光波在磁光介質中的傳播 磁光調制

旋光1．石英的旋光現象1）旋光現象冰洲石晶體無旋光現象5/17/2025水晶有旋光現象5/17/20252）旋光定義：線偏振光在石英晶體內部沿光軸方向傳播時，透過后偏振面被旋轉了一個角度。3）旋光率：：旋光率。4）旋光色散：，旋光率隨波長變化。不同顏色的線振動面透過晶體后被旋轉的角度不同5/17/20255）左旋和右旋晶體一種結構是另一種結構的鏡像反演線偏振光沿光軸通過晶體后振動面一種向左旋、另一種向右旋。5/17/2025磁光效應是磁光調制的物理基礎。當光波通過這種磁化的物體(磁性物質）時，其傳播特性發生變化，這種現象稱為磁光效應。磁光效應包括法拉第旋轉效應、克爾效應、磁雙折射效應等。其中最主要的是法拉第旋轉效應，它使一束線偏振光在外加磁場作用下的介質中傳播時，其偏振方向發生旋轉，其旋轉角度

的大小與沿光束方向的磁場強H和光在介質中傳播的長度L之積成正比，即

＝VHL(1)式中，V稱為韋爾代(verdet)常數，它表示在單位磁場強度下線偏振光通過單位長度的磁光介質后偏振方向旋轉的角度。表列出了一些磁光材料的韋爾代常數。2.5光波在磁光介質中的傳播5/17/2025裝置、光路FaradayRotatorBrewsterdielectricpolarizersRotator和光的偏振有關。當自然光從各向同性介質射向各向異性且光軸任意取向的單軸晶體界面上時，其反射光成為垂直入射面的線偏振光時所對應的入射角即布儒斯特角。

5/17/2025在光頻波段內，令，幾乎所有的磁光現象都可得到解釋。引進等效介電系數張量

當磁場反向時，

的符號也要反號，即:

理論分析5/17/2025假設磁場沿z軸方向，取磁光介質中傳播的平面波為:式中lx、ly、lz為光波矢的方向余弦。代入菲涅耳方程

由系數行列式為零，得到折射率n所滿所足的方程:5/17/2025

假設光波在立方晶體或各向同性介質中（）平行于磁化強度（z）方向（lx=ly=0，lz=1）傳播，得

5/17/2025可見Ez=0，即介質中傳播的光波為橫波，相應的傳播模式為右旋和左旋的兩個圓偏振光波：代如菲涅耳方程得，5/17/20255/17/2025因此，沿x方向偏振的入射光經過長度為L的磁光介質后將偏轉一個角度這就是法拉第旋轉現象，

為磁致旋光率。

5/17/2025當磁化強度較弱，B與H為線性關系，即

=

0為常量。因而旋光率

與外加磁場強度在成正比,式可寫成:

式中V稱為韋爾德（Verdet）常數，它表示在單位磁場強度下線偏振光波通過單位長度磁光介質后偏振方向旋轉的角度。5/17/2025法拉第旋轉的特殊規律（1）自然旋光物質左右旋與光的傳播方向無關5/17/2025（2）光沿磁場方向通過時，振動面右旋。光逆磁場方向傳播時，振動面左旋。5/17/2025（4）法拉第旋轉的用途若：線偏振光返回后無法通過第一個偏振片，成為光隔離器。則:（3）光束一正一反兩次通過磁光介質時，振動面轉過角度。法拉第旋轉器的應用5/17/2025對于旋光現象的物理原因，可解釋為外加磁場使介質分子的磁矩定向排列，當一束線偏振光通過它時，分解為兩個頻率相同、初相位相同的兩個圓偏振光，其中一個圓偏振光的電矢量是順時針方向旋轉，稱為右旋圓偏振光，而另一個圓偏振光是逆時針方向旋轉的，稱為左旋圓偏振光。這兩個圓偏振光無相互作用地以兩種略有不同的速度

+＝c/nR和

-＝c/nL傳播，它們通過厚度為L的介質之后產生的相位延遲分別為:所以兩圓偏振光間存在一相位差5/17/2025當它們通過介質之后，又合成為一線偏振光，其偏振方向相對于入射光旋轉了一個角度。zA表示入射介質的線偏振光的振動方向，將振幅A分解為左旋和右旋兩矢量AL和AR

，假設介質的長度L使右旋矢量AR剛轉回到原來的位置，此時左旋光矢量(由于vL≠vR

)轉到A’L，于是合成的線偏振光A’相對于入射光的偏振方向轉了一個角度

，此值等于

角的一半，即

=/2＝（nR

–nL）L/(3)可以看出，A’的偏振方向將隨著光波的傳播向右旋轉。這稱為右旋光效應。ALARAL’

zAA’(2)5/17/2025磁致旋光效應的旋轉方向僅與磁場方向有關，而與光線傳播方向的正逆無關，這是磁致旋光現象與晶體的自然旋光現象不同之處(即當光束往返通過自然旋光物質時，因旋轉角相等方向相反而相互抵消)。但通過磁光介質時，只要磁場方向不變，旋轉角都朝一個方向增加，此現象表明磁致旋光效應是一個不可逆的光學過程，因而可利用來制成光學隔離器或單通光閘等器件。5/17/2025英國物理學家麥克爾·法拉第（1791－1867），貧苦出身，幼年失學，在印刷廠當童工時學習零星的科學知識1812年，聆聽戴維的講演，得到戴維的賞識，到了實驗室當一名刷瓶子工人。次年成為戴維的助手。游歷歐洲。在電化學方面顯示出卓越的實驗才能，1824年選為皇家學會會員。遭到戴維的妒忌，但法拉第一直心存感激。5/17/2025電磁感應電流有磁效應，磁有沒有電流效應呢？1831年，法拉第發現運動的磁鐵會導致電流，而靜止的磁鐵卻沒有電流效應。這個電流稱為感生電流。模型發電機與電動機。數學能力的欠缺被天才的物理洞察力所彌補建立“場”的概念（用來傳遞電磁作用的連續介質）、“力線”概念（場的直觀圖象）。破除了牛頓的超距作用概念。建立電磁感應定律：只要導線垂直地切害磁力線，導線中就有電流產生，電流的大小與所切割的磁力線數成正比。5/17/2025電磁波1832年的一封信中實際上提出了電磁波的概念：“我認為，磁力從磁極出發的傳播類似于起波紋的水面的振動或者空氣粒子的聲振動。也就是說，我打算把振動理論應用于磁現象，就像對聲音所作的那樣，而且這也是光現象最可能的解釋。”1845年發現磁的旋光效應（法拉第效應）1846年提出光的本性是電力線和磁力線的振動5/17/2025一生對科學一往情深，對金錢和地位不屑一顧。熱愛科普事業，1860年，69歲的法拉弟以《蠟燭的化學故事》為題做了六次“圣誕科學講座”英俄交戰時期，拒絕了政府研制毒氣的要求從1820－1862，每天堅持做實驗日記，1932年出版，共七大卷3236頁5/17/2025法拉第1845年發現旋光效應；克爾1875年發現電克效應和1876年發現克爾磁光效應；荷蘭物理學家塞曼于1896年發現的又一個磁光效應；法拉第旋光效應和克爾效應的發現在當時引起了眾多物理學家的興趣。1862年法拉第出于“磁力和光波彼此有聯系”的信念，試圖探測磁場對鈉黃光的作用，但因儀器精度欠佳未果。5/17/20253.4光束的調制和掃描磁光調制主要是應用法拉第旋轉效應使一束線偏振光在外加磁場作用下的介質中傳播時，其偏振方向發生旋轉5/17/20251.磁光體調制器zzHdc45

入射光起偏器調制信號檢偏器YIG棒磁光調制示意圖為了獲得線性調制，在垂直于光傳播的方向上加一恒定磁場Hdc，其強度足以使晶體飽和磁化。工作時，高頻信號電流通過線圈就會感生出平行于光傳播方向的磁場，入射光通過YIG晶體時，由于法拉第旋轉效應，其偏振面發生旋轉，旋轉角正比于磁場強度H。5/17/2025

s：是單位長度飽和法拉第旋轉角；：是調制磁場如果再通過檢偏器，就可以獲得一定強度變化的調制光。5/17/20252.磁光波導調制器

TMTETMxzy

磁光波導模式轉換調制器在磁性膜表面用光刻方法制作一條金屬蛇形線路，當電流通過蛇形線路時，蛇形線路中某一條通道中的電流沿y方向，則相鄰通道中的電流沿

y方向，該電流可產生

z、