法拉第磁光效應的原理

徐士濤 張麗琴 張金峰

摘 要：本文首先詳盡的分析了磁光效應的發(fā)展歷程，幾種磁光效應現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)和規(guī)律。在此基礎(chǔ)上，著重對法拉第磁光效應現(xiàn)象及其原理，法拉第磁光效應的實驗證進行解析闡述，為參閱者提建設(shè)性參考。

關(guān)鍵詞：法拉第旋轉(zhuǎn)角;法拉第磁光效應;磁光效應

中圖分類號：O451 文獻標識碼：A 文章編號：2095-9052（2020）03-0202-02

磁化物質(zhì)與光之間互相引起的光學現(xiàn)象變化為磁光效應。它是一個集合概念，內(nèi)含有法拉第效應[1]、克爾磁光效應[2]、塞曼效應以及科頓-穆頓效應。磁化是一個前提條件，體現(xiàn)了光、磁的聯(lián)系[3]。1845年，光磁效應首先被法拉第發(fā)現(xiàn)。他觀察到非光學介質(zhì)中通過了線性偏振光線時，假如存在一個外部磁場，且其方向與光在介質(zhì)中的傳播方向一致，那么光線的振動表面會在通過介質(zhì)后產(chǎn)生角度旋轉(zhuǎn)。這一現(xiàn)象就是法拉第效應[4]。

1876年克爾（J.Kerr）發(fā)現(xiàn)了克爾磁光效應[5]，塞曼在1896年觀察到的塞曼磁光效光效應[6]，1896年發(fā)現(xiàn)的塞曼磁光效應是所有磁光效應中最著名的。福袼特（W.Voigt）磁光效應（1898年）和科頓（A.Cotton）-穆頓（H.Mouton）磁光效應（1907年）分別被發(fā)現(xiàn)。

最近幾十年來，磁光器材獲利了較大范圍的應用。隨著科技發(fā)展與新型材料的更新?lián)Q代，對于磁光效應器的研究方法也在不斷進步，并且日趨成熟[7]。法拉第效應和克爾效應最為廣泛地應用在各個方面，尤其是在高密度計算機存儲器中，克爾效應更得到了廣泛運用。在發(fā)達的工業(yè)強國中，已經(jīng)出現(xiàn)了存儲容量達到數(shù)以兆計的單片商用可擦除磁光盤，而且我國已經(jīng)在該方面取得了不菲的成果。

磁光效應反應了光、磁場與物質(zhì)三者之間的互相影響關(guān)系。由于物質(zhì)具有的電磁性，如介電常數(shù)與滲透性能等，會對光的傳播產(chǎn)生影響。在外部較強磁場的影響下，物質(zhì)的電磁性會改變，進而讓光線的傳播發(fā)生改變，產(chǎn)生磁光效應[8]。從廣義上講，磁光效應體現(xiàn)的是光與物質(zhì)之間的一種關(guān)系[9]。

1 法拉第磁光效應

法拉第效應（ Faraday Effect）是一種磁致旋光效應，是沿光傳輸方向磁化的介質(zhì)入射平面偏振光后，偏振面會產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)，在1845年，法拉第首先觀察到了磁光效應，第一次揭示了光和磁場之間存在相互作用，經(jīng)過大量的實驗發(fā)現(xiàn)，法拉第效應具有規(guī)律。

式中表示法拉第偏轉(zhuǎn)角，L表示光在介質(zhì)中傳播的距離，B代表磁感應的強度，而V稱為維爾德常數(shù)，是表征介質(zhì)法拉第效應強弱的物理量，與介質(zhì)特性相關(guān)。

2 法拉第磁光效應的實驗驗證

磁光纖維具有較強的抗電磁干擾、耐高溫、絕緣性好、耐腐蝕等優(yōu)良性能。測量磁光纖維的法拉第效應有兩種主要的方法。方法之一是測量線偏振光穿過光纖與沃拉斯棱鏡后發(fā)生的偏振面旋轉(zhuǎn)。這個方法優(yōu)點在于精確度高，然而其實驗成本也很高。方法之二是測量線偏振光穿過光纖與第二偏振器之后發(fā)生的偏振面旋轉(zhuǎn)。這一方法費用較低，且易于操作，但精確度較低。對此，可以對光纖端部偏振光進行擬合而獲得精確度的提升。在此我們將論述第二種方法，用校正旋轉(zhuǎn)工作臺的方法來獲得法拉第旋轉(zhuǎn)角度。Verdet常數(shù)的平均值可根據(jù)多次測量的數(shù)據(jù)計算，對光纖端部偏振光進行擬合，用于校對。在同等條件下獲得法拉第旋轉(zhuǎn)角度的數(shù)值，用新方法取得Verdet常數(shù)的數(shù)值，并將其與最初方法獲得的Verdet常數(shù)的平均數(shù)值開展對比，以對新方法的有效性進行驗證。

當光與磁場相互作用時，磁致旋光產(chǎn)生。其實質(zhì)是在磁化介質(zhì)中，磁場與光波作用而造成偏振光的角度出現(xiàn)一定程度的旋轉(zhuǎn)（見圖1）。在圖中，B代表平行與光線方向的磁感應強度，代表偏振旋轉(zhuǎn)角度，L代表磁場范圍內(nèi)的光纖長度;V表示光纖所具有的Verdet 常數(shù)，則偏振面旋轉(zhuǎn)角度的計算公式為：

在光纖傳送過程中通過線偏振光，光纖自身的欠缺以及機器應力會導致雙折射現(xiàn)象的發(fā)生，而且由于光纖 “粒子”產(chǎn)生感化作用導致光發(fā)生散射與導致光波相位也隨著而發(fā)生改變，從而在光纖尾端產(chǎn)生橢圓偏振光，見圖2（a）。在磁場作用下，即偏振面旋轉(zhuǎn)角變化圖，見圖2（b）。

偏振光的最大值用OB表示，其最小值用OA表示，這些數(shù)值通過光在磁場中運動的路徑計算而得到。同時用極坐標的方式，可以將上述橢圓方程表示為：

（1）

公式（1）里的a等于OA，表示橢圓短半軸;b等于OB，表示橢圓長半軸。

橢圓上任意一點到橢圓心的距離可以表示為：

（2）

添加磁場后，極坐標中的（2）式在旋轉(zhuǎn)后的中其形式不會發(fā)生變化，C點在極坐標中的坐標為，因此：

（3）

OC的大小可通過計算過程光的功率而得到，把OC的數(shù)值在公式（1）與公式（2）中代入，則能夠得到的數(shù)值。

按法拉第旋轉(zhuǎn)角的計算公式，以及磁感應數(shù)值的計算公式，能夠獲得Verdet 常數(shù)的計算公式

（4）

（4）式中，代表位于螺線管內(nèi)的光纖的長度，B代表磁感應的大小強度，代表磁導率常數(shù)，N代表繞制螺線管的圈數(shù)，I代表通入螺線管的電流強度，代表螺線管總長。

3 結(jié)論

本文中以磁光效應為中心，在磁光效應原理及如何實驗驗證上進行了一些分析探究，著重對法拉第磁光效應原理進行解析闡述，并詳述了法拉第效應的實驗驗證原理。隨著法拉第磁光效應的發(fā)現(xiàn)，越來越多的磁光效應被人發(fā)現(xiàn)，種類豐富的磁光材料也得以開發(fā)出來，使其開始應用在社會的許多領(lǐng)域中，方便了人們的生活，也促進了社會的發(fā)展。

參考文獻：

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[3]閆迎利.光的力學效應及其應用[J].中學物理：高中版，2015（6）：35-36.

[4]陳俊如.磁光效應簡介及其應用[J].科技風，2018（4）：197.

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[9]劉強，等.基于銫原子線性法拉第磁光效應的應用[J].光學技術(shù)，2011，37（1）：11-13.

（責任編輯：李凌峰）