自然旋光與法拉第效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)研究
2014-08-07 23:05孫鑒耿銘陽(yáng)姚亞峰鄧偉楚向楠
光學(xué)儀器 2014年3期
孫鑒+耿銘陽(yáng)+姚亞峰+鄧偉+楚向楠
文章編號(hào)： 10055630(2014)03022404
收稿日期： 20131228
基金項(xiàng)目： 東北石油大學(xué)青年科學(xué)基金項(xiàng)目(2013QN131/ky120231);東北石油大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)計(jì)劃項(xiàng)目
作者簡(jiǎn)介： 孫鑒(1980),男,講師,碩士,主要從事光電子學(xué)和光子晶體方面的研究。
摘要： 介紹了自然旋光與法拉第效應(yīng)偏轉(zhuǎn)角的測(cè)量方法,討論了兩種效應(yīng)下偏轉(zhuǎn)角的影響因素,說(shuō)明了兩種效應(yīng)的應(yīng)用領(lǐng)域。由分析得到:自然旋光偏轉(zhuǎn)角的大小只與晶體有關(guān),與磁場(chǎng)無(wú)關(guān),而旋光方向與光的傳播方向有關(guān);法拉第效應(yīng)偏轉(zhuǎn)角的大小正比于磁感應(yīng)強(qiáng)度,其偏轉(zhuǎn)角旋光方向只與磁場(chǎng)方向有關(guān),與光的傳播方向無(wú)關(guān);光往返通過(guò)自然旋光晶體時(shí),偏轉(zhuǎn)角相互抵消,磁致旋光晶體偏轉(zhuǎn)角則實(shí)現(xiàn)累加。利用晶體的法拉第效應(yīng),可將其制成光學(xué)隔離器或單通光閘等器件。
關(guān)鍵詞： 自然旋光; 法拉第效應(yīng); 偏轉(zhuǎn)角; 旋光方向
中圖分類(lèi)號(hào)： O 436.4文獻(xiàn)標(biāo)志碼： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2014.03.008
Experimental study on naturaloptical rotation and Faraday effect
SUN Jian, GENG Mingyang, YAO Yafeng, DENG Wei, CHU Xiangnan
(College of Electronic Science, Northeast Petroleum University, Daqing 163318, China)
Abstract： The deflected angle measurement method of naturaloptical rotation and Faraday effect was introduced. The influencing factors of deflected angle in the two effects were discussed. The application field of two effects was explained. The conclusion was as follows:the deflected angle of naturaloptical rotation only has to do with the crystal and has nothing to do with magnetic field, the optical direction has to do with propagation direction of incident light; the deflected angle of Faraday effect was proportional to the magnetic induction intensity, the optical direction has to do with magnetic field direction, but has nothing to do with propagation direction of incident light. The light passed through naturaloptical crystal back and forth, deflected angle was counteract, but accumulated in the magnetooptical rotation crystal. This effect was used to produce optical isolator and singlelane optical gate.
Key words： naturaloptical rotation; Faraday effect; deflected angle; optical direction
引言自然界中存在一些物質(zhì),當(dāng)線(xiàn)偏振光沿光軸方向通過(guò)這些物質(zhì)后,其偏振面會(huì)發(fā)生旋轉(zhuǎn),即發(fā)生旋光現(xiàn)象,稱(chēng)之為自然旋光。旋光現(xiàn)象最早由阿拉果在石英晶體中發(fā)現(xiàn),隨后畢奧發(fā)現(xiàn)一些各向同性的氣體和液體也具備該特性;而一些不具備自然旋光本領(lǐng)的晶體在磁場(chǎng)的作用下,偏振面產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)的現(xiàn)象稱(chēng)為磁光效應(yīng),該現(xiàn)象在1846年由法拉第首次發(fā)現(xiàn),也稱(chēng)為法拉第效應(yīng)。1理論分析線(xiàn)偏振光沿光軸方向入射到晶體中,其光強(qiáng)可以分解為左旋圓偏振光和右旋圓偏振光,對(duì)應(yīng)的折射率分別為nL和nR,它們?cè)诰w中傳播距離l后產(chǎn)生的相位差可以用角位移表示為θ=12(θL－θR)=πλ(nL－nR)l(1)在外加磁場(chǎng)為零的情況下,晶體本身滿(mǎn)足nL－nR≠0,則該晶體具備自然旋光特性,自然旋光是晶體本身具有的一種旋光本領(lǐng),不需要外加磁場(chǎng),可以直接測(cè)量該旋光晶體的偏轉(zhuǎn)角,實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。只有在外加磁場(chǎng)不為零時(shí),晶體才滿(mǎn)足nL－nR≠0,則該晶體為磁光晶體,利用法拉第效應(yīng)來(lái)描述,測(cè)量其偏轉(zhuǎn)角時(shí)需要外加磁場(chǎng),實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示,通過(guò)直流勵(lì)磁和交流勵(lì)磁的開(kāi)關(guān)來(lái)控制恒定磁場(chǎng)和時(shí)變磁場(chǎng)［16］。光學(xué)儀器第36卷
第3期孫鑒，等：自然旋光與法拉第效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)研究
圖1自然旋光實(shí)驗(yàn)裝置
Fig.1The naturaloptical rotation experimental device圖2法拉第效應(yīng)實(shí)驗(yàn)裝置
Fig.2The Faraday effect experimental device
磁光調(diào)制器是由在鋱玻璃周?chē)h(huán)繞交流激勵(lì)電信號(hào)的勵(lì)磁線(xiàn)圈構(gòu)成。假定線(xiàn)圈所加交流電信號(hào)為i=i0sin(ωt)時(shí),產(chǎn)生的時(shí)變磁場(chǎng)為B=B0sin(ωt),則晶體的磁致旋轉(zhuǎn)角θ=θ0sin(ωt),根據(jù)馬呂斯定律I=I0cos2α,檢偏器的輸出光強(qiáng)可得I=I0cos2(α+θ)=I02［1+2cos(2(α+θ))］(2)其中α為起偏器和檢偏器主截面的初始夾角。利用三角函數(shù)公式,式(2)可變形為I=I02［1+2cos(2α)cos(2θ)－2sin(2α)sin(2θ)］(3)當(dāng)α=0,將cos(δsin(ωt))=J0(δ)+2J2(δ)cos(2ωt)+4J4(δ)cos(4ωt)+…代入式(3)可得I=I02［1+2J0(2θ0)+4J2(2θ0)cos(2ωt)+8J4(2θ0)cos(4ωt)+…］(4)可以發(fā)現(xiàn):起偏器和檢偏器偏振軸平行時(shí),輸出光中出現(xiàn)了調(diào)制信號(hào)的倍頻信號(hào)。2測(cè)量方法在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,使用CGT1磁光調(diào)制實(shí)驗(yàn)儀控制直流和交流勵(lì)磁信號(hào)以及探測(cè)光強(qiáng),激光器波長(zhǎng)λ=632.8 nm,石英晶體長(zhǎng)度l=15.0 mm,直流勵(lì)磁的鋱玻璃長(zhǎng)度l=25.3 mm。自然旋光的實(shí)驗(yàn)測(cè)量如圖1所示,通過(guò)控制交流勵(lì)磁開(kāi)關(guān)來(lái)選用直接測(cè)量或交流調(diào)制測(cè)量［79］。(1)直接測(cè)量法按圖1所示的實(shí)驗(yàn)裝置圖調(diào)節(jié)好光路并固定,取下石英晶體,光源發(fā)出的光經(jīng)過(guò)準(zhǔn)直透鏡和起偏器,變成線(xiàn)偏振光,為了便于觀察和測(cè)量,調(diào)節(jié)起偏器和檢偏器處于正交狀態(tài),此時(shí)探測(cè)器讀數(shù)為最小值0.02,記錄下檢偏器的角度θ0;將石英晶體放到光路中,為了區(qū)分雙折射現(xiàn)象引起的偏轉(zhuǎn),晶體光軸必須垂直入射面,從起偏器出射的線(xiàn)偏振光入射到石英晶體中,就滿(mǎn)足了與晶體光軸方向平行的條件,出射光通過(guò)檢偏器后探測(cè)器的讀數(shù)會(huì)變大;旋轉(zhuǎn)檢偏器將探測(cè)器的讀數(shù)恢復(fù)到初始值,記錄下起偏器的角度θ1,則圖3倍頻信號(hào)波形圖
Fig.3The frequency multiplication signal waveform自然旋光偏轉(zhuǎn)角度θ=θ1－θ0。(2)交流調(diào)制法按圖1所示的實(shí)驗(yàn)裝置圖調(diào)節(jié)好光路并固定,取下石英晶體,打開(kāi)交流電信號(hào)(1 kHz的正弦信號(hào)),首先調(diào)節(jié)起偏器和檢偏器的夾角,記錄下示波器上出現(xiàn)倍頻信號(hào)時(shí)檢偏器的角度θ0,如圖3所示。放入石英晶體,線(xiàn)偏振光經(jīng)過(guò)石英晶體后偏振面發(fā)生旋轉(zhuǎn),示波器中的波形會(huì)發(fā)生變化,調(diào)節(jié)檢偏器,當(dāng)示波器上再次出現(xiàn)倍頻信號(hào)時(shí),記錄下檢偏器角度θ1,則偏轉(zhuǎn)角θ=θ1－θ0。法拉第效應(yīng)中,直流勵(lì)磁鋱玻璃的作用等同于石英晶體,可以通過(guò)控制交流勵(lì)磁開(kāi)關(guān)選用直流勵(lì)磁法或交流調(diào)制法,測(cè)量過(guò)程與自然旋光效應(yīng)的直接測(cè)量和交流調(diào)制法相同,但是需要多次改變直流電信號(hào)的數(shù)值,調(diào)節(jié)檢偏器,使光強(qiáng)或波形恢復(fù)到初始狀態(tài),記錄下每次檢偏器的角度θi,其偏轉(zhuǎn)角為θ=θi－θ0。3實(shí)驗(yàn)研究與數(shù)據(jù)分析
3.1電流對(duì)偏轉(zhuǎn)角θ的影響自然旋光現(xiàn)象與磁場(chǎng)無(wú)關(guān),其偏轉(zhuǎn)角理論值θ=αl,比例系數(shù)α為光通過(guò)1 mm厚度旋光物質(zhì)時(shí)的偏轉(zhuǎn)角,入射波長(zhǎng)λ=587.6 nm,室溫20 ℃下,石英的比例系數(shù)理論值為α=21.75(°)/mm。由于探測(cè)器光強(qiáng)靈敏度的影響,采用直接測(cè)量法測(cè)量結(jié)果為15.48(°)/mm,誤差較大。采用交流調(diào)制法測(cè)量,將石英晶體替換圖2的直流勵(lì)磁玻璃,測(cè)得其比例系數(shù)為20.56(°)/mm,誤差主要是入射光波長(zhǎng)、檢偏器和起偏器的消光比、檢偏器角度和晶體長(zhǎng)度的讀數(shù)誤差以及環(huán)境溫度等因素引起。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明自然旋光偏轉(zhuǎn)角只與晶體本身有關(guān)。圖4法拉第效應(yīng)偏轉(zhuǎn)角與電流關(guān)系曲線(xiàn)
Fig.4The relationship curve between deflected
angle and current in the Faraday effect法拉第效應(yīng)偏轉(zhuǎn)角理論值為θ=VBl,其中B為磁場(chǎng)強(qiáng)度,比例系數(shù)V是晶體的維爾德常數(shù)。在圖2的實(shí)驗(yàn)裝置中,分別利用直流勵(lì)磁法和交流調(diào)制法對(duì)鋱玻璃進(jìn)行測(cè)量,兩種方法的測(cè)量曲線(xiàn)如圖4所示。從圖4可以發(fā)現(xiàn):法拉第效應(yīng)偏轉(zhuǎn)角正比于電流強(qiáng)度,同時(shí)磁場(chǎng)強(qiáng)度正比于電流強(qiáng)度,即偏轉(zhuǎn)角正比于磁場(chǎng)強(qiáng)度,與理論吻合。如果反過(guò)來(lái)測(cè)量出磁光晶體長(zhǎng)度、直流勵(lì)磁線(xiàn)圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度以及偏轉(zhuǎn)角,即可利用理論公式計(jì)算出晶體的維爾德常數(shù),從而確定該晶體種類(lèi)。直流勵(lì)磁法通過(guò)觀察光強(qiáng)讀數(shù)確定偏轉(zhuǎn)角,操作簡(jiǎn)單,但光強(qiáng)示數(shù)隨電流變化不靈敏,測(cè)量精度不高,其偏轉(zhuǎn)角與電流的線(xiàn)性度不高;交流調(diào)制法通過(guò)倍頻信號(hào)確定偏轉(zhuǎn)角,電流的微弱變化就能引起波形變化,測(cè)量結(jié)果比較精確,但光路復(fù)雜,操作繁瑣。
3.2磁場(chǎng)方向?qū)ζD(zhuǎn)角的影響保持入射光方向不變,通過(guò)改變勵(lì)磁電流的極性實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)方向的變化。當(dāng)勵(lì)磁極性為“+”時(shí),光的傳播方向與磁場(chǎng)方向相同,順著磁場(chǎng)方向觀察,偏振面順時(shí)針偏轉(zhuǎn);改變勵(lì)磁極性,則光的傳播方向與磁場(chǎng)方向相反,順著磁場(chǎng)方向觀察偏振面逆時(shí)針偏轉(zhuǎn)?？梢园l(fā)現(xiàn),法拉第效應(yīng)的偏轉(zhuǎn)方向與磁場(chǎng)方向有關(guān)。
3.3光的傳播方向?qū)ζD(zhuǎn)角的影響將圖1與圖2中光源部分與探測(cè)器部分對(duì)調(diào)一下,即改變?nèi)肷涔獾膫鞑シ较?可以發(fā)現(xiàn):(1)石英晶體偏轉(zhuǎn)角的旋轉(zhuǎn)方向由順時(shí)針變?yōu)槟鏁r(shí)針,但偏轉(zhuǎn)角度大小相等。即自然旋光效應(yīng)的偏轉(zhuǎn)方向與入射光傳播方向有關(guān),當(dāng)光束往返通過(guò)自然旋光物質(zhì)時(shí),兩次偏轉(zhuǎn)方向相反大小相等而相互抵消。(2)對(duì)于直流勵(lì)磁鋱玻璃,迎著光的方向來(lái)看,偏轉(zhuǎn)面旋轉(zhuǎn)方向由右旋變左旋,即法拉第效應(yīng)的偏轉(zhuǎn)方向與光的傳播方向無(wú)關(guān)。利用這一特性可以使光波在兩反射鏡之間多次傳播以增強(qiáng)磁光效應(yīng)。
3.4入射波長(zhǎng)對(duì)偏轉(zhuǎn)角的影響將光源依次換成650 nm、532 nm的激光器,兩種晶體的偏轉(zhuǎn)角都減小,但石英晶體變化程度較大。這種偏轉(zhuǎn)角隨入射波長(zhǎng)不同而發(fā)生變化的現(xiàn)象稱(chēng)為旋光色散。4應(yīng)用領(lǐng)域若旋光物質(zhì)為溶液,偏轉(zhuǎn)角度θ與物質(zhì)的厚度l和物質(zhì)的濃度c成正比,即θ=αcl,其比例系數(shù)α為旋光物質(zhì)的旋光率。根據(jù)旋光物質(zhì)的自然旋光規(guī)律可以測(cè)量溶液濃度,醫(yī)學(xué)中的測(cè)糖計(jì)就是根據(jù)這個(gè)原理設(shè)計(jì)的。圖5光學(xué)隔離器原理結(jié)構(gòu)示意圖
Fig.5The structure principle graph of
optical isolator法拉第效應(yīng)的偏轉(zhuǎn)角旋光方向與磁場(chǎng)方向有關(guān),與傳播方向無(wú)關(guān)。如果光往返通過(guò)磁光晶體,由本身自然旋光引起的偏轉(zhuǎn)角與磁場(chǎng)方向有關(guān)而抵消掉。如圖5所示,當(dāng)法拉第效應(yīng)引起的偏轉(zhuǎn)角為π/4時(shí),反射光通過(guò)法拉第盒后的偏振方向與起偏器P1方向正交而無(wú)法通過(guò)。此現(xiàn)象表明法拉第旋光效應(yīng)是一個(gè)不可逆的光學(xué)過(guò)程,可利用這種現(xiàn)象制成光學(xué)隔離器或單通光閘等器件。5結(jié)論自然旋光和法拉第效應(yīng)的區(qū)別主要體現(xiàn)在偏轉(zhuǎn)角、色散和旋光方向三個(gè)方面。自然旋光與法拉第效應(yīng)的偏轉(zhuǎn)角都與晶體本身的參數(shù)有關(guān),且比例系數(shù)與環(huán)境溫度、入射光波頻率(或波長(zhǎng))等有關(guān)。自然旋光的偏轉(zhuǎn)方向與光的傳播方向和晶體本身的內(nèi)部結(jié)構(gòu)有關(guān),對(duì)于同一材料制成的晶片,自然旋光的方向往往同時(shí)具備左旋和右旋特性,例如石英有左旋石英和右旋石英,但旋光本領(lǐng)相同;而法拉第效應(yīng)偏轉(zhuǎn)角正比于外加磁場(chǎng)強(qiáng)度的大小,其偏轉(zhuǎn)角旋光方向與磁場(chǎng)方向有關(guān),與光傳播方向無(wú)關(guān),即只要磁場(chǎng)方向不變,無(wú)論入射光還是反射光,其旋轉(zhuǎn)角都朝一個(gè)方向旋轉(zhuǎn)。
參考文獻(xiàn)：
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Fig.3The frequency multiplication signal waveform自然旋光偏轉(zhuǎn)角度θ=θ1－θ0。(2)交流調(diào)制法按圖1所示的實(shí)驗(yàn)裝置圖調(diào)節(jié)好光路并固定,取下石英晶體,打開(kāi)交流電信號(hào)(1 kHz的正弦信號(hào)),首先調(diào)節(jié)起偏器和檢偏器的夾角,記錄下示波器上出現(xiàn)倍頻信號(hào)時(shí)檢偏器的角度θ0,如圖3所示。放入石英晶體,線(xiàn)偏振光經(jīng)過(guò)石英晶體后偏振面發(fā)生旋轉(zhuǎn),示波器中的波形會(huì)發(fā)生變化,調(diào)節(jié)檢偏器,當(dāng)示波器上再次出現(xiàn)倍頻信號(hào)時(shí),記錄下檢偏器角度θ1,則偏轉(zhuǎn)角θ=θ1－θ0。法拉第效應(yīng)中,直流勵(lì)磁鋱玻璃的作用等同于石英晶體,可以通過(guò)控制交流勵(lì)磁開(kāi)關(guān)選用直流勵(lì)磁法或交流調(diào)制法,測(cè)量過(guò)程與自然旋光效應(yīng)的直接測(cè)量和交流調(diào)制法相同,但是需要多次改變直流電信號(hào)的數(shù)值,調(diào)節(jié)檢偏器,使光強(qiáng)或波形恢復(fù)到初始狀態(tài),記錄下每次檢偏器的角度θi,其偏轉(zhuǎn)角為θ=θi－θ0。3實(shí)驗(yàn)研究與數(shù)據(jù)分析
3.1電流對(duì)偏轉(zhuǎn)角θ的影響自然旋光現(xiàn)象與磁場(chǎng)無(wú)關(guān),其偏轉(zhuǎn)角理論值θ=αl,比例系數(shù)α為光通過(guò)1 mm厚度旋光物質(zhì)時(shí)的偏轉(zhuǎn)角,入射波長(zhǎng)λ=587.6 nm,室溫20 ℃下,石英的比例系數(shù)理論值為α=21.75(°)/mm。由于探測(cè)器光強(qiáng)靈敏度的影響,采用直接測(cè)量法測(cè)量結(jié)果為15.48(°)/mm,誤差較大。采用交流調(diào)制法測(cè)量,將石英晶體替換圖2的直流勵(lì)磁玻璃,測(cè)得其比例系數(shù)為20.56(°)/mm,誤差主要是入射光波長(zhǎng)、檢偏器和起偏器的消光比、檢偏器角度和晶體長(zhǎng)度的讀數(shù)誤差以及環(huán)境溫度等因素引起。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明自然旋光偏轉(zhuǎn)角只與晶體本身有關(guān)。圖4法拉第效應(yīng)偏轉(zhuǎn)角與電流關(guān)系曲線(xiàn)
Fig.4The relationship curve between deflected
angle and current in the Faraday effect法拉第效應(yīng)偏轉(zhuǎn)角理論值為θ=VBl,其中B為磁場(chǎng)強(qiáng)度,比例系數(shù)V是晶體的維爾德常數(shù)。在圖2的實(shí)驗(yàn)裝置中,分別利用直流勵(lì)磁法和交流調(diào)制法對(duì)鋱玻璃進(jìn)行測(cè)量,兩種方法的測(cè)量曲線(xiàn)如圖4所示。從圖4可以發(fā)現(xiàn):法拉第效應(yīng)偏轉(zhuǎn)角正比于電流強(qiáng)度,同時(shí)磁場(chǎng)強(qiáng)度正比于電流強(qiáng)度,即偏轉(zhuǎn)角正比于磁場(chǎng)強(qiáng)度,與理論吻合。如果反過(guò)來(lái)測(cè)量出磁光晶體長(zhǎng)度、直流勵(lì)磁線(xiàn)圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度以及偏轉(zhuǎn)角,即可利用理論公式計(jì)算出晶體的維爾德常數(shù),從而確定該晶體種類(lèi)。直流勵(lì)磁法通過(guò)觀察光強(qiáng)讀數(shù)確定偏轉(zhuǎn)角,操作簡(jiǎn)單,但光強(qiáng)示數(shù)隨電流變化不靈敏,測(cè)量精度不高,其偏轉(zhuǎn)角與電流的線(xiàn)性度不高;交流調(diào)制法通過(guò)倍頻信號(hào)確定偏轉(zhuǎn)角,電流的微弱變化就能引起波形變化,測(cè)量結(jié)果比較精確,但光路復(fù)雜,操作繁瑣。
3.2磁場(chǎng)方向?qū)ζD(zhuǎn)角的影響保持入射光方向不變,通過(guò)改變勵(lì)磁電流的極性實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)方向的變化。當(dāng)勵(lì)磁極性為“+”時(shí),光的傳播方向與磁場(chǎng)方向相同,順著磁場(chǎng)方向觀察,偏振面順時(shí)針偏轉(zhuǎn);改變勵(lì)磁極性,則光的傳播方向與磁場(chǎng)方向相反,順著磁場(chǎng)方向觀察偏振面逆時(shí)針偏轉(zhuǎn)?？梢园l(fā)現(xiàn),法拉第效應(yīng)的偏轉(zhuǎn)方向與磁場(chǎng)方向有關(guān)。
3.3光的傳播方向?qū)ζD(zhuǎn)角的影響將圖1與圖2中光源部分與探測(cè)器部分對(duì)調(diào)一下,即改變?nèi)肷涔獾膫鞑シ较?可以發(fā)現(xiàn):(1)石英晶體偏轉(zhuǎn)角的旋轉(zhuǎn)方向由順時(shí)針變?yōu)槟鏁r(shí)針,但偏轉(zhuǎn)角度大小相等。即自然旋光效應(yīng)的偏轉(zhuǎn)方向與入射光傳播方向有關(guān),當(dāng)光束往返通過(guò)自然旋光物質(zhì)時(shí),兩次偏轉(zhuǎn)方向相反大小相等而相互抵消。(2)對(duì)于直流勵(lì)磁鋱玻璃,迎著光的方向來(lái)看,偏轉(zhuǎn)面旋轉(zhuǎn)方向由右旋變左旋,即法拉第效應(yīng)的偏轉(zhuǎn)方向與光的傳播方向無(wú)關(guān)。利用這一特性可以使光波在兩反射鏡之間多次傳播以增強(qiáng)磁光效應(yīng)。
3.4入射波長(zhǎng)對(duì)偏轉(zhuǎn)角的影響將光源依次換成650 nm、532 nm的激光器,兩種晶體的偏轉(zhuǎn)角都減小,但石英晶體變化程度較大。這種偏轉(zhuǎn)角隨入射波長(zhǎng)不同而發(fā)生變化的現(xiàn)象稱(chēng)為旋光色散。4應(yīng)用領(lǐng)域若旋光物質(zhì)為溶液,偏轉(zhuǎn)角度θ與物質(zhì)的厚度l和物質(zhì)的濃度c成正比,即θ=αcl,其比例系數(shù)α為旋光物質(zhì)的旋光率。根據(jù)旋光物質(zhì)的自然旋光規(guī)律可以測(cè)量溶液濃度,醫(yī)學(xué)中的測(cè)糖計(jì)就是根據(jù)這個(gè)原理設(shè)計(jì)的。圖5光學(xué)隔離器原理結(jié)構(gòu)示意圖
Fig.5The structure principle graph of
optical isolator法拉第效應(yīng)的偏轉(zhuǎn)角旋光方向與磁場(chǎng)方向有關(guān),與傳播方向無(wú)關(guān)。如果光往返通過(guò)磁光晶體,由本身自然旋光引起的偏轉(zhuǎn)角與磁場(chǎng)方向有關(guān)而抵消掉。如圖5所示,當(dāng)法拉第效應(yīng)引起的偏轉(zhuǎn)角為π/4時(shí),反射光通過(guò)法拉第盒后的偏振方向與起偏器P1方向正交而無(wú)法通過(guò)。此現(xiàn)象表明法拉第旋光效應(yīng)是一個(gè)不可逆的光學(xué)過(guò)程,可利用這種現(xiàn)象制成光學(xué)隔離器或單通光閘等器件。5結(jié)論自然旋光和法拉第效應(yīng)的區(qū)別主要體現(xiàn)在偏轉(zhuǎn)角、色散和旋光方向三個(gè)方面。自然旋光與法拉第效應(yīng)的偏轉(zhuǎn)角都與晶體本身的參數(shù)有關(guān),且比例系數(shù)與環(huán)境溫度、入射光波頻率(或波長(zhǎng))等有關(guān)。自然旋光的偏轉(zhuǎn)方向與光的傳播方向和晶體本身的內(nèi)部結(jié)構(gòu)有關(guān),對(duì)于同一材料制成的晶片,自然旋光的方向往往同時(shí)具備左旋和右旋特性,例如石英有左旋石英和右旋石英,但旋光本領(lǐng)相同;而法拉第效應(yīng)偏轉(zhuǎn)角正比于外加磁場(chǎng)強(qiáng)度的大小,其偏轉(zhuǎn)角旋光方向與磁場(chǎng)方向有關(guān),與光傳播方向無(wú)關(guān),即只要磁場(chǎng)方向不變,無(wú)論入射光還是反射光,其旋轉(zhuǎn)角都朝一個(gè)方向旋轉(zhuǎn)。
參考文獻(xiàn)：
［1］劉公強(qiáng),劉湘林.磁光調(diào)制和法拉第旋轉(zhuǎn)測(cè)量［J］.光學(xué)學(xué)報(bào),1984,4(7):588592.
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Fig.3The frequency multiplication signal waveform自然旋光偏轉(zhuǎn)角度θ=θ1－θ0。(2)交流調(diào)制法按圖1所示的實(shí)驗(yàn)裝置圖調(diào)節(jié)好光路并固定,取下石英晶體,打開(kāi)交流電信號(hào)(1 kHz的正弦信號(hào)),首先調(diào)節(jié)起偏器和檢偏器的夾角,記錄下示波器上出現(xiàn)倍頻信號(hào)時(shí)檢偏器的角度θ0,如圖3所示。放入石英晶體,線(xiàn)偏振光經(jīng)過(guò)石英晶體后偏振面發(fā)生旋轉(zhuǎn),示波器中的波形會(huì)發(fā)生變化,調(diào)節(jié)檢偏器,當(dāng)示波器上再次出現(xiàn)倍頻信號(hào)時(shí),記錄下檢偏器角度θ1,則偏轉(zhuǎn)角θ=θ1－θ0。法拉第效應(yīng)中,直流勵(lì)磁鋱玻璃的作用等同于石英晶體,可以通過(guò)控制交流勵(lì)磁開(kāi)關(guān)選用直流勵(lì)磁法或交流調(diào)制法,測(cè)量過(guò)程與自然旋光效應(yīng)的直接測(cè)量和交流調(diào)制法相同,但是需要多次改變直流電信號(hào)的數(shù)值,調(diào)節(jié)檢偏器,使光強(qiáng)或波形恢復(fù)到初始狀態(tài),記錄下每次檢偏器的角度θi,其偏轉(zhuǎn)角為θ=θi－θ0。3實(shí)驗(yàn)研究與數(shù)據(jù)分析
3.1電流對(duì)偏轉(zhuǎn)角θ的影響自然旋光現(xiàn)象與磁場(chǎng)無(wú)關(guān),其偏轉(zhuǎn)角理論值θ=αl,比例系數(shù)α為光通過(guò)1 mm厚度旋光物質(zhì)時(shí)的偏轉(zhuǎn)角,入射波長(zhǎng)λ=587.6 nm,室溫20 ℃下,石英的比例系數(shù)理論值為α=21.75(°)/mm。由于探測(cè)器光強(qiáng)靈敏度的影響,采用直接測(cè)量法測(cè)量結(jié)果為15.48(°)/mm,誤差較大。采用交流調(diào)制法測(cè)量,將石英晶體替換圖2的直流勵(lì)磁玻璃,測(cè)得其比例系數(shù)為20.56(°)/mm,誤差主要是入射光波長(zhǎng)、檢偏器和起偏器的消光比、檢偏器角度和晶體長(zhǎng)度的讀數(shù)誤差以及環(huán)境溫度等因素引起。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明自然旋光偏轉(zhuǎn)角只與晶體本身有關(guān)。圖4法拉第效應(yīng)偏轉(zhuǎn)角與電流關(guān)系曲線(xiàn)
Fig.4The relationship curve between deflected
angle and current in the Faraday effect法拉第效應(yīng)偏轉(zhuǎn)角理論值為θ=VBl,其中B為磁場(chǎng)強(qiáng)度,比例系數(shù)V是晶體的維爾德常數(shù)。在圖2的實(shí)驗(yàn)裝置中,分別利用直流勵(lì)磁法和交流調(diào)制法對(duì)鋱玻璃進(jìn)行測(cè)量,兩種方法的測(cè)量曲線(xiàn)如圖4所示。從圖4可以發(fā)現(xiàn):法拉第效應(yīng)偏轉(zhuǎn)角正比于電流強(qiáng)度,同時(shí)磁場(chǎng)強(qiáng)度正比于電流強(qiáng)度,即偏轉(zhuǎn)角正比于磁場(chǎng)強(qiáng)度,與理論吻合。如果反過(guò)來(lái)測(cè)量出磁光晶體長(zhǎng)度、直流勵(lì)磁線(xiàn)圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度以及偏轉(zhuǎn)角,即可利用理論公式計(jì)算出晶體的維爾德常數(shù),從而確定該晶體種類(lèi)。直流勵(lì)磁法通過(guò)觀察光強(qiáng)讀數(shù)確定偏轉(zhuǎn)角,操作簡(jiǎn)單,但光強(qiáng)示數(shù)隨電流變化不靈敏,測(cè)量精度不高,其偏轉(zhuǎn)角與電流的線(xiàn)性度不高;交流調(diào)制法通過(guò)倍頻信號(hào)確定偏轉(zhuǎn)角,電流的微弱變化就能引起波形變化,測(cè)量結(jié)果比較精確,但光路復(fù)雜,操作繁瑣。
3.2磁場(chǎng)方向?qū)ζD(zhuǎn)角的影響保持入射光方向不變,通過(guò)改變勵(lì)磁電流的極性實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)方向的變化。當(dāng)勵(lì)磁極性為“+”時(shí),光的傳播方向與磁場(chǎng)方向相同,順著磁場(chǎng)方向觀察,偏振面順時(shí)針偏轉(zhuǎn);改變勵(lì)磁極性,則光的傳播方向與磁場(chǎng)方向相反,順著磁場(chǎng)方向觀察偏振面逆時(shí)針偏轉(zhuǎn)。可以發(fā)現(xiàn),法拉第效應(yīng)的偏轉(zhuǎn)方向與磁場(chǎng)方向有關(guān)。
3.3光的傳播方向?qū)ζD(zhuǎn)角的影響將圖1與圖2中光源部分與探測(cè)器部分對(duì)調(diào)一下,即改變?nèi)肷涔獾膫鞑シ较?可以發(fā)現(xiàn):(1)石英晶體偏轉(zhuǎn)角的旋轉(zhuǎn)方向由順時(shí)針變?yōu)槟鏁r(shí)針,但偏轉(zhuǎn)角度大小相等。即自然旋光效應(yīng)的偏轉(zhuǎn)方向與入射光傳播方向有關(guān),當(dāng)光束往返通過(guò)自然旋光物質(zhì)時(shí),兩次偏轉(zhuǎn)方向相反大小相等而相互抵消。(2)對(duì)于直流勵(lì)磁鋱玻璃,迎著光的方向來(lái)看,偏轉(zhuǎn)面旋轉(zhuǎn)方向由右旋變左旋,即法拉第效應(yīng)的偏轉(zhuǎn)方向與光的傳播方向無(wú)關(guān)。利用這一特性可以使光波在兩反射鏡之間多次傳播以增強(qiáng)磁光效應(yīng)。
3.4入射波長(zhǎng)對(duì)偏轉(zhuǎn)角的影響將光源依次換成650 nm、532 nm的激光器,兩種晶體的偏轉(zhuǎn)角都減小,但石英晶體變化程度較大。這種偏轉(zhuǎn)角隨入射波長(zhǎng)不同而發(fā)生變化的現(xiàn)象稱(chēng)為旋光色散。4應(yīng)用領(lǐng)域若旋光物質(zhì)為溶液,偏轉(zhuǎn)角度θ與物質(zhì)的厚度l和物質(zhì)的濃度c成正比,即θ=αcl,其比例系數(shù)α為旋光物質(zhì)的旋光率。根據(jù)旋光物質(zhì)的自然旋光規(guī)律可以測(cè)量溶液濃度,醫(yī)學(xué)中的測(cè)糖計(jì)就是根據(jù)這個(gè)原理設(shè)計(jì)的。圖5光學(xué)隔離器原理結(jié)構(gòu)示意圖
Fig.5The structure principle graph of
optical isolator法拉第效應(yīng)的偏轉(zhuǎn)角旋光方向與磁場(chǎng)方向有關(guān),與傳播方向無(wú)關(guān)。如果光往返通過(guò)磁光晶體,由本身自然旋光引起的偏轉(zhuǎn)角與磁場(chǎng)方向有關(guān)而抵消掉。如圖5所示,當(dāng)法拉第效應(yīng)引起的偏轉(zhuǎn)角為π/4時(shí),反射光通過(guò)法拉第盒后的偏振方向與起偏器P1方向正交而無(wú)法通過(guò)。此現(xiàn)象表明法拉第旋光效應(yīng)是一個(gè)不可逆的光學(xué)過(guò)程,可利用這種現(xiàn)象制成光學(xué)隔離器或單通光閘等器件。5結(jié)論自然旋光和法拉第效應(yīng)的區(qū)別主要體現(xiàn)在偏轉(zhuǎn)角、色散和旋光方向三個(gè)方面。自然旋光與法拉第效應(yīng)的偏轉(zhuǎn)角都與晶體本身的參數(shù)有關(guān),且比例系數(shù)與環(huán)境溫度、入射光波頻率(或波長(zhǎng))等有關(guān)。自然旋光的偏轉(zhuǎn)方向與光的傳播方向和晶體本身的內(nèi)部結(jié)構(gòu)有關(guān),對(duì)于同一材料制成的晶片,自然旋光的方向往往同時(shí)具備左旋和右旋特性,例如石英有左旋石英和右旋石英,但旋光本領(lǐng)相同;而法拉第效應(yīng)偏轉(zhuǎn)角正比于外加磁場(chǎng)強(qiáng)度的大小,其偏轉(zhuǎn)角旋光方向與磁場(chǎng)方向有關(guān),與光傳播方向無(wú)關(guān),即只要磁場(chǎng)方向不變,無(wú)論入射光還是反射光,其旋轉(zhuǎn)角都朝一個(gè)方向旋轉(zhuǎn)。
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