光电子技术 2.5 光波在磁光介质中的传播

格式：ppt
大小：1.80 MB
文档页数：24

下载文档原格式

光波在电光晶体中的传播

晶体包括双轴晶体、单轴晶体和各向同性晶体.
(1) 晶体的介电常数与折射率
D 和 E之间可通过介电张量联系起来，即：
D [ ij ]E
矩阵形式：
（下标1,2,3表示xyz）
D1 11 12 13 E1
D2 21 22 23 E2
D3
31
32
33
E3
§2.2光波在电光晶体中的传播
1) /4波片：
z
y
-x
线偏 1/4波片正椭圆(圆)
00, 900
=450
= /2
§2.2光波在电光晶体中的传播
z(光轴)
-x
0
3 4
2
4
4
2
3 4
2) /2波片：
z
y
-x
线偏 1/2波片线偏
(一三象限)
(二四象限)
=
§2.2光波在电光晶体中的传播
x x’
z
L
y
2L (no
1 2
n3 o
r63
E
z
)
y’
(k//E//z)
~ V
这两个分量光波穿过晶体后将产生一个相位差：
y'
x'
2
(ny'
nx')L
2
n03 63Ez L
2
n03 63V
(2 29)
相位差正比于z方向电压V=EzL。
§2.2光波在电光晶体中的传播
y'
x'
§2.2光波在第电二光晶章体中光的辐传射播的传播
本章内容：§2.1光波在大气中的传播 §2.2光波在电光晶体中的传播 §2.3光波在声光晶体中的传播 §2.4光波在磁光介质中的传播 §2.5光纤波导中的传播* §2.6光波在非线性介质中的传播 §2.7光波在水中的传播

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
UP
DOWN
BACK
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

第六讲-光在磁光介质中传播

∂ A1 ωδ =− A2 exp[ − i ( k 2 − k1 ) z ] ∂z 2 n1c ∂ A2 ωδ =− A1 exp[ i ( k 2 − k1 ) z ] ∂z 2 n2 c
式中δ是与磁场有关的参量。式中δ是与磁场有关的参量。设在Z=0处的光场振幅分别为 A1 (0 )和 A2 (0 ) 设在Z=0处的光场振幅分别为 Z=0 2.4－式2.4－2方程的解为 :
=
χ (0) cos sz − i
∆k ω δ sin sz + A2 (0 )sin sz 2s c 2n2 s ∆k ω δ cos sz + i sin sz − χ (0 ) sin sz 2s c 2n1s
A2 (0 ) χ (0 ) = A1 (0 )
(2.4-5)
2π E x = exp(−i nz ) λ0 E = −i exp(−i 2π nz ) = exp(−i 2π nz − π ) y λ0 λ0 2 右旋
因此，方向偏振入射的线偏光经过长度为L的磁光介因此，沿x方向偏振入射的线偏光经过长度为的磁光介方向偏振入射的线偏光经过长度为质后仍为线偏光，但将偏转一个角度：质后仍为线偏光，但将偏转一个角度：
∆ω = 2m
相应有不同的极化强度、折射率等，相应有不同的极化强度、折射率等，从而出现不同的传播模式，分别激发左旋、不同的传播模式，即：分别激发左旋、右旋光次波）。波（次波）。
由于磁场的作用而导致光偏振面旋转的现象称为法拉第磁光效应法拉第磁光效应。的现象称为法拉第磁光效应。
法拉第旋转效应理论分析
单位：单位：
法拉第旋转效应的特殊规律
（1）自然旋光物质左右旋与光的传播方向无关）

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

光电子技术第二章1

驻波声光衍射的特点： 1.极值方向不变，仍同静止声场 2．对应各极值方向的光强为： Im Jm (v sin st)
各级衍射光强都将将随时间以两倍于声波的频率被调制。
声驻波对衍射光频率的影响
◆典型拉曼一奈斯声光衍射实验装置拉曼-奈斯声光衍射
(1)声光介质
对声光介质的要求是：声光品质因数尽量高，对声波的吸收足够小，在要求的通光波段范围内透过率高。
太阳辐射在大气中的减弱
此即为描述大气衰减的朗伯定律．它表明光强随传输距离的增加呈指数规律衰减。
衰减系数描述了吸收和散射两种独立物理过程对传播光辐射强度的影响．所以可表示为:
单位：
km m ka a
1．大气分子的吸收
定义：光波在大气中传播时．大气分子在光波电场的作用下产生极化，并以入射光的频率做受迫振动。所以为了克服大气分子内部阻力要消耗能量，表现为大气分子的吸收。
m
上式中与第m级衍射有关的项为：
Em E0eims t
E CqJ v sinqmks k0 sin B/ 2
m
qmks k0 sin / 2
因为函数sinc函数在χ= 0 时取极大值，因此有衍射
极大的方位角θm由下式决定：
s in m
m ks ki
例如：振荡电偶极子辐射。
+q .
+q .
q.
q.
+q q
.
+q . q.
【补充：极化】
大气窗口：通常把太阳光透过大气层时透过率较高的光谱段称为大气窗口。大气窗口的光谱段主要有: 紫外、可见光和近红外波段。
大气窗口按所属范围不同分为光学窗口、红外窗口和射电窗口。

2_4 光波在磁光介质中的传播

2.4 光波在磁光介质中的传播
磁光隔离器
H
P2
P1
第2章光辐射的传播
正向
P1
P2
45
VHL
P1
反向
P2
45
对于自然旋光：偏振面的旋转方向与光的传播方向无关，取决
于旋光物质本身；当光在介质中往返时，偏振面的旋向也相反，当光传播到原始位置时，偏振面将转回原始方位.
H
第2章光辐射的传播
P2 P1
VHL
当光传播方向与磁场方向平行时，正 V值相应于左旋；
当光传播方向与磁场方向相反时，表现为右旋；
若外磁场由螺线管电流产生，旋光方向总是和螺线绕向一致.
当光往返通过介质时，若磁场方向不变，法拉第旋转的左右方向互换；光矢量振动面的最终位置与初始位置比较，转过2的角度.
第2章光辐射的传播
H
磁光调制
P2 P1
L 磁致旋光率与磁感应强度B成正比.
对于抗磁体或顺磁体，磁化强度一般很弱，r1;
B与H为线性关系， B 0H VH
磁致旋光角 VHL
V称为韦尔德（Verdet）常数，表示在单位磁场强度下线偏振光通过单位长度磁光介质后偏振方向旋转的角度.
2.4 光波在磁光介质中的传播
有外磁场时，分子磁矩受到力的作用，各分子对外磁场取向一致，宏观上表现为各向异性。
2.4 光波在磁光介质中的传播
B
第2章光辐射的传播
P2 P1
P1、P2透光轴正交，不加磁场时出现消光；加强磁场后，需将偏振器P2透光轴转过一个角度后出现消光.
L
—磁致旋光率，与磁感应强度B成正比。
2.4 光波在磁光介质中的传播
2.4 光波在磁光介质中的传播

1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。

2013-1-16 共17页 11
UP
DOWN
BACK
2013-1-16
因此，沿x方向偏振的入射光经过长度为L的磁光介质后将偏转一个角度
L
(n n ) 0 n00
这就是法拉第旋转现象，为磁致旋光率。
2
2013-1-16 共17页 12
UP
DOWN
代入菲涅耳方程
ˆ n [ E l (l E ) r E ] 0
2
由系数行列式为零，得到折射率n所满所足的方程 :
UP DOWN
2013-1-16 共17页 8
BACK
2013-1-16
n [ l l l ] n [( rx ry )(l l )
(3)
AL’ AL

z
AR
2013-1-16 共17页 18
2013-1-16
磁致旋光效应的旋转方向仅与磁场方向有关，而与光线传
播方向的正逆无关，这是磁致旋光现象与晶体的自然旋光现象不同之处(即当光束往返通过自然旋光物质时，因旋转角相等方
向相反而相互抵消)。但通过磁光介质时，只要磁场方向不变，
2013-1-16 共17页 10
UP
DOWN
BACK
2013-1-16
2 E x exp(i nz) 0 E i exp(i 2 nz) exp(i 2 nz ) y 0 0 2 左旋
2 E x exp(i nz) 0 E i exp(i 2 nz) exp(i 2 nz ) y 0 0 2 右旋
UP
DOWN
BACK
2013-1-16
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。
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。
2013-1-16 共17页 19
UP
DOWN
BACK
2013-1-16
• 英国物理学家麦克尔· 法拉第（1791－1867），贫苦出身，幼年失学，在印刷厂当童工时学习零星的科学知识 • 1812年，聆听戴维的讲演，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。遭到戴维的妒忌，但法拉第一直心存感激。
可见Ez=0，即介质中传播的光波为横波，相应的传播模式为右旋和左旋的两个圆偏振光波：
Ex iE y iE y
Ex 1 2 nz ) E exp( i 0 y i
由于外加磁场的作用， E x , E y二者之间产生了额外使的相位差。E y 超前（或落后） x 相位 / 2。 E
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 A A’ 一个角度，此值等于角的一半，即
= /2＝（nR – nL）L/
可以看出，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。
UP DOWN BACK
：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
2013-1-16 共17页 3
UP
DOWN
BACK
2013-1-16
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。
所以两圆偏振光间存在一相位差
2013-1-16 共17页 17
UP
DOWN
BACK
2013-1-16
(2) 当它们通过介质之后，又合成为一线偏振光，其偏振方向相对于

1 2
2
入射介质的线偏振光的振动方向，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
2013-1-16 共17页 22
UP
DOWN
BACK
2013-1-16
• 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 • 从1820－1862，每天坚持做实验日记，1932年出版，共七大卷3236页
DOWN
BACK
2013-1-16
法拉第旋转的特殊规律
（1）自然旋光物质左右旋与光的传播方向无关
2013-1-16 共17页 14
UP
DOWN
BACK
2013-1-16
（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。
2013-1-16 共17页 15
UP
DOWN
UP DOWN BACK
2013-1-16 共17页 4
2013-1-16
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。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的磁场强H和光在介质中传播的长度L之积成正比，即 (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
BACK
2013-1-16
（3）光束一正一反两次通过磁光介质时，振动面转过角度 2 。（4）法拉第旋转的用途
0 若： 45 则: 2 90 0
线偏振光返回后无法通过第一个偏振片，成为光隔离器。
法拉第旋转器的应用
2013-1-16 共17页 16
UP
DOWN
BACK
2013-1-16
4 2 rx x 2 ry y 2 rz z 2 2 2 x 2 y
rz ( rx l x2 ry l y2 ) rz ( rx ry )l z2 ] rz ( rx ry 2 ) 0
假设光波在立方晶体或各向同性介质中 2 （ rx ry rz n0 ）平行于磁化强度（z）方向（lx=ly=0， lz=1）传播，得
＝VHL
材料的韦尔代常数。
2013-1-16 共17页 5
UP
DOWN
BACK
2013-1-16
Faraday Rotator
Brewster dielectric polarizers
装置、光路
Rotator
2013-1-16 共17页 6
UP
DOWN
BACK
2013-1-16
理论分析
对于旋光现象的物理原因，可解释为外加磁场使介质分子的磁
矩定向排列，当一束线偏振光通过它时，分解为两个频率相同、初
相位相同的两个圆偏振光，其中一个圆偏振光的电矢量是顺时针方向旋转，称为右旋圆偏振光，而另一个圆偏振光是逆时针方向旋转
的，称为左旋圆偏振光。这两个圆偏振光无相互作用地以两种略有
不同的速度 +＝c/nR和 -＝c/nL传播，它们通过厚度为L的介质之后产生的相位延迟分别为:
UP DOWN BACK
2013-1-16 共17页 21
2013-1-16
电磁波
• 1832年的一封信中实际上提出了电磁波的概念： “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。也就是说，我打算把振动理论应用于磁现象，就像对声音所作的那样，而且这也是光现象最可能的解释。” • 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
BACK
2013-1-16
当磁化强度较弱，B与H为线性关系，即=0为常量。因而旋光率与外加磁场强度在成正比, 式可写成:
VH
式中V称为韦尔德（Verdet）常数，它表示在单位磁场强度下线偏振光波通过单位长度磁光介质后偏振方向旋转的角度。
2013-1-16 共17页 13
UP
ˆ 在光频波段内，令 0 ，几乎所有的磁光现象都可得到解释。
引进等效介电系数张量
rx ˆ rij i 0
i
rx
0
0 0 rz
当磁场反向时，的符号也要反号，即:
( B) ( B)
2013-1-16 共17页 7
4 n 2n0 n 2 n0 2 0 4 2
2 2 n n0
2013-1-16 共17页 9
UP
DOWN
BACK
2013-1-16
代如菲涅耳方程得，
i 0
i 0
0 E x E x iE y 0 E y iE x E y 0 2 2 n0 E z n0 E z
旋光
1．石英的旋光现象
1）旋光现象冰洲石晶体无旋光现象
2013-1-16 共17页 1
UP
DOWN
BACK
2013-1-16
水晶有旋光现象
UP DOWN BACK
2013-1-16 共17页 2
2013-1-16