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展歷程，幾種磁光效應現象的發現和規律。在此基礎上，著重對法拉第磁光效應現象及其原理，法拉第磁光效應的實驗證進行解析闡述，為參閱者提建設性參考。

關鍵詞：法拉第旋轉角;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

磁化物質與光之間互相引起的光學現象變化為磁光效應。它是一個集合概念，內含有法拉第效應[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，體現了光、磁的聯系[3]。1845年，光磁效應首先被法拉第發現。他觀察到非光學介質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中的傳播方向一致，那么光線的振動表面會在通過介質后產生角度旋轉。這一現象就是法拉第效應[4]。

1876年克爾（J.Kerr）發現了克爾磁光效應[5]，塞曼在1896年觀察到的塞曼磁光效光效應[6]，1896年發現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）分別被發現。

最近幾十年來，磁光器材獲利了較大范圍的應用。隨著科技發展與新型材料的更新換代，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。在發達的工業強國中，已經出現了存儲容量達到數以兆計的單片商用可擦除磁光盤，而且我國已經在該方面取得了不菲的成果。

磁光效應反應了光、磁場與物質三者之間的互相影響關系。由于物質具有的電磁性，如介電常數與滲透性能等，會對光的傳播產生影響。在外部較強磁場的影響下，物質的電磁性會改變，進而讓光線的傳播發生改變，產生磁光效應[8]。從廣義上講，磁光效應體現的是光與物質之間的一種關系[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入射平面偏振光后，偏振面會產生旋轉，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，經過大量的實驗發現，法拉第效應具有規律。

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

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生的偏振面旋轉。這個方法優點在于精確度高，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生的偏振面旋轉。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，用校正旋轉工作臺的方法來獲得法拉第旋轉角度。Verdet常數的平均值可根據多次測量的數據計算，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角度的數值，用新方法取得Verdet常數的數值，并將其與最初方法獲得的Verdet常數的平均數值開展對比，以對新方法的有效性進行驗證。

當光與磁場相互作用時，磁致旋光產生。其實質是在磁化介質中，磁場與光波作用而造成偏振光的角度出現一定程度的旋轉（見圖1）。在圖中，B代表平行與光線方向的磁感應強度，代表偏振旋轉角度，L代表磁場范圍內的光纖長度;V表示光纖所具有的Verdet 常數，則偏振面旋轉角度的計算公式為：

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象的發生，而且由于光纖 “粒子”產生感化作用導致光發生散射與導致光波相位也隨著而發生改變，從而在光纖尾端產生橢圓偏振光，見圖2（a）。在磁場作用下，即偏振面旋轉角變化圖，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）式在旋轉后的中其形式不會發生變化，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的數值在公式（1）與公式（2）中代入，則能夠得到的數值。

按法拉第旋轉角的計算公式，以及磁感應數值的計算公式，能夠獲得Verdet 常數的計算公式

（4）

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

3 結論

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現，越來越多的磁光效應被人發現，種類豐富的磁光材料也得以開發出來，使其開始應用在社會的許多領域中，方便了人們的生活，也促進了社會的發展。

參考文獻：

[1]艾延寶，金永君.法拉第磁致旋光效應及應用[J].物理工程，2002（5）：50-51+60.

[2]劉公強，等.克爾磁光效應的經典理論分析[J].光學學報，1990（1）：67-73.

[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.

[5]靳惠瑩，李華.磁光克爾效應及其應用[J].教育教學論壇，2011（35）：68-69.

[6]賈翠紅，許雪娥.塞曼效應的層疊問題研究[J].大學物理實驗，2012，25（4）：60-63.

[7]鄭賢利，趙越，楊永.法拉第磁光效應測量費爾德常數的方法[J].高校實驗室工作研究，2012（2）：51-52+86.

[8]繆秀平.磁光效應及其應用[J].科教導刊，2011（25）：245-246.

[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，2011，37（1）：11-13.

（責任編輯：李凌峰）