孫鑒+耿銘陽+姚亞峰+鄧偉+楚向楠

文章編號： 10055630(2014)03022404

收稿日期： 20131228

基金項目： 東北石油大學(xué)青年科學(xué)基金項目(2013QN131/ky120231);東北石油大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)計劃項目

作者簡介： 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)角的測量方法,討論了兩種效應(yīng)下偏轉(zhuǎn)角的影響因素,說明了兩種效應(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),與磁場無關(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)強度,其偏轉(zhuǎn)角旋光方向只與磁場方向有關(guān),與光的傳播方向無關(guān);光往返通過自然旋光晶體時,偏轉(zhuǎn)角相互抵消,磁致旋光晶體偏轉(zhuǎn)角則實現(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

中圖分類號： O 436.4文獻標(biāo)志碼： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2014.03.008

Experimental study on naturaloptical 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 naturaloptical 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 naturaloptical 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 naturaloptical crystal back and forth, deflected angle was counteract, but accumulated in the magnetooptical rotation crystal. This effect was used to produce optical isolator and singlelane optical gate.

Key words： naturaloptical rotation; Faraday effect; deflected angle; optical direction

引言自然界中存在一些物質(zhì),當(dāng)線偏振光沿光軸方向通過這些物質(zhì)后,其偏振面會發(fā)生旋轉(zhuǎn),即發(fā)生旋光現(xiàn)象,稱之為自然旋光。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)的晶體在磁場的作用下,偏振面產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)的現(xiàn)象稱為磁光效應(yīng),該現(xiàn)象在1846年由法拉第首次發(fā)現(xiàn),也稱為法拉第效應(yīng)。1理論分析線偏振光沿光軸方向入射到晶體中,其光強可以分解為左旋圓偏振光和右旋圓偏振光,對應(yīng)的折射率分別為nL和nR,它們在晶體中傳播距離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)在外加磁場為零的情況下,晶體本身滿足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,可以直接測量該旋光晶體的偏轉(zhuǎn)角,實驗裝置如圖1所示。只有在外加磁場不為零時,晶體才滿足nL－nR≠0,則該晶體為磁光晶體,利用法拉第效應(yīng)來描述,測量其偏轉(zhuǎn)角時需要外加磁場,實驗裝置如圖2所示,通過直流勵磁和交流勵磁的開關(guān)來控制恒定磁場和時變磁場［16］。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)的實驗研究

圖1自然旋光實驗裝置

Fig.1The naturaloptical rotation experimental device圖2法拉第效應(yīng)實驗裝置

Fig.2The Faraday effect experimental device

磁光調(diào)制器是由在鋱玻璃周圍環(huán)繞交流激勵電信號的勵磁線圈構(gòu)成。假定線圈所加交流電信號為i=i0sin(ωt)時,產(chǎn)生的時變磁場為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,輸出光中出現(xiàn)了調(diào)制信號的倍頻信號。2測量方法在實驗過程中,使用CGT1磁光調(diào)制實驗儀控制直流和交流勵磁信號以及探測光強,激光器波長λ=632.8 nm,石英晶體長度l=15.0 mm,直流勵磁的鋱玻璃長度l=25.3 mm。自然旋光的實驗測量如圖1所示,通過控制交流勵磁開關(guān)來選用直接測量或交流調(diào)制測量［79］。(1)直接測量法按圖1所示的實驗裝置圖調(diào)節(jié)好光路并固定,取下石英晶體,光源發(fā)出的光經(jīng)過準直透鏡和起偏器,變成線偏振光,為了便于觀察和測量,調(diào)節(jié)起偏器和檢偏器處于正交狀態(tài),此時探測器讀數(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,從起偏器出射的線偏振光入射到石英晶體中,就滿足了與晶體光軸方向平行的條件,出射光通過檢偏器后探測器的讀數(shù)會變大;旋轉(zhuǎn)檢偏器將探測器的讀數(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所示的實驗裝置圖調(diào)節(jié)好光路并固定,取下石英晶體,打開交流電信號(1 kHz的正弦信號),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)倍頻信號時檢偏器的角度θ0,如圖3所示。放入石英晶體,線偏振光經(jīng)過石英晶體后偏振面發(fā)生旋轉(zhuǎn),示波器中的波形會發(fā)生變化,調(diào)節(jié)檢偏器,當(dāng)示波器上再次出現(xiàn)倍頻信號時,記錄下檢偏器角度θ1,則偏轉(zhuǎn)角θ=θ1－θ0。法拉第效應(yīng)中,直流勵磁鋱玻璃的作用等同于石英晶體,可以通過控制交流勵磁開關(guān)選用直流勵磁法或交流調(diào)制法,測量過程與自然旋光效應(yīng)的直接測量和交流調(diào)制法相同,但是需要多次改變直流電信號的數(shù)值,調(diào)節(jié)檢偏器,使光強或波形恢復(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實驗研究與數(shù)據(jù)分析

3.1電流對偏轉(zhuǎn)角θ的影響自然旋光現(xiàn)象與磁場無關(guān),其偏轉(zhuǎn)角理論值θ=αl,比例系數(shù)α為光通過1 mm厚度旋光物質(zhì)時的偏轉(zhuǎn)角,入射波長λ=587.6 nm,室溫20 ℃下,石英的比例系數(shù)理論值為α=21.75(°)/mm。由于探測器光強靈敏度的影響,采用直接測量法測量結(jié)果為15.48(°)/mm,誤差較大。采用交流調(diào)制法測量,將石英晶體替換圖2的直流勵磁玻璃,測得其比例系數(shù)為20.56(°)/mm,誤差主要是入射光波長、檢偏器和起偏器的消光比、檢偏器角度和晶體長度的讀數(shù)誤差以及環(huán)境溫度等因素引起。實驗數(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

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為磁場強度,比例系數(shù)V是晶體的維爾德常數(shù)。在圖2的實驗裝置中,分別利用直流勵磁法和交流調(diào)制法對鋱玻璃進行測量,兩種方法的測量曲線如圖4所示。從圖4可以發(fā)現(xiàn):法拉第效應(yīng)偏轉(zhuǎn)角正比于電流強度,同時磁場強度正比于電流強度,即偏轉(zhuǎn)角正比于磁場強度,與理論吻合。如果反過來測量出磁光晶體長度、直流勵磁線圈產(chǎn)生的磁場強度以及偏轉(zhuǎn)角,即可利用理論公式計算出晶體的維爾德常數(shù),從而確定該晶體種類。直流勵磁法通過觀察光強讀數(shù)確定偏轉(zhuǎn)角,操作簡單,但光強示數(shù)隨電流變化不靈敏,測量精度不高,其偏轉(zhuǎn)角與電流的線性度不高;交流調(diào)制法通過倍頻信號確定偏轉(zhuǎn)角,電流的微弱變化就能引起波形變化,測量結(jié)果比較精確,但光路復(fù)雜,操作繁瑣。

3.2磁場方向?qū)ζD(zhuǎn)角的影響保持入射光方向不變,通過改變勵磁電流的極性實現(xiàn)磁場方向的變化。當(dāng)勵磁極性為“+”時,光的傳播方向與磁場方向相同,順著磁場方向觀察,偏振面順時針偏轉(zhuǎn);改變勵磁極性,則光的傳播方向與磁場方向相反,順著磁場方向觀察偏振面逆時針偏轉(zhuǎn)?？梢园l(fā)現(xiàn),法拉第效應(yīng)的偏轉(zhuǎn)方向與磁場方向有關(guān)。

3.3光的傳播方向?qū)ζD(zhuǎn)角的影響將圖1與圖2中光源部分與探測器部分對調(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)方向由順時針變?yōu)槟鏁r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)光束往返通過自然旋光物質(zhì)時,兩次偏轉(zhuǎn)方向相反大小相等而相互抵消。(2)對于直流勵磁鋱玻璃,迎著光的方向來看,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磁光效應(yīng)。

3.4入射波長對偏轉(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)角隨入射波長不同而發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為旋光色散。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)律可以測量溶液濃度,醫(yī)學(xué)中的測糖計就是根據(jù)這個原理設(shè)計的。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)角旋光方向與磁場方向有關(guān),與傳播方向無關(guān)。如果光往返通過磁光晶體,由本身自然旋光引起的偏轉(zhuǎn)角與磁場方向有關(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,反射光通過法拉第盒后的偏振方向與起偏器P1方向正交而無法通過。此現(xiàn)象表明法拉第旋光效應(yīng)是一個不可逆的光學(xué)過程,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)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),對于同一材料制成的晶片,自然旋光的方向往往同時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)角正比于外加磁場強度的大小,其偏轉(zhuǎn)角旋光方向與磁場方向有關(guān),與光傳播方向無關(guān),即只要磁場方向不變,無論入射光還是反射光,其旋轉(zhuǎn)角都朝一個方向旋轉(zhuǎn)。

參考文獻：

［1］劉公強,劉湘林.磁光調(diào)制和法拉第旋轉(zhuǎn)測量［J］.光學(xué)學(xué)報,1984,4(7):588592.

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［9］李小俊,李永安,汪源源,等.基于矩形波信號的磁光調(diào)制偏振測量方法［J］.光學(xué)學(xué)報,2008,28(8):15331537.

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所示的實驗裝置圖調(diào)節(jié)好光路并固定,取下石英晶體,打開交流電信號(1 kHz的正弦信號),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)倍頻信號時檢偏器的角度θ0,如圖3所示。放入石英晶體,線偏振光經(jīng)過石英晶體后偏振面發(fā)生旋轉(zhuǎn),示波器中的波形會發(fā)生變化,調(diào)節(jié)檢偏器,當(dāng)示波器上再次出現(xiàn)倍頻信號時,記錄下檢偏器角度θ1,則偏轉(zhuǎn)角θ=θ1－θ0。法拉第效應(yīng)中,直流勵磁鋱玻璃的作用等同于石英晶體,可以通過控制交流勵磁開關(guān)選用直流勵磁法或交流調(diào)制法,測量過程與自然旋光效應(yīng)的直接測量和交流調(diào)制法相同,但是需要多次改變直流電信號的數(shù)值,調(diào)節(jié)檢偏器,使光強或波形恢復(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實驗研究與數(shù)據(jù)分析

3.1電流對偏轉(zhuǎn)角θ的影響自然旋光現(xiàn)象與磁場無關(guān),其偏轉(zhuǎn)角理論值θ=αl,比例系數(shù)α為光通過1 mm厚度旋光物質(zhì)時的偏轉(zhuǎn)角,入射波長λ=587.6 nm,室溫20 ℃下,石英的比例系數(shù)理論值為α=21.75(°)/mm。由于探測器光強靈敏度的影響,采用直接測量法測量結(jié)果為15.48(°)/mm,誤差較大。采用交流調(diào)制法測量,將石英晶體替換圖2的直流勵磁玻璃,測得其比例系數(shù)為20.56(°)/mm,誤差主要是入射光波長、檢偏器和起偏器的消光比、檢偏器角度和晶體長度的讀數(shù)誤差以及環(huán)境溫度等因素引起。實驗數(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

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為磁場強度,比例系數(shù)V是晶體的維爾德常數(shù)。在圖2的實驗裝置中,分別利用直流勵磁法和交流調(diào)制法對鋱玻璃進行測量,兩種方法的測量曲線如圖4所示。從圖4可以發(fā)現(xiàn):法拉第效應(yīng)偏轉(zhuǎn)角正比于電流強度,同時磁場強度正比于電流強度,即偏轉(zhuǎn)角正比于磁場強度,與理論吻合。如果反過來測量出磁光晶體長度、直流勵磁線圈產(chǎn)生的磁場強度以及偏轉(zhuǎn)角,即可利用理論公式計算出晶體的維爾德常數(shù),從而確定該晶體種類。直流勵磁法通過觀察光強讀數(shù)確定偏轉(zhuǎn)角,操作簡單,但光強示數(shù)隨電流變化不靈敏,測量精度不高,其偏轉(zhuǎn)角與電流的線性度不高;交流調(diào)制法通過倍頻信號確定偏轉(zhuǎn)角,電流的微弱變化就能引起波形變化,測量結(jié)果比較精確,但光路復(fù)雜,操作繁瑣。

3.2磁場方向?qū)ζD(zhuǎn)角的影響保持入射光方向不變,通過改變勵磁電流的極性實現(xiàn)磁場方向的變化。當(dāng)勵磁極性為“+”時,光的傳播方向與磁場方向相同,順著磁場方向觀察,偏振面順時針偏轉(zhuǎn);改變勵磁極性,則光的傳播方向與磁場方向相反,順著磁場方向觀察偏振面逆時針偏轉(zhuǎn)?？梢园l(fā)現(xiàn),法拉第效應(yīng)的偏轉(zhuǎn)方向與磁場方向有關(guān)。

3.3光的傳播方向?qū)ζD(zhuǎn)角的影響將圖1與圖2中光源部分與探測器部分對調(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)方向由順時針變?yōu)槟鏁r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)光束往返通過自然旋光物質(zhì)時,兩次偏轉(zhuǎn)方向相反大小相等而相互抵消。(2)對于直流勵磁鋱玻璃,迎著光的方向來看,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磁光效應(yīng)。

3.4入射波長對偏轉(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)角隨入射波長不同而發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為旋光色散。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)律可以測量溶液濃度,醫(yī)學(xué)中的測糖計就是根據(jù)這個原理設(shè)計的。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)角旋光方向與磁場方向有關(guān),與傳播方向無關(guān)。如果光往返通過磁光晶體,由本身自然旋光引起的偏轉(zhuǎn)角與磁場方向有關(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,反射光通過法拉第盒后的偏振方向與起偏器P1方向正交而無法通過。此現(xiàn)象表明法拉第旋光效應(yīng)是一個不可逆的光學(xué)過程,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)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),對于同一材料制成的晶片,自然旋光的方向往往同時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)角正比于外加磁場強度的大小,其偏轉(zhuǎn)角旋光方向與磁場方向有關(guān),與光傳播方向無關(guān),即只要磁場方向不變,無論入射光還是反射光,其旋轉(zhuǎn)角都朝一個方向旋轉(zhuǎn)。

參考文獻：

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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所示的實驗裝置圖調(diào)節(jié)好光路并固定,取下石英晶體,打開交流電信號(1 kHz的正弦信號),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)倍頻信號時檢偏器的角度θ0,如圖3所示。放入石英晶體,線偏振光經(jīng)過石英晶體后偏振面發(fā)生旋轉(zhuǎn),示波器中的波形會發(fā)生變化,調(diào)節(jié)檢偏器,當(dāng)示波器上再次出現(xiàn)倍頻信號時,記錄下檢偏器角度θ1,則偏轉(zhuǎn)角θ=θ1－θ0。法拉第效應(yīng)中,直流勵磁鋱玻璃的作用等同于石英晶體,可以通過控制交流勵磁開關(guān)選用直流勵磁法或交流調(diào)制法,測量過程與自然旋光效應(yīng)的直接測量和交流調(diào)制法相同,但是需要多次改變直流電信號的數(shù)值,調(diào)節(jié)檢偏器,使光強或波形恢復(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實驗研究與數(shù)據(jù)分析

3.1電流對偏轉(zhuǎn)角θ的影響自然旋光現(xiàn)象與磁場無關(guān),其偏轉(zhuǎn)角理論值θ=αl,比例系數(shù)α為光通過1 mm厚度旋光物質(zhì)時的偏轉(zhuǎn)角,入射波長λ=587.6 nm,室溫20 ℃下,石英的比例系數(shù)理論值為α=21.75(°)/mm。由于探測器光強靈敏度的影響,采用直接測量法測量結(jié)果為15.48(°)/mm,誤差較大。采用交流調(diào)制法測量,將石英晶體替換圖2的直流勵磁玻璃,測得其比例系數(shù)為20.56(°)/mm,誤差主要是入射光波長、檢偏器和起偏器的消光比、檢偏器角度和晶體長度的讀數(shù)誤差以及環(huán)境溫度等因素引起。實驗數(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

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為磁場強度,比例系數(shù)V是晶體的維爾德常數(shù)。在圖2的實驗裝置中,分別利用直流勵磁法和交流調(diào)制法對鋱玻璃進行測量,兩種方法的測量曲線如圖4所示。從圖4可以發(fā)現(xiàn):法拉第效應(yīng)偏轉(zhuǎn)角正比于電流強度,同時磁場強度正比于電流強度,即偏轉(zhuǎn)角正比于磁場強度,與理論吻合。如果反過來測量出磁光晶體長度、直流勵磁線圈產(chǎn)生的磁場強度以及偏轉(zhuǎn)角,即可利用理論公式計算出晶體的維爾德常數(shù),從而確定該晶體種類。直流勵磁法通過觀察光強讀數(shù)確定偏轉(zhuǎn)角,操作簡單,但光強示數(shù)隨電流變化不靈敏,測量精度不高,其偏轉(zhuǎn)角與電流的線性度不高;交流調(diào)制法通過倍頻信號確定偏轉(zhuǎn)角,電流的微弱變化就能引起波形變化,測量結(jié)果比較精確,但光路復(fù)雜,操作繁瑣。

3.2磁場方向?qū)ζD(zhuǎn)角的影響保持入射光方向不變,通過改變勵磁電流的極性實現(xiàn)磁場方向的變化。當(dāng)勵磁極性為“+”時,光的傳播方向與磁場方向相同,順著磁場方向觀察,偏振面順時針偏轉(zhuǎn);改變勵磁極性,則光的傳播方向與磁場方向相反,順著磁場方向觀察偏振面逆時針偏轉(zhuǎn)。可以發(fā)現(xiàn),法拉第效應(yīng)的偏轉(zhuǎn)方向與磁場方向有關(guān)。

3.3光的傳播方向?qū)ζD(zhuǎn)角的影響將圖1與圖2中光源部分與探測器部分對調(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)方向由順時針變?yōu)槟鏁r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)光束往返通過自然旋光物質(zhì)時,兩次偏轉(zhuǎn)方向相反大小相等而相互抵消。(2)對于直流勵磁鋱玻璃,迎著光的方向來看,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磁光效應(yīng)。

3.4入射波長對偏轉(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)角隨入射波長不同而發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為旋光色散。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)律可以測量溶液濃度,醫(yī)學(xué)中的測糖計就是根據(jù)這個原理設(shè)計的。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)角旋光方向與磁場方向有關(guān),與傳播方向無關(guān)。如果光往返通過磁光晶體,由本身自然旋光引起的偏轉(zhuǎn)角與磁場方向有關(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,反射光通過法拉第盒后的偏振方向與起偏器P1方向正交而無法通過。此現(xiàn)象表明法拉第旋光效應(yīng)是一個不可逆的光學(xué)過程,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)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),對于同一材料制成的晶片,自然旋光的方向往往同時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)角正比于外加磁場強度的大小,其偏轉(zhuǎn)角旋光方向與磁場方向有關(guān),與光傳播方向無關(guān),即只要磁場方向不變,無論入射光還是反射光,其旋轉(zhuǎn)角都朝一個方向旋轉(zhuǎn)。

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