一点的那些实验则描述在他的《实验研究》的第十九组中.我们将把法拉第的发现取作我们有关磁的本性的进一步探索的出发点.从而我们将描述一下他所观察到的现象.一条平面偏振的光线从一种透明的抗磁性媒质中通过；当从媒质中出来时，用一个检偏器截断它的路程，以测定它的偏振面.然后加上一个磁力，使透明媒质中的磁力方向和光线的方向相重合.于是光立即重新出现，但是如果把检偏器转过某一角度，光就又被截断.这就表明，磁力的效应就是使偏振面以光线方向为轴而转过一个确定的角度，这个角度为了截断光线而必须使检偏器转过的那个角度来描述.偏振面转过的角度和下列各量成正比：（1）光线在媒质中超过的距离.因此偏振面是从它的原始位置开始而连续变化的.（2）磁力在光线方向上的分量.（3）转动角的大小依赖于媒质的种类.当媒质是空气或任何其他气体时，还没有观察到任何的转动.这三点说法被包括在一个更普遍的叙述中，那就是，旋转角在数值上等于光线从进入媒质的一点到离开媒质的一点的矢势增量乘以一个系数，而对抗磁性媒质来说，这个系数通常是正的.在抗磁性物质中，偏振面被转向的方向（一般说来）和一个电流的正方向相同，那个电流就是为了产生和实际存在的磁力同方向的磁力而必须绕着光线运行的.然而外尔代特却发现，在某些铁磁性媒质中，例如在一种高氯化铁在木精或乙醚的浓溶液中，旋转方向却和将会产生磁力的电流运行方向相反.这就表明，铁磁性物质和抗磁性物质的区别不仅仅起源于“磁导率”在前一事例中大于而在后一事例中小于空气的磁导率，而这两类物体确实性质相反.一种物质在磁力作用下获得的使光的偏振面发生施转的能力，并不是恰好正比于它的抗磁的或铁磁的磁化率.事实上，抗磁性物质中的旋转为正而铁磁性物质中的旋转为负这一法则.是有例外情况的，因为中性的铬酸钾是抗磁性的，但它却引起负旋转.也存在另外一些物质，他们不依赖于磁力的施加就能在光线通过物质时使偏振面向左或向右旋转.在某些这种物质中，性质依赖于一个轴，例如在石英的事例中就是如此.在另一些物质中，性质并不依赖于光线在媒质中的方向，例如在松节油、糖溶液等等中就是如此.然而，在所有这些物质中，如果任何一条光线的偏振面在媒质中是像一个右手螺旋那样地扭转的，则当光线沿相反方向通过媒质时偏振面仍将像右手螺旋似的扭转.当把媒质放在光线的路程上时，观察者为了截断光线就必须旋转他的检偏器，而不论光线是从南或从北向他射来，旋转的方向相对于观察者来说都是相同的.当光线的方向反向时，旋转在空间中的方向当然也会反向.但是当旋转是由磁作用引起的时，它在空间中的方向却不论光是向南还是向北传播都是相同的.如果媒质属于正类，则旋转方向总是和产生或将会产生实际的磁场状态的电流的方向相同，而如果媒质属于负类则旋转方向总是和该电流的方向相反.由此可以推知，如果光线在从北向南通过了媒质以后受到一个镜面的反射而从南向北返回媒质中，则当旋转是由磁作用引起的时，旋转就会加倍.当旋转只依赖于媒质的种类（而不依赖于光线的方向），就像在松节油等等中那样时，光线在被反射而回到媒质中再从媒质中出来时，它的偏振将是入射时在相同的平面上的，第一次通过时的旋转将在第二次通过时被恰好倒了回来.现象的物质解释带来了相当大的困难.不论是在磁致旋转方向，还是在某些媒质的表现方面，这些困难还几乎不能说已经解决.然而我们可以通过分析已经观察到的事实来给一种解释作些准备.运动学中的一个众所周知的定理就是，两个振幅相同、振动周期相同、在同一平面上但沿相反方向转运的匀速圆周振动，当合成在一起时是和一个直线振动相等价的.这一振动的周期等于圆周振动的周期，它的振幅等于圆周振动的振幅的两部，它的方向是两个点的连线，那就是在同一圆周上沿不同方向描述圆周运动的两个质点即将相遇的两个点.因此，如果一个圆周运动的周相被加速，则直线振动的方向将沿着圆周运动的方向转过一个等于周相加速度的二分之一的角.也可以通过直接的光学实验来证明，两条沿相反方向而圆偏振的强度相同的光线，当合并在一起时就变成一条平面偏振的光线，而且，如果其中一条圆偏振光线的周相由于任何原因被加速了，则全光线的偏振平面会转过一个等于周相加速度之一半的角度.因此我们可以表示偏振面的旋转现象如下：有一条平面偏振光线射在媒质上.这条光线和两条圆偏振光线相等价，其中一条是右手圆偏振的，而另一条是左手圆偏振的（对观察者而言）.通过了媒质以后，光线仍然是平面偏振的，但在两条圆偏振光线中，右手圆偏振的那一条的周相一定是在通过媒质时相对于另一条而被加速了.换句话说，右手圆偏振的光线曾经完成了更多次数的振动，从而在媒质内部比周期相同的左手圆偏振的光线具有较小的波长.现象的这种叙述方式是和任何光的学说都无关的，因为虽然我们使用了波长、圆偏振等等的在我们头脑中可能和某种形式的波动学说相联系的术语，但是推理过程却和这种联系无关而只依赖于被实验证明了的事实.其次让我们考虑其中一条光线在某一给定时刻的位形.每时刻的运动都是圆周运动的任何波动，都可以用一个螺纹线或螺旋来代表.如果让螺旋绕着它的轴线旋转而并不发生任何纵向运动，则每一个粒子都会描述一个圆，而与此同时，波动的传播则将由螺旋纹路上位置相似的各部分的表现纵向运动来代表.很容易看到，如果螺旋是右手的，而观察者是位于波动所传向的一端的，则在他看来螺旋的运动将显得是左手的，也就是说，运动将显得是逆时针的.因此，这样的一条光线曾经被称为一条左手圆偏振的光线；这名称最初起源于一些法国作者，现在已经在整个的科学界都通行了.一条右手圆偏振的光线可以按相似的方式用一个左手螺旋来表示.右侧的右手螺旋线A 表示一条左手圆偏振的光线，而左侧的左手螺旋线B则表示一条右手圆偏振的光线.现在让我们考虑在媒质内部具有相同波长的两条这样的光线.他们在一切方面都是几何地相似的，只除了其中一条是另一条的“反演”，即有如另一条在镜子里的像一样.然而，其中一条，譬如说是A，却比另一条具有较短的旋转周期.如果运动完全起源于由位移所引起的力，那么这就表明，当位形像A那样时，由相同的位移引起的力要比位形像B那样时大一些.因此，在这一事例中，左手光线将相对于右手光线而被加速，而且不论各光线是从北向南还是从南向北行进，情况都将是这样的.因此这就是松节油等等引起的那种现象的解释.在这些媒质中，当位形像A那样时，由一条圆偏振光线所造成的位移将比位形像B那样时引起较大的恢复力.于是这些力就只依赖于位形，而不依赖于运动的方向.”“但是，各物体的性质是可以定量地测量的.因此我们就得到媒质的数据，例如一种扰动通过媒质而传播的那一速度的数值，而这一速度是可以根据电磁实验来算出的，也是在光的事例中可以直接观测的.如果居然发现电磁扰动的传播速度和光的速度相同，而且这不但在空气中是如此，在别的透明媒质中也是如此，则我们将有很强的理由相信光是一种电磁现象，而且光学资料和电学资料的组合也将产生一种关于媒质之实在性的信念，和我们在其他种类的物质的事例中通过感官资料的组合而得到那种信念相似.”[见《电磁通论》第二十章，光的电磁学说的第三自然段.]（二）、克尔磁光效应1876年由J.克尔发现，入射的线偏振光在已磁化的物质表面反射时，振动面发生旋转的现象，克尔磁光效应分极向、纵向和横向三种，分别对应物质的磁化强度与反射表面垂直、与表面和入射面平行、与表面平行而与入射面垂直三种情形.极向和纵向克尔磁光效应的磁致旋光都正比于磁化强度，一般极向的效应最强，纵向次之，横向则无明显的磁致旋光.克尔磁光效应的最重要应用是观察铁磁体的磁畴.不同的磁畴有不同的自发磁化方向，引起反射光振动面的不同旋转，通过偏振片观察反射光时，将观察到与各磁畴对应的明暗不同的区域.用此方法还可对磁畴变化作动态观察.（三）、科顿-穆顿效应1907年A.科顿和H.穆顿首先在液体中发现，光在透明介质中传播时，若在垂直于光的传播方向上加一外磁场，则介质表现出单轴晶体的性质，光轴沿磁场方向，主折射率之差正比于磁感应强度的平方.此效应也称磁致双折射.W.佛克脱在气体中也发现了同样效应，称佛克脱效应，它比前者要弱得多.当介质对两种互相垂直的振动有不同吸收系数时，就表现出二向色性的性质，称为磁二向色性效应.（四）刘武青旋光效应早在20世纪初，人们就已经有了圆偏振光能够输运角动量以致引起旋转的概念.坡印亭(J.H.Poynting)于1909年将光与力学系统进行类比后，认为圆偏振光具有角动量.5年后，爱泼斯坦(P.S.Epstein)通过计算波作用在各向异性介质中感应电偶极子上的力，精确地得到引起旋转的力偶.如果假设引起光偏振的系统由波和起偏晶片组成，这个系统当然应符合角动量守恒这一普遍规律，所以，必须承认电磁波也具有角动量，而且它的变化与晶片的角动量变化相反.具体地说，光有三类：不旋转的、左向旋转的和右向旋转的光.1936年，首先是美国人贝思(Beth)，紧接着美国人霍尔朋(Holbourn)从实验上证明了上述结论的正确性.他们设计了一个圆筒型的暗箱，用一根极细的石英丝将一系列的波片和平面镜悬挂在暗箱中.将一束圆偏振光射入暗箱，结果发现波片发生了偏转.上述实验虽然验证了光线具有角动量，但是由于可见光和近红外光的频率大于1014赫，所以合力矩极小.即使在实验中采用扭转系数很小的扭丝，如石英细丝，这个偏转角也只不10-3弧度.对这么小的变化进行定量测量，在当时几乎是不可能的.增大作用力矩的有效办法之一就是增大光线的波长，也就是必须提供频率相对低的电磁波.20世纪40年代，随着雷达技术的发展，射频波成为了理想的光源.它的波长要比我们眼睛能看到的可见光波长要大上千倍，作为有别于以前的新光源相当理想.意大利科学家卡拉拉(Carrara)于1949年利用射频波很容易地完成了定量测量光角动量的实验，他采用的装置类似于贝思的，只不过将波片替换成能吸收射频波的器件.当然，我们今天已经清楚地知道，光的能量传播以光子形式进行，能量P=h w/2π(h为普朗克常量)，因而它同时带有P/w=h /2π的角动量.我们采用右手螺旋法则，定义沿磁场方向右手旋进的光为+偏振，反之为-偏振，角动量为零的是π线偏振光.而在当初，得到这样定量的结果相当不容易.光具有角动量这一性质最终被应用于实际研究中，人们通过它得到原子、分子等的能级结构、能级寿命、电子的组态、分子的几何形状、化学键的性质、反应动力学等多方面物质结构的知识.中国的刘武青先生发现光通过旋转透明介质，对光电池产生的电流、比光通过静止的透明介质时的要大，同时光波长也会发生变化.这一现象称为刘武青旋光效应.早在20世纪初，人们就已经有了圆偏振光能够输运角动量以致引起旋转的概念.坡印亭(J.H.Poynting)于1909年将光与力学系统进行类比后，认为圆偏振光具有角动量.5年后，爱泼斯坦(P.S.Epstein)通过计算波作用在各向异性介质中感应电偶极子上的力，精确地得到引起旋转的力偶. 如果假设引起光偏振的系统由波和起偏晶片组成，这个系统当然应符合角动量守恒这一普遍规律，所以，必须承认电磁波也具有角动量，而且它的变化与晶片的角动量变化相反.具体地说，光有三类：不旋转的、左向旋转的和右向旋转的光. 1936年，首先是美国人贝思(Beth)，紧接着美国人霍尔朋(Holbourn)从实验上证明了上述结论的正确性.他们设计了一个圆筒型的暗箱，用一根极细的石英丝将一系列的波片和平面镜悬挂在暗箱中.将一束圆偏振光射入暗箱，结果发现波片发生了偏转. 上述实验虽然验证了光线具有角动量，但是由于可见光和近红外光的频率大于1014赫，所以合力矩极小.即使在实验中采用扭转系数很小的扭丝，如石英细丝，这个偏转角也只不10-3弧度.对这么小的变化进行定量测量，在当时几乎是不可能的. 增大作用力矩的有效办法之一就是增大光线的波长，也就是必须提供频率相对低的电磁波.20世纪40年代，随着雷达技术的发展，射频波成为了理想的光源.它的波长要比我们眼睛能看到的可见光波长要大上千倍，作为有别于以前的新光源相当理想.意大利科学家卡拉拉(Carrara)于1949年利用射频波很容易地完成了定量测量光角动量的实验，他采用的装置类似于贝思的，只不过将波片替换成能吸收射频波的器件.-偏振，角动量为零的是π线偏振光.而在当初，得到这样定量的结果相当不容易.+偏振，反之为 当然，我们今天已经清楚地知道，光的能量传播以光子形式进行，能量P=h w/2π(h 为普朗克常量)，因而它同时带有P/w=h /2π的角动量.我们采用右手螺旋法则，定义沿磁场方向右手旋进的光为 光具有角动量这一性质最终被应用于实际研究中，人们通过它得到原子、分子等的能级结构、能级寿命、电子的组态、分子的几何形状、化学键的性质、反应动力学等多方面物质结构的知识.（五）塞曼效应塞曼效应实验是物理学史上一个著名的实验，在1896年，塞曼（Zeeman ）发现把产生光谱的光源置于足够强的磁场中，磁场作用于发光体，使其光谱发生变化，一条谱线即会分裂成几条偏振化的谱线，这种现象称为塞曼效应，塞曼效应的实验证实了原子具有磁矩和空间取向的量子化，并得到洛伦兹理论的解释.1902年塞曼因这一发现与洛伦兹（H.A.Lorentz ）共享诺贝尔物理学奖金.至今，塞曼效应仍然是研究原子内部能级结构的重要方法.本实验通过观察并拍摄Hg （546.1nm ）谱线在磁场中的分裂情况，测量其裂距并计算荷质比m e.由于外磁场对电子的轨道磁矩和自旋磁矩的作用﹐或使能级分裂才产生的.其中谱线分裂为2条(顺磁场方向观察)或3条(垂直于磁场方向观察)的叫正常塞曼效应﹔3条以上的叫反常塞曼效应.在定强度的磁场中﹐分裂后谱线的间隔与磁场强度成正比﹔谱线成分沿磁场方向观察是左﹑右圆偏振光﹐而沿垂直磁场方向观察是互相垂直的两种线偏振光.塞曼效应的经典理论解释是H.A.洛仑兹首先提出的.历史上将符合洛仑兹理论的谱线分裂现象称为正常塞曼效应﹐而将其它不符合洛仑兹理论的谱线分裂现象称为反常塞曼效应.量子力学理论能够全面地解释塞曼效应.实验原理1．谱线在磁场中的能级分裂对于多电子原子，角动量之间的相互作用有LS 耦合模型和JJ 耦合某型.对于LS 耦合，电子之间的轨道与轨道角动量的耦合作用及电子间自旋与自旋角动量的耦合作用强，而每个电子的轨道与自旋角动量耦合作用弱.原子中电子的轨道磁矩和自旋磁矩合成为原子的总磁矩.总磁矩在磁场中受到力矩的作用而绕磁场方向旋进，可以证明旋进所引起的附加能量为B Mg E B μ=∆（1），其中M 为磁量子数，μB 为玻尔磁子，B 为磁感应强度，g 是朗德因子.朗德因子g 表征原子的总磁矩和总角动量的关系，定义为)1(2)1()1()1(1++++-++=J J S S L L J J g （2），其中L 为总轨道角动量量子数，S 为总自旋角动量量子数，J 为总角动量量子数.磁量子数M 只能取J ，J-1，J-2，…，-J ，共（2J+1）个值，也即E ∆有（2J+1）个可能值.这就是说，无磁场时的一个能级，在外磁场的作用下将分裂成（2J+1）个能级.由式（1）还可以看到，分裂的能级是等间隔的，且能级间隔正比于外磁场B 以及朗德因子g.能级E 1和E 2之间的跃迁产生频率为v 的光，12E E hv -=，在磁场中，若上、下能级都发生分裂，新谱线的频率v’与能级的关系为B g M g M hv E E E E E E E E hv B μ)()()()()('112212121122-+=∆-∆+-=∆+-∆+= 分裂后谱线与原谱线的频率差为 h B g M g M v v v B μ)('1122-=-=∆ （3） 代入玻尔磁子m ehB πμ4=，得到 B m e g M g M v π4)(1122-=∆ （4） 等式两边同除以c ，可将式（4）表示为波数差的形式 B mc e g M g M πσ4)(1122-=∆ （5） 令mc eBL π4= 则 L g M g M )(1122-=∆σ （6） L 称为洛伦兹单位，117.46--⋅⨯=T m B L （7）塞曼跃迁的选择定则为：0=∆M ，为π成为，是振动方向平行于磁场的线偏振光，只在垂直于磁场的方向上才能观察到，平行于磁场的方向上观察不到，但当0=∆J 时，02=M 到01=M 的跃迁被禁止；1±=∆M ，为σ成分，垂直于磁场观察时为振动垂直于磁场的线偏振光，沿磁场正向观察时，1+=∆M 为右旋圆偏振光，1-=∆M 为左旋圆偏振光.以汞的546.1nm 谱线为例，说明谱线分裂情况.波长546.1nm 的谱线是汞原子从{6S7S}3S 1到{6S 6P}3P 2能级跃迁时产生的，其上下能级有关的量子数值列在表2.1.1-1中.在磁场作用下能级分裂如图2.1.1-1所示.可见，546.1nm 一条谱线在磁场中分裂成九条线，垂直于磁场观察，中间三条谱线为π成分，两边各三条谱线为σ成分；沿着磁场方向观察，π成分不出现，对应的六条σ线分别为右旋圆偏振光和左旋圆偏振光.若原谱线的强度为100，其他各谱线的强度分别约为75、37.5和12.5.在塞曼效应中有一种特殊情况，上下能级的自旋量子数S 都等于零，塞曼效应发生在单重态间的跃迁.此时，无磁场时的一条谱线在磁场中分裂成三条谱线.其中1±=∆M 对应的仍然是σ态，0=∆M 对应的是π态，分裂后的谱线与原谱线的波数差B mc e L πσ4==∆.由于历史的原因，称这种现象为正常塞曼效应，而前面介绍的称为反常塞曼效应.1． 2． 实验方法（1） （1） 观察塞曼分裂的方法塞曼分裂的波长差很小，波长和波数的关系为σλλ∆=∆2.波长m 7105-⨯=λ的谱线，在B=1T 的磁场中，分裂谱线的波长差只有10-11m.要观察如此小的波长差，用一般的棱镜摄谱仪是不可能的，需采用高分辨率的仪器如法布里-玻罗标准具（简称F-P 标准具）.F-P 标准具是由平行放置的两块平面玻璃或石英板组成的，在两板相对的平面上镀有较高反射率的薄膜，为消除两平板背面反射光的干涉，每块板都作成楔形.两平行的镀膜平面中间夹有一个间隔圈，用热胀系数很小的石英或铟钢精加工而成，用以保证两块平面玻璃之间的间距不变.玻璃板上带有三个螺丝，可精确调节两玻璃板内表面之间的平行度.标准具的光路如图2.1.1-2所示.自扩展光源S 上任一点发出的单色光，射到标准具板的平行平面上，经过M 1和M 2表面的多次反射和透射，分别形成一系列相互平行的反射光束1，2，3，4，…和透射光速1’，2’，3’，4’，…在透射的诸光束中，相邻两光束的光程差为θcos 2nd =∆，这一系列平行并有确定光程差的光束在无穷远处或透镜的焦平面上成干涉像.当光程差为波长的整数倍时产生干涉极大值.一般情况下标准具反射膜间是空气介质，1≈n ，因此，干涉极大值为λθK d =cos 2 （8） K 为整数，称为干涉级.由于标准具的间隔d 是固定的，在波长λ不变的条件下，不同的干涉级对应不同的入射角θ，因此，在使用扩展光源时，F-P 标准具产生等倾干涉，其干涉条纹是一组同心圆环.中心处θ=0，cos θ=1，级次K 最大，λd K 2max =.其他同心圆亮环依次为K-1级，K-2级等.标准具有两个特征参量：自由光谱范围和分辨本领，分别说明如下.1） 1） 自由光谱范围。
磁光效应
mT
特斯拉计
调零
探头
信号发生器
频率
幅度
输出 示波器
激光器 DC 3V
电源
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FD-MOC-A 磁光效应综合实验仪
光功率计 2uW 20uW 200uW 2mW
输入 调零
信号输入 基频 倍频
选频放大 基频 倍频
电源
上海复旦天欣科教仪器有限公司
控制主机（特斯拉计）
直流稳压电源
图6 正交消光法测量法拉第效应装置连接示意
控制主机（光功率计）
2、正交消光法测量法拉第效应（测量法拉第旋光 玻璃样品） （1）列表：励磁电流I（磁感应强度B）和检偏器 偏转角度θ数据
励磁电流I(A)
0 0.5
1
1.5
2
检偏器角度(min)
磁感应强度B(mT)
偏振光偏转角度θ(min)
（2）利用计算机绘出θ-B曲线图。（提示：利用实验 1实验曲线B-I关系求磁场，θ是线偏振光偏转的角度： 即与磁场为零时检偏器角度之差） （3）曲线拟和，得出线性关系式。 （4）利用法拉第效应公式和斜率求费尔德常数。
磁光效应
一、实验目的：
1．用特斯拉计测量电磁铁磁头中心的磁感应强度，分析 线性范围。
2．法拉第效应实验：消光法检测磁光玻璃的费尔德常数。 3．法拉第效应实验：消光法测量不同样品的费尔德常数。
二、实验仪器：
磁光效应综合实验仪（特斯拉计、调制信号发生器、 激光器电源、光功率计和选频放大器）；计算机；光学元 件（激光器、起偏器、检偏器、测角器（含偏振片）、调 制线圈、会聚透镜、探测器、电磁铁（包括：直流可调稳 压电源））
三、实验原理：
当一束平面偏振光穿过介质时，如果在介质 中，沿光的传播方向上加上一个磁场，就会观察
磁-光效应
磁-光效应磁-光效应：探索光的神秘光，是一种让我们日常生活变得更加便利的神奇物质。
但光究竟是由什么东西构成的？这自古以来一直是物理学家们所研究的难题。
近代科学家们发现，光是由粒子和波动两种形式共同组成的，而这其中涉及到了磁-光效应这一神秘而重要的原理。
磁-光效应是指在磁场的存在下，光线会发生偏转的现象。
这个现象曾经被科学家们反复验证，并在现代技术中得到了广泛的应用。
下面我们将从不同方面来探讨磁-光效应。
一、概念与原理磁-光效应的概念很简单，就是在磁场中光的传播方向发生改变。
这个改变的量通常由磁转率来表示，是光线偏转的角度和磁场大小的比值。
那么，磁-光效应是如何发生的呢？它的原理是光线在光波传递过程中，会产生磁场。
在磁场的作用下，光波的响应会发生变化，从而改变了光线本身的运动方向。
这一原理在光学和物理实验中都得到了广泛应用。
二、应用领域磁-光效应在现代科技中起到了非常重要的作用。
在磁光存储、磁光记录、激光扫描等领域中，磁-光效应都发挥着至关重要的作用。
以磁光存储为例，这种技术利用了光磁互作用原理，将磁化信息焊接在光学介质中，从而实现了高速稳定的信息存储。
而在磁光记录技术中，磁-光效应被用于记录和读取信息的过程中。
此外，磁-光效应还被广泛应用于光纤通讯和激光扫描等领域，成为现代科技中的重要组成部分。
三、磁-光效应实验同时实验是探究磁-光效应现象的有效手段。
常见的磁-光效应实验有振幅旋转干涉法、红外磁吸收光谱法等。
振幅旋转干涉法是通过磁矩的存在使光线在通过磁场时发生一定的相位变化，进而观察干涉图案，从而确定样品的磁矩排列情况。
而红外磁吸收光谱法则是通过测量样品在磁场中吸收红外辐射的变化来推断样品中分子的内部结构、分子中原子的位置等。
总之，磁-光效应是一种神奇而又实用的物理现象，被广泛应用于现代科技发展的各个领域。
在未来的探索过程中，我们或许还会发现更多有趣的应用或发现关于光的更多神奇性质。
磁性测量概论
Hardware & Driver Software
GPIB
Serial DAQ VXI
Application • Measurement Software Studio
• LabVIEW
Process or
Unit Under Test
Image Acquisition
Motion Control
通 杂散磁场 磁 场 传 感 器、磁 通 量 具、磁通门
磁矩
各类磁强计
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20
磁性测量
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• 磁性测量: 传统 仪 器
信号发生 信号变换
空间变化 振动样品、提拉样品、冲击法、SQUID磁强计 电磁感应
时间变化 动态磁性测量仪、永磁材料测试仪
光
SMOKE、磁圆（线）振二向色性
物理效应
电
交、直流电输运
力
磁转矩、磁秤、交变梯度磁强计
磁共振
稳恒磁场 微波磁场
ESR、FMR、AFMR、NMR、Mössbauer谱
回旋共振
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磁性测量
20
• 磁性测量: 传统 仪 器
信号采集
信号采集方法
探测线圈
悬丝扭矩、杠杆失衡 梯度线圈、压电晶体电压 极化光偏振方向、检偏器 电阻应变片应变、激光行程
（微波）能量吸收
磁性测量概论
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• 磁性 • 磁性测量
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磁性测量概论
目 的
• 希望 澄清一些磁学计量概念
• 帮助 了解数据的来源
• 全面 掌握数据的测量方法
• 促进 研究磁性的测量理论与测量技术
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第三章磁光效应
（二）反常塞虽效应
•1897年12月普雷斯顿（T.Preston）报告说，在很多实验事例中；谱 谱 线不只是分裂成三条,谱线间隔也不尽相同 谱线间隔也不尽相同，在其后的30年一直未能 线不只是分裂成三条 谱线间隔也不尽相同 得到解释，从前被称反常塞曼效应。直到乌仑贝克（G.E. Uhlenbeck 电子自旋假设后才得到圆满解释。 荷兰人）提出电子自旋假设 电子自旋假设 •为了解释反常塞曼效应，还必须考虑电子的自旋，这自旋也产生磁 必须考虑电子的自旋， 必须考虑电子的自旋 具有自旋磁矩µ 电子轨道运动产生的轨道磁矩为µ 性，具有自旋磁矩 0，电子轨道运动产生的轨道磁矩为 l实际上，塞 塞 不只是电子轨道运动的磁矩受外磁场作用产生的， 曼效应不只是电子轨道运动的磁矩受外磁场作用产生的 曼效应不只是电子轨道运动的磁矩受外磁场作用产生的，而是轨道 磁矩、自旋磁矩共同受磁场作用产生的。人们发现，只有当原子的 磁矩、自旋磁矩共同受磁场作用产生的 只有当原子的 电子数为偶数，而各电子的自旋恰好互相抵消， 电子数为偶数，而各电子的自旋恰好互相抵消，总自旋和总自旋磁 矩均为零，才会有正常塞曼效应产生。一般情况下，总自旋不一定 矩均为零， 才会有正常塞曼效应产生 总自旋不一定 等于零，其作用不可忽略。总自旋Ｓ 等于零，其作用不可忽略。总自旋Ｓ≠0时，在外磁场作用下能级的 时 分裂，不仅与外磁场Ｂ有关，还与能级的朗德g因子有关 因子有关。 分裂，不仅与外磁场Ｂ有关，还与能级的朗德 因子有关 •这时，计算外磁场中谱线的分裂，不能采用式（3一4），而必须采 用式（3一3），每个能级在外磁场中分裂为更多的能级，在跃迁的 选择定则支配下，便产生更多频率的谱线。例如，在无外磁场情况 下的钠双线对应的波长为589．0 nm和589．6 nm。在外磁场下， 589.0 nm的谱线分裂成六条谱线，589．6 nm的谱线分裂成四条谱线。
磁光效应实验的应用原理
磁光效应实验的应用原理1. 磁光效应简介磁光效应是指在磁场的作用下，物质对光的传播速度和光的偏振态产生改变的现象。
2. 磁光效应实验的原理磁光效应通过研究物质在磁场中对光的作用，可以实现对磁场的测量和调控。
2.1 磁光效应的基本原理磁光效应的基本原理是磁场导致物质的光学性质发生变化。
具体来说，磁场会改变物质中的电子运动轨迹，从而影响光的传播速度和偏振态。
2.2 磁光效应实验中的关键参数在磁光效应实验中，有三个关键参数需要考虑：•磁场强度：磁场强度的大小会影响磁光效应的程度。
一般来说，磁光效应随着磁场强度的增加而增强。
•材料特性：不同材料对磁光效应的响应程度也会不同。
一般来说，材料的磁光效应越强，其对磁场的敏感性越高。
•入射光波长：入射光的波长也会对磁光效应产生影响。
不同波长的光对物质的激发方式不同，从而影响磁光效应的强弱。
2.3 磁光效应实验的基本流程磁光效应实验一般遵循以下基本流程：1.准备实验材料和仪器：包括磁场发生器、光源、光波导等。
2.设置实验条件：调整磁场强度、选择合适的光源和波长。
3.注入光源：通过光波导将光源注入实验系统。
4.测量光学参数：使用光学仪器测量材料在不同磁场下的光传播速度和偏振态。
5.分析实验结果：根据测量结果，得出关于材料磁光效应的定量数据，如磁光系数等。
3. 磁光效应实验的应用磁光效应实验不仅是一种对物质进行研究的常用手段，也被广泛应用于以下领域：3.1 磁场测量磁光效应可以用于测量实验环境中的磁场的强度和方向。
通过测量磁光效应的强度，可以得到与磁场强度成正比的数据，从而准确地测量磁场。
3.2 光学调制器由于磁光效应可以实现对光的传播速度和偏振态的调控，因此可以将其应用于光学调制器的制造。
光学调制器在光通信、激光雷达等领域有着重要的应用。
3.3 磁光存储器利用磁光效应可以实现对光的偏振态的调控，磁光存储器可以将信息以光的形式存储，具有高速、高密度等特点。
磁光存储器在计算机科学、信息技术等领域有广泛的应用前景。
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9.
10. “Spin Dynamics in Confined Magnetic Structures III”, by Burkard Hillebrands (Editor), Andre Thiaville (Editor), $225.00, 350 pages, Springer-Verlag; (September 15, 2004), ISBN: 3540201084
2c
Re(n− − n+ ) ≈
ω
2c ε
⋅ z0 ⋅ B
α F = V ⋅ l0 ⋅ B αF = K ⋅ l0 ⋅ M
V：Verdet constant，非磁性介质 K：Kundt constant，磁性介质
线偏振
M
O/E 椭圆偏振 光电转换 YIG
l0 石英玻璃 4.35 2.39 苯 9.25 5.06
右旋圆偏振光
1 E0 e − iω t 2
tan 2α =
' 1 E0 e − iω (t − n+l / c ) 2
2 Ex 0 E y 0 E −E
2 x0 2 y0
cos δ
E+ =
α= δ
1 2
磁光Faraday效应
Faraday旋转角αF：（l0为样品厚度 ）α =
F
法拉第效应2
ω z0
法拉第效应3
α F = V ⋅ l0 ⋅ B αF = K ⋅ l0 ⋅ M
磁光Kerr效应
Magnetic Optical Kerr Effect (MOKE)
1876年，Reverend J. C. Kerr Kerr J. C., J. Rep. Brit. Assoc. 5, (1876) 所有介质
1 −iQ 0 iQ 1 0 [ε ] = n 2 0 1 0
ε ki (− H )
• 量子理论－材料的电子结构和电子波函数
跃迁定则：角动量守恒 自旋－轨道耦合，磁场能：Zeeman能
所需基础知识
1. 电磁波的产生与检测 2. 电磁波与物质的相互作用：
a. 光的偏振，波的合成 b. 电动力学（Maxwell方程） c. 量子力学、散射截面 e. 电磁波在物质表面的反射 f. 电磁波的散射、吸收与发射
磁光1
出射光 线偏振 偏振面旋转 线偏振 线偏振 线偏振 线偏振 线偏振 线偏振 椭圆偏振 椭圆偏振 椭圆偏振 椭圆偏振 椭圆偏振 椭圆偏振
吸收
磁场中光源发射的光谱发生劈裂 磁振子－光子散射（Brillouin散射）
磁光效应的物理来源
• 经典（电动力学）理论
磁场使得介电张量矩阵变为非对称矩阵 = n '+ in '' n − iω t plane-wave: e ⇒ ε ik ( H = ) = Q '+ iQ '' Q 磁光效应来源于非对角矩阵元：旋光性 磁场的作用：时间反演对称性破缺
磁光Kerr效应
可 见 光
磁与光 及其 相关效应 电子 磁共振
100 nm 10 nm 1 nm 10-1 10-2 10-3 nm nm nm
紫外线 X-射线 γ射线
磁与光、光与磁
一、磁场（或者磁矩）对光的作用
各种磁－光效应：偏振，吸收，散射，能级 自旋－轨道耦合 ＋ Zeeman劈裂 M H 强度、偏振、方向、频率、相位
物理的 非（纯）数学的
光是什么？
• 会意。甲骨文字形, “从火, 在人上”。 • 本义: 光芒, 光亮 • 《说文》：光, 明也。 Light？ Optic？ Photo？
物理：光是能量的一种形式
光的表征：波长、频率；强度；速度；相位；偏振；
光与介质
• • • • 光的产生（光辐射）：量子力学的发源 光的干涉与衍射：波的特性 光的吸收、散射与色散：物理性质的研究 光致辐射：光电效应
预备1
RF
— 0.001 eV — 0.01 eV — 0.1 eV — 1 eV — 10 eV — 100 eV — 1 keV — 10 keV — 100 keV — 1 MeV
100 cm－1— 100 µm 1000 cm－1— 10 µm 10 000 cm－1— 1 µm
远红外线 红外线
1845年，M. Faraday Faraday M., Phil. Trans. Roy. Soc. 136,1(1846) 所有介质
磁光Faraday效应
1 E− = E0 eiω t 2
' 1 iω ( t − n− l / c) E− = E0 e 2
法拉第效应1
' ' = n0 δ n' n±
磁与光及相关效应
磁－光效应的种类
效应名称 Faraday效应 Cotton-Mouton效应 （Voigt效应） 磁双折射效应 磁圆振 磁线振 横向 纵向 极向 Zeeman效应 磁致激发光散射 发光 Raman散射 Kerr效应 反射 二向色性 透射 光路/模式 入射光 平行于M 垂直于M 平行于M 垂直于M M垂直于表面 M平行表面及入射面 M平行表面垂直入射面
参考读物
8. “Spin Dynamics in Confined Magnetic Structures I (Topics in Applied Physics, 83)”, by Burkard Hillebrands, Kamel Ounadjela, B. Hillebrands, $159.00, 388 pages, SpringerVerlag Telos; (January 1, 2002), ISBN: 3540411917 “Spin Dynamics in Confined Magnetic Structures II (Topics in Applied Physics, 87)”, by Burkard Hillebrands, Kamel Ounadjela, $189.00, 440 pages, Springer-Verlag; (March 18, 2003), ISBN: 3540440844
散射 反射 折射 双折射 吸收 色散 光电效应
磁场 磁性介质
磁场、磁性介质对光的影响
• 对光辐射的影响
能级劈裂：Zeeman效应
• 对光的偏振状态的影响
透射：Faraday效应、Voigt效应、Cotton－Mouton效应 反射：磁光Kerr效应
• 对光的吸收的影响
磁二色性：磁圆二色谱（MCD）、磁线二色谱（MLD）
参考读物
11. “Group Theory in Spectroscopy with applications to Magnetic Circular Dichroism”, by Susan B. Piepho, Paul N. Schatz, Wiley-Interscience Monographs in Chemical Physics, Sean P. McGlynn , Editor, (1983). John Wiley & Sons, Inc., ISBN: 0471-03302-2 12. “Inelastic Scattering of X-Rays with Very High Energy Resolution”, by Eberhard Burkel, Springer Tracts in Modern Physics, Volume 125, Springer-Verlag; (1991), ISBN: 3-54054418-6
V: °/(cm·T) K: °/(cm·Oe)
Hg: 435.8 nm Na: 588.9 nm 830 nm
3.4
磁光Faraday效应
磁光Faraday效应的应用
1. 磁光隔离器（透射型，如YIG） 2. 磁场强度测量（非磁性介质） 3. 磁光存储器读头（read） 4. 磁化行为测量（磁性介质） 5. 磁畴结构观测（透光） 6. 动态磁化过程
二、光对介质磁性能的作用
光辐照效应：矫顽力、磁导率、磁各向异性，铁磁共振 电子的能级移动
磁与光及相关效应
磁光法拉第效应 磁光克尔效应 布里渊散射 磁二色谱 动态磁化过程的观测
/definition/Faraday_effect
磁光Faraday效应
Magnetic Optical Faraday Effect (MOFE)
磁性测量原理篇 之二 磁光效应
赵同云
磁学国家重点实验室
2013年4月22日
磁与光及相关效应
光的吸收、散射和色散
O
x M (B) M（B） E y z
声
明
本讲稿中引用的图、表、数据全部取自 公开发表的书籍、文献、论文，而且仅为教 学使用，任何人不得用于商业目的。
参考读物
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 关于偏振、透射、反射、散射、吸收（《电动力学》） “Magneto-optical effects”, P. S. Pershan, J. Appl. Phys., 38, 1482-1490 (1967). 《计量测试技术手册》第7卷《电磁学》，中国计量出版社， 1996 《磁性测量》，周世昌 编，电子工业出版社，1994 《拉曼 布里渊散射》，程光熙 著，科学出版社，2001 “Magnetic dichroism in core-level photoemission”, K. Starke, Springer-Verlag, 2000 “X-ray scattering and absorption by magnetic materials”, S.W. Lovesey, S.P. Collins, Oxford U. Press, 1996
• 对光的散射的影响