2.4 光波在磁光介质中的传播 (1)
已交!2017磁致旋光效应实验讲义 (1) 第11周三 5-8节
法拉第效应实验1845年法拉第（Michal Faraday）发现玻璃在强磁场中具有旋光性，加在玻璃棒上的磁场引起了平行于磁场方向传播的平面偏振光偏振面的旋转，此现象称为法拉第效应。
法拉第效应第一次显示了光和电磁现象之间的联系，促进了人们对光本性的研究。
之后费尔德（Verdet）对许多介质的磁致旋光进行了研究，发现法拉第效应在固体、液体和气体中广泛存在。
法拉第效应在许多方面都有应用。
比如，根据结构不同的碳氢化合物其法拉第效应的表现不同来分析碳氢化合物；在测量技术中，利用它弛豫时间短（约10-10秒）的特点，制成磁光效应磁强计，可用来测量脉冲磁场和交变强磁场；在激光通讯、激光雷达技术中，利用法拉第效应可制成光频环行器、磁光调制器等重要器件；特别是在激光技术中，利用法拉第效应，可制成光波隔离器或单通器，这些在激光多级放大技术和高分辨激光光谱技术都是不可缺少的器件。
【实验目的】1.通过实验了解磁致旋光现象的本质，加深对法拉第效应的理解。
2.测量材料的费尔德系数。
3.了解费尔德系数与入射光波长的关系。
【实验原理】1.法拉弟效应法拉弟效应所呈现的磁致旋光现象源于塞曼效应。
介质分子中原来简并的基态或激发态在磁场作用下发生分裂，使左圆与右圆偏振光的共振吸收频率不同，从而使它们的吸收曲线和色散曲线相互错开。
这导致两种效应：一是使介质对一定频率的左圆与右圆偏振光的吸收率不同，产生磁圆二色性；二是使通过介质的平面偏振光的偏振面旋转，产生法拉第效应。
这两种效应总是同时存在的，但磁圆二色性只在吸收峰附近才显示出来，而法拉第效应对所有物质在所有波长都会出现。
实验表明，在磁场不是非常强时，法拉弟效应振动面偏转的角度φ与偏振光在介质中通过的路程l和介质中的磁感应强度在光的传播方向的分量B的乘积成正比，即φ=V⋅l⋅B （1）式中比例系数V与工作介质和光的波长λ有关，反映了介质材料的磁光特性，这个比例系数V 称为磁光介质的费尔德常数。
2.4 光波在磁光介质中的传播
2011-12-25
2.5
光波在磁光介质中的传播
磁光效应是磁光调制的物理基础。 磁光效应是磁光调制的物理基础。当光波通过这种磁化的物体 (磁性 磁性 物质） 物质）时，其传播特性发生变化，这种现象称为磁光效应。 其传播特性发生变化，这种现象称为磁光效应。 磁光效应包括法拉第旋转效应、克尔效应、磁双折射效应等。 磁光效应包括法拉第旋转效应、克尔效应、磁双折射效应等。其 法拉第旋转效应 效应 效应等 中最主要的是法拉第旋转效应， 中最主要的是法拉第旋转效应，它使一束线偏振光在外加磁场作用下 法拉第旋转效应 的介质中传播时，其偏振方向发生旋转， 的介质中传播时，其偏振方向发生旋转，其旋转角度θ 的大小与沿光 束方向的磁场强H和光在介质中传播的长度 之积成正比 束方向的磁场强 和光在介质中传播的长度L之积成正比，即 和光在介质中传播的长度 之积成正比， (1) 式中，V称为韦尔代(verdet)常数，它表示在单位磁场强度下线偏振光 通过单位长度的磁光介质后偏振方向旋转的角度。表列出了一些磁光 材料的韦尔代常数。
2
由系数行列式为零，得到折射率 所满所足的方程 由系数行列式为零，得到折射率n所满所足的方程 :
2011-1217页 2011-12-25 共17页 8
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2011-12-25
n [ε l +ε l +ε l ] − n [(εrxεry −δ )(l + l )
4 2 rx x 2 ry y 2 rz z 2 2 2 x 2 y
+εrz(ε l +ε l ) +εrz(εrx +ε )l ] +εrz(εrxεry −δ ) = 0
2 rx x 2 ry y 2 ry z 2
张永林第二版《光电子技术》课后习题答案
1.1可见光的波长、频率和光子的能量范围分别是多少？ 波长：380~780nm 400~760nm 频率：385T~790THz 400T~750THz 能量：1.6~3.2eV1.2辐射度量与光度量的根本区别是什么？为什么量子流速率的计算公式中不能出现光度量？ 为了定量分析光与物质相互作用所产生的光电效应，分析光电敏感器件的光电特性，以及用光电敏感器件进行光谱、光度的定量计算，常需要对光辐射给出相应的计量参数和量纲。
辐射度量与光度量是光辐射的两种不同的度量方法。
根本区别在于：前者是物理（或客观）的计量方法，称为辐射度量学计量方法或辐射度参数，它适用于整个电磁辐射谱区，对辐射量进行物理的计量；后者是生理（或主观）的计量方法，是以人眼所能看见的光对大脑的刺激程度来对光进行计算，称为光度参数。
因为光度参数只适用于0.38~0.78um 的可见光谱区域，是对光强度的主观评价，超过这个谱区，光度参数没有任何意义。
而量子流是在整个电磁辐射，所以量子流速率的计算公式中不能出现光度量.光源在给定波长λ处，将λ～λ+d λ范围内发射的辐射通量 d Φe ，除以该波长λ的光子能量h ν，就得到光源在λ处每秒发射的光子数，称为光谱量子流速率。
1.3一只白炽灯，假设各向发光均匀，悬挂在离地面1.5m 的高处，用照度计测得正下方地面的照度为30lx ，求出该灯的光通量。
Φ=L*4πR^2=30*4*3.14*1.5^2=848.23lx1.4一支氦-氖激光器（波长为632.8nm ）发出激光的功率为2mW 。
该激光束的平面发散角为1mrad,激光器的放电毛细管为1mm 。
求出该激光束的光通量、发光强度、光亮度、光出射度。
若激光束投射在10m 远的白色漫反射屏上，该漫反射屏的发射比为0.85，求该屏上的光亮度。
32251122()()()6830.2652100.362()()22(1cos )()0.3621.15102(1cos )2(1cos 0.001) 1.4610/cos cos cos 0()0.3v m e v v v v v v v vv v vK V lm d I d S RhR R I cddI I I L cd m dS S r d M dS λλλλλππθλπθπθθπλ-Φ=Φ=⨯⨯⨯=Φ∆Φ==Ω∆Ω∆∆Ω===-∆Φ===⨯--∆∆====⨯∆Φ==52262 4.610/0.0005lm m π=⨯⨯'2'''222''2'2'100.0005(6)0.850.850.85cos 0.85155/cos 2v vvv v v v v l m r mP d r M E L dS lr L d dM l L cd m d dS d πθπθπ=>>=Φ===⋅⋅Φ====ΩΩ1.6从黑体辐射曲线图可以看书，不同温度下的黑体辐射曲线的极大值处的波长随温度T 的升高而减小。
光电子技术基础题库
光电子技术基础题库一．填空题1、光电子器件按功能分为光源器件、光传输器件、光控制器件、光探测器件、光存储器件，光源器件分为 光源和 光源。
2、某一半导体材料的禁带宽度为3.1 电子伏特，则该半导体本征吸收的长波极限为 纳米。
3、最早的电光源是炭弧光灯，最早的激光器是1960年由美国家的梅曼制作的激光器。
4、当受激辐射大于受激吸收的时候，物质对外表现为光 ，当受激辐射小于受激吸收时候，物质对外表现为光 。
5、激光器的基本结构包括 ， ， 。
6、受激辐射产生的光的特点是： 好， 好， 好。
7、发光的方式很多，但根据余辉的长短可将发光大致分成 和 两类。
8、光电探测器的物理效应可以分为三大类： 、和 。
9、太阳能电池是利用半导体的 原理直接把光能转化为电能的装置。
10、光纤由传导光的 和外层的 两同心圆形的双层结构组成，且12n n 。
外面再包以一次涂覆护套和二次涂覆护套。
11.根据液晶的分子不同可以将其分为 、 和 液晶。
12. 按照声波频率的高低以及声波和光波作用的长度不同，声光相互作用可以分为 衍射和 衍射 。
13. 在间接带隙半导体中，电子由价带顶跃迁到导带底时，需要同时吸收或发射 ，以补偿电子准动量的变化。
14.光波在光纤中传播有3种模式，导模（传输模），和。
15. 光在各向同性介质中传播时，复极化率的实部表示与频率的关系，虚部表示物质与频率的关系。
16、液晶显示所用的液晶材料是一种兼有和双重性质的物质，它的棒状结构在液晶盒内一般平行排列，但在电场作用下能改变其排列方向。
17、某一半导体材料的禁带宽度为2.6 电子伏特，则该半导体本征吸收的长波极限为纳米。
18、光纤通光电子器件按功能分为光源器件、光传输器件、光控制器件、光探测器件、光存储器件，光传输器件分为光学元件(如棱镜、透镜、光栅、分束器等)、和等。
19、受激辐射产生的光的特点是：好，好，好。
20、激光器按工作方式区分可分为和激光器。
21.光电子技术主要研究光与物质中的电子相互作用及其的相关技术，是一门新兴的综合性交叉学科。
不同频率的光在介质中的传播速度
不同频率的光在介质中的传播速度下载提示：该文档是本店铺精心编制而成的，希望大家下载后，能够帮助大家解决实际问题。
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光电子技术复习
光电⼦技术复习第⼀章1、光电⼦技术的定义光电⼦技术是光学技术与电⼦技术结合的产物，是电⼦技术在光频波段的延续和发展。
是研究光（特别是相⼲光）的产⽣、传输、控制和探测的科学技术。
2、电磁波的性质1.电磁波的电场和磁场都垂直于博得传播⽅向，三者相互垂直，电磁波是横波，和传播⽅向构成右⼿螺旋关系。
2.沿给定⽅向传播的电磁波，电场和磁场分别在各⾃平⾯内振动，称为偏振。
3.空间个点磁场电场都做周期性变化，相位同时达到最⼤或最⼩。
4.任意时刻，在空间任意⼀点，H E µε=5.电磁波真空中传播速度为001µε=c ，介质中的为εµ1=v3、⾊温的概念规定两波长处具有与热辐射光源的辐射⽐率相同的⿊体的温度。
4、辐射度学与光度学的基本物理量作业：1、2第⼆章⼀、光波在⼤⽓中的传播1、光波在⼤⽓中传播时，引起的光束能量衰减和光波的振幅和相位起伏因素光波在⼤⽓中传播时，⼤⽓⽓体分⼦及⽓溶胶的吸收和散射会引起的光束能量衰减，空⽓折射率不均匀会引起的光波振幅和相位起伏2、⼤⽓分⼦散射的定义、特点；瑞利散射的定义和特点定义：当光线穿过地球周围的⼤⽓时，它的⼀些能量向四⾯⼋⽅反射。
特点：波长较短的光容易被散射，波长较长的光不容易被散射。
瑞利散射定义：在可见光和近红外波段，辐射波长总是远⼤于分⼦的线度，这⼀条件下的散射为瑞利散射。
瑞利散射特点：波长越长，散射越弱；波长越短，散射越强烈。
所以天空呈蓝⾊。
3、⼤⽓⽓溶胶的定义、瑞利散射、⽶-德拜散射；⼤⽓⽓溶胶：⼤⽓中有⼤量的粒度在0.03 µm到2000 µm之间的固态和液态微粒，它们⼤致是尘埃、烟粒、微⽔滴、盐粒以及有机微⽣物等。
由这些微粒在⼤⽓中的悬浮呈胶溶状态，所以通常⼜称为⼤⽓⽓溶胶。
瑞利散射：散射粒⼦的尺⼨远⼩于光波长时，散射光强。
⽶德拜散射：散射粒⼦的尺⼨⼤于等于光波长时，散射光强对波长的依赖性不强。
⼆、光波在电光晶体中的传播1、电光效应的定义及分类电光效应：在外电场作⽤下，晶体的折射率发⽣变化的现象。
第六章光波在非均匀介质中的传播.
在大多数周期性介质中，只能得到麦克斯韦方程的近似 解。通常采用的近似方法有两种，一种是简正模理论，另一 种是耦合模理论。
1.2 光在周期性介质中传播的简正模理论
对于周期性介质，把介质中光波传播的简正模写成
E (r ) = EK (r )eiK i r H (r ) = H K (r )eiK i r
EK (r ) = EK ( z ) = ∑ A( K − lg )e−il (2π / Λ ) z
l
对于一维周期性介质，介质在x和y方向是均匀的，
ε
与x和y无关，因此电矢量的布洛赫波可简化为
E (r ) = e
i ( K x x + K y y ) iK z z
e
EK ( z )
k × [k × A(k )] + ω 2 μ ∑ ε G A(k − G) = 0
α = 1, 2
相邻单元之间列矢量的关系可由界面处的连续性条件得到。
首先，考虑TE（E垂直于yoz）波的情况。 在界面
ω με 0
ω με 0
可见，禁带宽度与介电张量的傅立叶展开系数值
ε1
成正比。
以上讨论是假定布洛赫波沿着介质介电张量周期性变化的方向 传播的。对于布洛赫波的一般传播方向，色散关系比较复杂，并与 波的偏振态有关。
一般情况下，介电张量的每个展开系数 如果我们假定
εl
都对应一个禁带。
K − lg ≈ K , l = ±1, ±2,... K 2 ≈ ω 2 με 0
⎧n2 0 < z < b n( z ) = ⎨ ⎩ n1 b < z < Λ
式中 Λ 为折射率分布周期，
n( z ) = n( z + Λ)
光波在磁光介质中的传播40页PPT
40、学而不思则罔，思而不学则殆。——孔子
谢谢！
36、自己的鞋子，自己知道紧在哪里。——西班牙
37、我们唯一不会改正的缺点是软弱。——拉罗什福科
xiexie! 38、我这个人走得很慢，但是我从不后退。——亚伯拉罕·林肯
39、勿问成功的秘诀为何，且尽全力做你应该做的事吧。——美华纳
光波在磁光介质中的传播
1、合法而稳定的权力在使用得当时很 少遇到 抵抗。 ——塞 ·约翰 逊 2、权力会使人渐渐失去温厚善良的美 德。— —伯克
3、最大限度地行使权力总是令人奴化一切。——塔西佗
5、虽然权力是一头固执的熊，可是金 子可以 拉着它 的鼻子 走。— —莎士 比
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2016/8/7
对自然旋光物质，振动面的左旋或右旋是由旋光物质本身决定的，与光 的传播方向无关 入射光 左旋
反射镜
反射光
左旋
反射镜
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5
对磁致旋光物质，因加了一定方向的磁场，光沿逆向传播，振动面旋向 相反
左旋 入射光 反射镜
当一束线偏振光通过时，分解为两个频率相同、初相位相同的两个圆偏
振光，一个电矢量是顺时针旋转（右旋），另一个是逆时针旋转（左旋）， 而且分别以 +＝c/nR和 -＝c/nL传播，当通过长L后产生的相位延迟分别为:
从而总相位差
1 2
2
(nR nL ) L
(2)
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2016/8/7
4 磁光效应（Magneto-optical effect）
• 旋光效应：当线偏振光沿光轴通过晶体后，偏振方向可以发生旋转。一般
的旋光晶体为弱磁材料，具有双折射和互易的旋光特性。
• 磁光效应：对于强磁材料或处于强磁场作用下的弱磁材料，其透射光以及 反射光会产生与材料的磁化强度或外加磁场强度相关的非互易的光学效应。
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2016/8/7
2、理论分析
假设磁场沿z轴方向，取磁光介质中传播的平面波为 :
E (r , t ) E exp[i (t k r )] E{i[t k0 n(l x x l y y l z z )]}
式中lx、ly、lz为光波矢的方向余弦。
右旋 反射光
反射镜
B
B
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6
当光波通过这种磁化的物体 (磁性物质）时，其传播特性发生变化，这 种现象称为磁光效应。 磁光效应包括法拉第旋转效应、克尔效应、磁双折射效应等。 其中最主要的是法拉第旋转效应，它使一束线偏振光在外加磁场作用下 的介质中传播时，其偏振方向发生旋转，其旋转角度 的大小与沿光束方向
•
已知的磁光效应包括：Farady效应、Kerr效应、Zeeman效应、Voigt效应、
Cotton-Mouton效应（后二者也称为磁致双折射效应）
•
非互易：Farady旋转角θF和Kerr旋转角θ′F等表征磁光效应的参数都是磁场(H、 M）的线性函数，当磁场反向时， θF和θ′F都要改变符号。即光偏振面转动 方向仅由磁场H的方向决定，与光的传播方向与磁场同向还是反向无关。角 度叠加效应
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2016/8/7
法拉第1845年发现旋光效应；
克尔1875年发现电克效应和1876年发现克尔磁光效应； 荷兰物理学家塞曼于1896年发现的又一个磁光效应； 法拉第旋光效应和克尔效应的发现在当时引起了众多物理学家的兴趣。 1862年法拉第出于“磁力和光波彼此有联系”的信念，试图探测磁场对 钠黄光的作用，但因仪器精度欠佳未果。
ˆr E ] 0 代入菲涅耳方程 n [ E l (l E )
2
由系数行列式为零，得到折射率n所满所足的方程 :
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2016/8/7
2、理论分析
n [ l l l ] n [( rx ry )(l l )
法拉第旋转器的应用
1、磁光开关与磁光调制器（点调制与空间调制）
2、 磁光光盘：光信息存储
3、隔离器：在光通信和级联式激光器系统中用以隔离后续系统反馈的光信号
4、偏频器：零锁区激光陀螺中通过产生偏频来消除激光陀螺的闭锁现象
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2016/8/7
3、法拉第旋转的特殊规律
2、就第1题中的线偏振光，如果其传播方向与磁光介质的磁化强度方向 存在150的夹角，则该偏振光的偏振面将会旋转了多少。
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2016/8/7
角的一半，即
A
A’
= /2＝ （nR – nL）L/
(3)
AL’
A’的偏振方向将随着光波的传播向右旋转。这称为右旋光效应。
AL
z
AR
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2016/8/7
3、法拉第旋转的特殊规律
当通过磁光介质时，只要磁场方向不变，旋转角都朝一个方向增加，此现 象表明磁致旋光效应是一个不可逆的光学过程，因而可利用来制成光学隔离器 或单通光闸等器件。
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2016/8/7
3、法拉第旋转的特殊规律
当合成为一线偏振光时，其偏振方向将旋转了一个角度。
若将振幅A分解为左旋和右旋两矢量AL和AR ，假设介质的长度L使右
旋矢量AR刚转回到原来的位置，此时左旋光矢量(由于vL≠vR )转到A’L，于 是合成的线偏振光A’相对于入射光的偏振方向转了一个角度，此值等于
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2016/8/7
电磁波
• 1832年电磁波的概念：“我认为，磁力从磁极出发的传播类似于起波
纹的水面的振动或者空气粒子的声振动。”
• 1845年发现磁的旋光效应（法拉第效应） • 1846年提出光的本性是电力线和磁力线的振动 • 一生对科学一往情深，对金钱和地位不屑一顾。 • 热爱科普事业，1860年，69岁的法拉弟以《蜡烛的化学故事》为题做 了六次“圣诞科学讲座” • 英俄交战时期，拒绝了政府研制毒气的要求
由于外加磁场的作用， 使E x , E y二者之间产生了额外 的相位差。E y 超前（或落后） E x相位 / 2。
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2016/8/7
2、理论分析
2 E exp( i nz) x 0 E i exp(i 2 nz) exp(i 2 nz ) y 0 0 2
（1）自然旋光物质左右旋与光的传播方向无关
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2016/8/7
3、法拉第旋转的特殊规律
（2）光沿磁场方向通过时，振动面右旋。光逆磁场方向传播时，振动面左旋。
（3）光束一正一反两次通过磁光介质时，振动面转过角度
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2
。
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2016/8/7
《光电子技术》
Photoelectronic Technique
光束在磁光介质中的传播
主讲：周自刚
助教：范宗学
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旋光现象
1）旋光现象
冰洲石晶体无旋光现象
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2016/8/7
2）旋光定义： 线偏振光在石英晶体内部沿光轴方向传播时，透过后偏振面被旋
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2016/8/7
课后作业
1、一束波长为0.6328μm线偏振光经过长为20cm，半径为0.5cm的实心玻 璃时，若用6V恒定电源时，加在玻璃其外绕200匝导线（有效电阻为3Ω）后 ，则该偏振光的偏振面将旋转了多少（若韦尔代常数为0.2510-5 /cmT）。
F Vd ( H M ) L
γ：磁光系数 在没有发生磁饱和的情况下 H<< γ M
F Vd ML
外加磁场很强，导致磁化饱和
M →Ms, θF趋向饱和
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2016/8/7
6 Kerr效应
• 反射效应：在磁光晶体表面反射时，反射光相对于入射光产生非互易 性旋转，如线偏振光可由Kerr效应成为椭圆偏振反射光。 • 入射光与磁场方向的关系可分：极向、纵向和横向Kerr效应
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2016/8/7
法拉第
英国物理学家 （1791－1867）
• 1812年，得到戴维的赏识，到了实验室当一名刷瓶子工人。次年成 为戴维的助手。游历欧洲。 • 在电化学方面显示出卓越的实验才能，1824年选为皇家学会会员。
共24页 21
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转了一个角度。
3）旋光率：
d
：旋光率。
4）旋光色散：
＝ ( )
，旋光率随波长变化。
不同颜色的线振动面透过晶体后被旋转的角度不同
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2016/8/7
5）左旋和右旋晶体
一种结构是另一种结构的镜像反演
线偏振光沿光轴通过晶体后振动面一种向左
旋、另一种向右旋。
的磁场强度H和光在介质中传播的长度L之积成正比，即
＝VHL
长度的磁光介质后偏振方向旋转的角度。
(1)
V称为韦尔代(verdet)常数，表示在单位磁场强度下线偏振光通过单位
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2016/8/7
1、法拉第旋转装置
布鲁斯特介质偏振片
旋转体
实物装置 简化原理
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光隔离器，环行器。
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2016/8/7
5 Farady旋转效应
• 透射效应，光传播方向与磁 场方向一致。 • 对于顺磁和抗磁介质（弱磁 介质） 其中Vd>0，右旋介质，Vd<0，左 旋介质。 • 对于铁磁或亚铁磁介质（强 磁介质）