磁光效应

磁光效应是指处于磁化状态的物质与光之间发生相互作用而引起的各种光学现象.包括法拉第效应、克尔磁光效应、塞曼效应和科顿-穆顿效应等.这些效应均起源于物质的磁化，反映了光与物质磁性间的联系.笔者认为这些磁光效应实验进一步说明光子具有电磁质量.

（一）、“法拉第效应”

1845年M.法拉第发现，当线偏振光在介质中传播时，若在平行于光的传播方向上加一强磁场，则光振动方向将发生偏转，偏转角度ψ与磁感应强度B和光穿越介质的长度l的乘积成正比，即ψ＝VBl，比例系数V称为费尔德常数，与介质性质及光波频率有关.偏转方向取决于介质性质和磁场方向.上述现象称为法拉第效应或磁致旋光效应.该效应可用来分析碳氢化合物，因每种碳氢化合物有各自的磁致旋光特性；在光谱研究中，可借以得到关于激发能级的有关知识；在激光技术中可用来隔离反射光，也可作为调制光波的手段.

因为磁场下电子的运动总附加有右旋的拉穆尔进动﹐当光的传播方向相反时﹐偏振面旋转角方向不倒转﹐所以法拉第效应是非互易效应.这种非互易的本质在微波和光的通信中是很重要的.许多微波﹑光的隔离器﹑环行器﹑开关就是用旋转角大的磁性材料制作的.

“法拉第是很熟悉借助于偏振光来研究产生在透明固体中的协变的方法的.他作了许多实验，希望发现偏振光在通过内部存在着电解导电或介电感应的媒质时所受到的某种作用.然而他并没有能找到任何这种作用，尽管实验是用按照最适宜发现拉力的效应的方式装置起来的－－电力或电流和光线相垂直，并和偏振平面成45度角.法拉第用各种方式改变了实验，但是没有发现由电解电流或静电感应引起的对光的任何作用.

然而他在确立光和磁之间的关系方面却取得了成功，而他作到这一点的那些实验则描述在他的《实验研究》的第十九组中.我们将把法拉第的发现取作我们有关磁的本性的进一步探索的出发点.从而我们将描述一下他所观察到的现象.一条平面偏振的光线从一种透明的抗磁性媒质中通过；当从媒质中出来时，用一个检偏器截断它的路程，以测定它的偏振面.然后加上一个磁力，使透明媒质中的磁力方向和光线的方向相重合.于是光立即重新出现，但是如果把检偏器转过某一角度，光就又被截断.这就表明，磁力的效应就是使偏振面以光线方向为轴而转过一个确定的角度，这个角度为了截断光线而必须使检偏器转过的那个角度来描述.偏振面转过的角度和下列各量成正比：（1）光线在媒质中超过的距离.因此偏振面是从它的原始位置开始而连续变化的.（2）磁力在光线方向上的分量.（3）转动角的大小依赖于媒质的种类.当媒质是空气或任何其他气体时，还没有观察到任何的转动.这三点说法被包括在一个更普遍的叙述中，那就是，旋转角在数值上等于光线从进入媒质的一点到离开媒质

的一点的矢势增量乘以一个系数，而对抗磁性媒质来说，这个系数通常是正的.

在抗磁性物质中，偏振面被转向的方向（一般说来）和一个电流的正方向相同，那个电流就是为了产生和实际存在的磁力同方向的磁力而必须绕着光线运行的.然而外尔代特却发现，在某些铁磁性媒质中，例如在一种高氯化铁在木精或乙醚的浓溶液中，旋转方向却和将会产生磁力的电流运行方向相反.这就表明，铁磁性物质和抗磁性物质的区别不仅仅起源于“磁导率”在前一事例中大于而在后一事例中小于空气的磁导率，而这两类物体确实性质相反.

一种物质在磁力作用下获得的使光的偏振面发生施转的能力，并不是恰好正比于它的抗磁的或铁磁的磁化率.事实上，抗磁性物质中的旋转为正而铁磁性物质中的旋转为负这一法则.是有例外情况的，因为中性的铬酸钾是抗磁性的，但它却引起负旋转.

也存在另外一些物质，他们不依赖于磁力的施加就能在光线通过物质时使偏振面向左或向右旋转.在某些这种物质中，性质依赖于一个轴，例如在石英的事例中就是如此.在另一些物质中，性质并不依赖于光线在媒质中的方向，例如在松节油、糖溶液等等中就是如此.然而，在所有这些物质中，如果任何一条光线的偏振面在媒质中是像一个右手螺旋那样地扭转的，则当光线沿相反方向通过媒质时偏振面仍将像右手螺旋似的扭转.当把媒质放在光线的路程上时，观察者为了截断光线就必须旋转他的检偏器，而不论光线是从南或从北向他射来，旋转的方向相对于观察者来说都是相同的.当光线的方向反向时，旋转在空间中的方向当然也会反向.但是当旋转是由磁作用引起的时，它在空间中的方向却不论光是向南还是向北传播都是相同的.如果媒质属于正类，则旋转方向总是和产生或将会产生实际的磁场状态的电流的方向相同，而如果媒质属于负类则旋转方向总是和该电流的方向相反.由此可以推知，如果光线在从北向南通过了媒质以后受到一个镜面的反射而从南向北返回媒质中，则当旋转是由磁作用引起的时，旋转就会加倍.当旋转只依赖于媒质的种类（而不依赖于光线的方向），就像在松节油等等中那样时，光线在被反射而回到媒质中再从媒质中出来时，它的偏振将是入射时在相同的平面上的，第一次通过时的旋转将在第二次通过时被恰好倒了回来.现象的物质解释带来了相当大的困难.不论是在磁致旋转方向，还是在某些媒质的表现方面，这些困难还几乎不能说已经解决.然而我们可以通过分析已经观察到的事实来给一种解释作些准备.

运动学中的一个众所周知的定理就是，两个振幅相同、振动周期相同、在同一平面上但沿相反方向转运的匀速圆周振动，当合成在一起时是和一个直线振动相等价的.这一振动的周期等于圆周振动的周期，它的振幅等于圆周振动的振幅的两部，它的方向是两个点的连线，

那就是在同一圆周上沿不同方向描述圆周运动的两个质点即将相遇的两个点.因此，如果一个圆周运动的周相被加速，则直线振动的方向将沿着圆周运动的方向转过一个等于周相加速度的二分之一的角.也可以通过直接的光学实验来证明，两条沿相反方向而圆偏振的强度相同的光线，当合并在一起时就变成一条平面偏振的光线，而且，如果其中一条圆偏振光线的周相由于任何原因被加速了，则全光线的偏振平面会转过一个等于周相加速度之一半的角度.

因此我们可以表示偏振面的旋转现象如下：有一条平面偏振光线射在媒质上.这条光线和两条圆偏振光线相等价，其中一条是右手圆偏振的，而另一条是左手圆偏振的（对观察者而言）.通过了媒质以后，光线仍然是平面偏振的，但在两条圆偏振光线中，右手圆偏振的那一条的周相一定是在通过媒质时相对于另一条而被加速了.

换句话说，右手圆偏振的光线曾经完成了更多次数的振动，从而在媒质内部比周期相同的左手圆偏振的光线具有较小的波长.现象的这种叙述方式是和任何光的学说都无关的，因为虽然我们使用了波长、圆偏振等等的在我们头脑中可能和某种形式的波动学说相联系的术语，但是推理过程却和这种联系无关而只依赖于被实验证明了的事实.

其次让我们考虑其中一条光线在某一给定时刻的位形.每时刻的运动都是圆周运动的任何波动，都可以用一个螺纹线或螺旋来代表.如果让螺旋绕着它的轴线旋转而并不发生任何纵向运动，则每一个粒子都会描述一个圆，而与此同时，波动的传播则将由螺旋纹路上位置相似的各部分的表现纵向运动来代表.很容易看到，如果螺旋是右手的，而观察者是位于波动所传向的一端的，则在他看来螺旋的运动将显得是左手的，也就是说，运动将显得是逆时针的.因此，这样的一条光线曾经被称为一条左手圆偏振的光线；这名称最初起源于一些法国作者，现在已经在整个的科学界都通行了.

一条右手圆偏振的光线可以按相似的方式用一个左手螺旋来表示.右侧的右手螺旋线A 表示一条左手圆偏振的光线，而左侧的左手螺旋线B则表示一条右手圆偏振的光线.现在让我们考虑在媒质内部具有相同波长的两条这样的光线.他们在一切方面都是几何地相似的，只除了其中一条是另一条的“反演”，即有如另一条在镜子里的像一样.然而，其中一条，譬如说是A，却比另一条具有较短的旋转周期.如果运动完全起源于由位移所引起的力，那么这就表明，当位形像A那样时，由相同的位移引起的力要比位形像B那样时大一些.因此，在这一事例中，左手光线将相对于右手光线而被加速，而且不论各光线是从北向南还是从南向北行进，情况都将是这样的.因此这就是松节油等等引起的那种现象的解释.在这些媒质中，当位形像A那样时，由一条圆偏振光线所造成的位移将比位形像B那样时引起较大的恢

复力.于是这些力就只依赖于位形，而不依赖于运动的方向.”

“但是，各物体的性质是可以定量地测量的.因此我们就得到媒质的数据，例如一种扰动通过媒质而传播的那一速度的数值，而这一速度是可以根据电磁实验来算出的，也是在光的事例中可以直接观测的.如果居然发现电磁扰动的传播速度和光的速度相同，而且这不但在空气中是如此，在别的透明媒质中也是如此，则我们将有很强的理由相信光是一种电磁现象，而且光学资料和电学资料的组合也将产生一种关于媒质之实在性的信念，和我们在其他种类的物质的事例中通过感官资料的组合而得到那种信念相似.”[见《电磁通论》第二十章，光的电磁学说的第三自然段.]

（二）、克尔磁光效应1876年由J.克尔发现，入射的线偏振光在已磁化的物质表面反射时，振动面发生旋转的现象，克尔磁光效应分极向、纵向和横向三种，分别对应物质的磁化强度与反射表面垂直、与表面和入射面平行、与表面平行而与入射面垂直三种情形.极向和纵向克尔磁光效应的磁致旋光都正比于磁化强度，一般极向的效应最强，纵向次之，横向则无明显的磁致旋光.克尔磁光效应的最重要应用是观察铁磁体的磁畴.不同的磁畴有不同的自发磁化方向，引起反射光振动面的不同旋转，通过偏振片观察反射光时，将观察到与各磁畴对应的明暗不同的区域.用此方法还可对磁畴变化作动态观察.

（三）、科顿-穆顿效应

1907年A.科顿和H.穆顿首先在液体中发现，光在透明介质中传播时，若在垂直于光的传播方向上加一外磁场，则介质表现出单轴晶体的性质，光轴沿磁场方向，主折射率之差正比于磁感应强度的平方.此效应也称磁致双折射.W.佛克脱在气体中也发现了同样效应，称佛克脱效应，它比前者要弱得多.当介质对两种互相垂直的振动有不同吸收系数时，就表现出二向色性的性质，称为磁二向色性效应.

（四）刘武青旋光效应

上证明了上述结论的正确性.他们设计了一个圆筒型的暗箱，用一根极细的石英丝将一系列的波片和平面镜悬挂在暗箱中.将一束圆偏振光射入暗箱，结果发现波片发生了偏转.上述实验虽然验证了光线具有角动量，但是由于可见光和近红外光的频率大于1014赫，所以合力矩极小.即使在实验中采用扭转系数很小的扭丝，如石英细丝，这个偏转角也只不10-3弧度.对这么小的变化进行定量测量，在当时几乎是不可能的.增大作用力矩的有效办法之一就是增大光线的波长，也就是必须提供频率相对低的电磁波.20世纪40年代，随着雷达技术的发展，射频波成为了理想的光源.它的波长要比我们眼睛能看到的可见光波长要大上千倍，作为有别于以前的新光源相当理想.意大利科学家卡拉拉(Carrara)于1949年利用射频波很容易地完成了定量测量光角动量的实验，他采用的装置类似于贝思的，只不过将波片替换成能吸收射频波的器件.当然，我们今天已经清楚地知道，光的能量传播以光子形式进行，能量P=h w/2π(h为普朗克常量)，因而它同时带有P/w=h /2π的角动量.我们采用右手螺旋法则，定义沿磁场方向右手旋进的光为+偏振，反之为-偏振，角动量为零的是π线偏振光.而在当初，得到这样定量的结果相当不容易.光具有角动量这一性质最终被应用于实际研究中，人们通过它得到原子、分子等的能级结构、能级寿命、电子的组态、分子的几何形状、化学键的性质、反应动力学等多方面物质结构的知识.

中国的刘武青先生发现光通过旋转透明介质，对光电池产生的电流、比光通过静止的透明介质时的要大，同时光波长也会发生变化.这一现象称为刘武青旋光效应.

早在20世纪初，人们就已经有了圆偏振光能够输运角动量以致引起旋转的概念.坡印亭(J.H.Poynting)于1909年将光与力学系统进行类比后，认为圆偏振光具有角动量.5年后，爱泼斯坦(P.S.Epstein)通过计算波作用在各向异性介质中感应电偶极子上的力，精确地得到引起旋转的力偶. 如果假设引起光偏振的系统由波和起偏晶片组成，这个系统当然应符合角动量守恒这一普遍规律，所以，必须承认电磁波也具有角动量，而且它的变化与晶片的角动量变化相反.具体地说，光有三类：不旋转的、左向旋转的和右向旋转的光. 1936年，首先是美国人贝思(Beth)，紧接着美国人霍尔朋(Holbourn)从实验上证明了上述结论的正确性.他们设计了一个圆筒型的暗箱，用一根极细的石英丝将一系列的波片和平面镜悬挂在暗箱中.将一束圆偏振光射入暗箱，结果发现波片发生了偏转. 上述实验虽然验证了光线具有角动量，但是由于可见光和近红外光的频率大于1014赫，所以合力矩极小.即使在实验中采用扭转系数很小的扭丝，如石英细丝，这个偏转角也只不10-3弧度.对这么小的变化进行定量测量，在当时几乎是不可能的. 增大作用力矩的有效办法之一就是增大光线的波长，

也就是必须提供频率相对低的电磁波.20世纪40年代，随着雷达技术的发展，射频波成为了理想的光源.它的波长要比我们眼睛能看到的可见光波长要大上千倍，作为有别于以前的新光源相当理想.意大利科学家卡拉拉(Carrara)于1949年利用射频波很容易地完成了定量测量光角动量的实验，他采用的装置类似于贝思的，只不过将波片替换成能吸收射频波的器件.-偏振，角动量为零的是π线偏振光.而在当初，得到这样定量的结果相当不容易.+偏

振，反之为当然，我们今天已经清楚地知道，光的能量传播以光子形式进行，能量P=h w/2π(h 为普朗克常量)，因而它同时带有P/w=h /2π的角动量.我们采用右手螺旋法则，定义沿磁场方向右手旋进的光为光具有角动量这一性质最终被应用于实际研究中，人们通过它得到原子、分子等的能级结构、能级寿命、电子的组态、分子的几何形状、化学键的性质、反应动力学等多方面物质结构的知识.

（五）塞曼效应

塞曼效应实验是物理学史上一个著名的实验，在1896年，塞曼（Zeeman ）发现把产生光谱的光源置于足够强的磁场中，磁场作用于发光体，使其光谱发生变化，一条谱线即会分裂成几条偏振化的谱线，这种现象称为塞曼效应，塞曼效应的实验证实了原子具有磁矩和空间取向的量子化，并得到洛伦兹理论的解释.1902年塞曼因这一发现与洛伦兹（H.A.Lorentz ）共享诺贝尔物理学奖金.至今，塞曼效应仍然是研究原子内部能级结构的重要方法.本实验通过观察并拍摄Hg （546.1nm ）谱线在磁场中的分裂情况，测量其裂距并计算荷质比m e

.由于外磁场对电子的轨道磁矩和自旋磁矩的作用﹐或使能级分裂才产生的.其中谱线分裂为2条(顺磁场方向观察)或3条(垂直于磁场方向观察)的叫正常塞曼效应﹔3条以上的叫反常塞曼效应.在定强度的磁场中﹐分裂后谱线的间隔与磁场强度成正比﹔谱线成分沿磁场方向观察是左﹑右圆偏振光﹐而沿垂直磁场方向观察是互相垂直的两种线偏振光.塞曼效应的经典理论解释是H.A.洛仑兹首先提出的.历史上将符合洛仑兹理论的谱线分裂现象称为正常塞曼效应﹐而将其它不符合洛仑兹理论的谱线分裂现象称为反常塞曼效应.量子力学理论能够全面地解释塞曼效应.

实验原理

1．谱线在磁场中的能级分裂

对于多电子原子，角动量之间的相互作用有LS 耦合模型和JJ 耦合某型.对于LS 耦合，电子之间的轨道与轨道角动量的耦合作用及电子间自旋与自旋角动量的耦合作用强，而每个电子的轨道与自旋角动量耦合作用弱.

原子中电子的轨道磁矩和自旋磁矩合成为原子的总磁矩.总磁矩在磁场中受到力矩的作

用而绕磁场方向旋进，可以证明旋进所引起的附加能量为B Mg E B μ=?（1），其中M 为磁量子数，μB 为玻尔磁子，B 为磁感应强度，g 是朗德因子.朗德因子g 表征原子的总磁矩和总角动量的关系，定义为)1(2)1()1()1(1++++-++

=J J S S L L J J g （2），其中L 为总轨道角动量量子数，S 为总自旋角动量量子数，J 为总角动量量子数.磁量子数M 只能取J ，J-1，J-2，…，-J ，共（2J+1）个值，也即E ?有（2J+1）个可能值.这就是说，无磁场时的一个能级，在外磁场的作用下将分裂成（2J+1）个能级.由式（1）还可以看到，分裂的能级是等间隔的，且能级间隔正比于外磁场B 以及朗德因子g.

能级E 1和E 2之间的跃迁产生频率为v 的光，12E E hv -=，在磁场中，若上、下能级都发生分裂，新谱线的频率v’与能级的关系为

B g M g M hv E E E E E E E E hv B μ)()()()()('112212121122-+=?-?+-=?+-?+= 分裂后谱线与原谱线的频率差为 h B g M g M v v v B μ)

('1122-=-=? （3）代入玻尔磁子m eh

B πμ4=

，得到 B m e g M g M v π4)(1122-=? （4）等式两边同除以c ，可将式（4）表示为波数差的形式 B mc e g M g M πσ4)

(1122-=? （5）令

mc eB

L π4= 则 L g M g M )(1122-=?σ （6） L 称为洛伦兹单位，

117.46--??=T m B L （7）

塞曼跃迁的选择定则为：0=?M ，为π成为，是振动方向平行于磁场的线偏振光，只在垂直于磁场的方向上才能观察到，平行于磁场的方向上观察不到，但当0=?J 时，02=M 到01=M 的跃迁被禁止；1±=?M ，为σ成分，垂直于磁场观察时为振动垂直于磁场的线偏振光，沿磁场正向观察时，1+=?M 为右旋圆偏振光，1-=?M 为左旋圆偏振光.

以汞的546.1nm 谱线为例，说明谱线分裂情况.波长546.1nm 的谱线是汞原子从{6S

7S}3S 1到{6S 6P}3P 2能级跃迁时产生的，其上下能级有关的量子数值列在表2.1.1-1中.在磁场作用下能级分裂如图2.1.1-1所示.可见，546.1nm 一条谱线在磁场中分裂成九条线，垂直于磁场观察，中间三条谱线为π成分，两边各三条谱线为σ成分；沿着磁场方向观察，π成分不出现，对应的六条σ线分别为右旋圆偏振光和左旋圆偏振光.若原谱线的强度为100，其他各谱线的强度分别约为75、37.5和12.5.在塞曼效应中有一种特殊情况，上下能级的自旋量子数S 都等于零，塞曼效应发生在单重态间的跃迁.此时，无磁场时的一条谱线在磁场中分裂成三条谱线.其中1±=?M 对应的仍然是σ态，0=?M 对应的是π态，分裂后的谱线与原谱线的波数差B mc e L πσ4==?.由于历史的原因，称这种现象为正常塞曼效应，而前面介绍的称为反常塞曼效应.

1． 2．实验方法

（1）（1）观察塞曼分裂的方法

塞曼分裂的波长差很小，波长和波数的关系为σλλ?=?2.波长m 7105-?=λ的谱

线，在B=1T 的磁场中，分裂谱线的波长差只有10-11m.要观察如此小的波长差，用一般的棱镜摄谱仪是不可能的，需采用高分辨率的仪器如法布里-玻罗标准具（简称F-P 标准具）.

F-P 标准具是由平行放置的两块平面玻璃或石英板组成的，在两板相对的平面上镀有较高反射率的薄膜，为消除两平板背面反射光的干涉，每块板都作成楔形.两平行的镀膜平面中间夹有一个间隔圈，用热胀系数很小的石英或铟钢精加工而成，用以保证两块平面玻璃之间的间距不变.玻璃板上带有三个螺丝，可精确调节两玻璃板内表面之间的平行度.

标准具的光路如图2.1.1-2所示.自扩展光源S 上任一点发出的单色光，射到标准具板的平行平面上，经过M 1和M 2表面的多次反射和透射，分别形成一系列相互平行的反射光束1，2，3，4，…和透射光速1’，2’，3’，4’，…在透射的诸光束中，相邻两光束的光程差为θcos 2nd =?，这一系列平行并有确定光程差的光束在无穷远处或透镜的焦平面上成干涉像.当光程差为波长的整数倍时产生干涉极大值.一般情况下标准具反射膜间是空气介质，1≈n ，因此，干涉极大值为

λθK d =cos 2 （8） K 为整数，称为干涉级.由于标准具的间隔d 是固定的，在波长λ不变的条件下，不同的干涉级对应不同的入射角θ，因此，在使用扩展光源时，F-P 标准具产生等倾干涉，其干涉条纹是一组同心圆环.中心处θ=0，cos θ=1，级次K 最大，

λd K 2max =.其他同心圆亮环依

次为K-1级，K-2级等.

标准具有两个特征参量：自由光谱范围和分辨本领，分别说明如下.

1） 1）自由光谱范围

考虑同一光源发出的具有微小波长差的单色光λ 1和λ 2（设λ 1<λ 2）入射的情况，它们将形成各自的圆环系列.对同一干涉级，波长大的干涉环直径小，如图2.1.1-3所示.如果λ 1和λ 2的波长差逐渐加大，使得λ 1的第m 级亮环与λ 2的第（m-1）级亮环重叠，则有 21)1(cos 2λλθ-==m m d

则 m 2

12λλλλ=-=?

由于F-P 标准具中，在大多数情况下，1cos ≈θ，所以上式中

12λd m ≈

因此

d 221λλλ=? 近似可认为2

121λλλλ==，则d 22λλ=?，用波数差表示 d 21=?σ （9）

λ?或σ?定义为标准具的自由光谱范围.它表明在给定间隔圈厚度d 的标准具中，若入射光的波长在λλλ?+~之间（或波数在σσσ?+~之间），所产生的干涉圆环不重叠.若被研究的谱线波长差大于自由光谱范围，两套花纹之间就要发生重叠或错级，给分析辨认带来困难.因此，在使用标准具时，应根据被研究对象的光谱波长范围来确定间隔圈的厚度.

2） 2）分辨本领定义λλ

?为光谱仪的分辨本领，对于F-P 标准具，分辨本领 KN =?λλ （10）

K 为干涉级数，N 为精细度，它的物理意义是在相邻两个干涉级之间能够分辨的最大条纹数.N

依赖于平板内表面反射膜的反射率R ， R R N -=1π （11）反射率越高，精细度越高，仪器能够分辨的条纹数就越多.为了获得高分辨率，R 一般在90%左右.使用标准具时光近似于正入射，0sin ≈θ，从式（8）可得

λd K 2=.将K 与N 代入式

（10）得 )1(2R R d KN -==?λπλ

λ （12）例如，对于d=5mm ，R=90%的标准具，若入射光nm 500=λ，可得仪器分辨本领 5

106?=?λλ，nm 001.0≈?λ

可见F-P 标准具是一种分辨本领很高的光谱仪器.正因为如此，它才能被用来研究单个谱线的精细结构.当然，实际上由于F-P 板内表面加工精度有一定的误差，加上反射膜层的不均匀以及有散射耗损等因素，仪器的实际分辨本领要比理论值低.

（2）（2）测量塞曼分裂谱线波长差的方法

应用F-P 标准具测量各分裂谱线的波长或波长差是通过测量干涉环的直径来实现的，如图2.1.1-2所示，用透镜把F-P 标准具的干涉圆环成像在焦平面上.出射角为θ的圆环的直径D 与透镜焦距f 间的关系为，f D /2tan =θ，对于近中心的圆环，θ很小，可认为θθθtan sin ≈≈，而 22

281212sin 21cos f D -=-≈-=θθθ 代入式（8）得 λθK f D d d =???? ??-=22812cos 2 （13）

由上式可推得，同一波长λ相邻两级K 和（K-1）级圆环直径的平方差

D f D D D K K λ222124=-=?- （14）可见2D ?是与干涉级次无关的常数.

设波长λ a 和λ b 的第K 级干涉圆环的直径分别为D a 和D b ，由式（13）和（14）得

K D D D D D D K f d K K a b a b b a λλλ???? ??--=-=--22122222)(4 将λd K 2=代入，得

波长差 ???? ??--=?-2212222K K a b D D D D d λλ （15）

波数差 ???? ??--=?-2212221K

K a b D D D D d σ （16）测量时用（K-2）或（K-3）级圆环.由于标准具间隔厚度d 比波长λ大得多，中心处圆环的干涉级数K 是很大的，因此用（K-2）或（K-3）代替K ，引入的误差可忽略不计.

（3）（3）用塞曼分裂计算荷质比m e

对于正常塞曼效应，分裂的波数差为 mc eB L πσ4==?

代入测量波数差公式（16），得 ???? ??--=-221222K K a b D D D D dB c m e π （17）

已知d 和B ，从塞曼分裂的照片测出各环直径，就可计算e/m.

对于反常塞曼效应，分裂后相邻谱线的波数差是洛仑兹单位L 的某一倍数，注意到这一点，用同样的方法也可计算电子荷质比.

实验内容

通过实验观察Hg （546.1nm ）绿线在外磁场中的分裂情况并测量m e

1． 1．调节光路共轴

实验装置如图2.1.1-4所示.O 为光源，实验中用水银辉光放电管，其电源用交流220V 通过自耦变压器用来调节放电管两端电压，从而调节放电管的亮度.

N 、S 为电磁铁的磁极，电磁铁用直流电源供电.调节通过的电磁铁线圈的电流可改变磁感应强度B ，磁感应强度可用高斯计来测量.

L 1为会聚透镜，使通过标准具的光强增强.P 为偏振片，用以鉴别偏振方向.F 为透射干涉滤光片，根据实际波长选择F-P 标准具.L 2为成像透镜，使F-P 标准具的干涉纹成像在暗

箱的焦平面上.K 为1/4波片，给圆偏振光以附加的2π

相位差，使圆偏振光变成线偏振光.波片上箭头指示的方向为慢轴方向，K 与P 配合用以鉴别圆偏振光的旋向.L 3、L 4分别为望远镜的物镜和目镜，用作观察干涉环纹.

仔细调节F-P 标准具到最佳分辨状态，即要求两个镀膜面完全平行.此时用眼睛直接观察F-P 标准具，当眼睛上、下、左、右移动时，圆环中心没有吞吐现象.

2． 2．垂直于磁场方向观察塞曼分裂

（1）（1）用间隔圈厚度d=2mm 的F-P 标准具观察Hg546.1nm 谱线的塞曼分裂，

并用偏振片区分π成分和σ成分；稍增加或减少励磁电流，观察分裂谱线的变化.

（2）（2）换用间隔圈厚度d=5mm 的F-P 标准具，励磁电流调至最小值，缓慢增

加励磁电流，观察第K 级圆环与第（K-1）级圆环的重叠或交叉现象（主要观察σ成分的重叠或交叉）.

励磁电流及其对应的磁感应强度B 的选择取决于谱线的裂距及标准具的自由光谱范围.Hg546.1nm 线在磁场作用下分裂成9条谱线，总裂距为4L ，要使相邻两级不发生重叠，B 必须满足

d L 214≤

（18），m T d B ???≤7.46421 （18’），（3）计

算电子荷质比m e

，

选择适当的励磁电流（如3A ），用相机拍摄546.1nm 谱线塞曼分裂的π成分，测

量底片上（K-3）或（K-4）级圆环直径，计算m e

磁光材料的研究现状 1. 综述磁光材料是具有磁光效应的材料，磁光效应包括法拉第效应、磁光克尔效应、塞曼效应和磁致线双折射效应（科顿-穆顿效应和瓦格特效应）等。磁光材料需要同时具备一定的光学特性和磁学特性。法拉第效应法拉第效应指偏振光通过磁场下的介质后，偏振面因磁场作用而发生偏转。 6 f = VBd| 其中是沿着光线传播方向看去偏振面的旋转角，叫做法拉第转角；V是Verdet 常数，与材料性质有关；B是磁感应强度在光线传播方向上的投影；d是光在介质中传播的距离。当磁感应强度投影B与光线传播方向同向时，偏振面右旋，|e t <0；反之，偏振面左旋，阡>0。与普通旋光效应不同的是，光线通过介质后再反射，原路返回再次通过介质，偏振面会在原来的基础上再旋转角，而不是恢复原状。这为利用法拉第效应的磁致旋光材料提供了一种新的应用空间，如磁光调制器、磁光隔离器等。目前，对法拉第效应磁光材料的研究相对透彻，应用也相对广泛。以钇铁石榴石（￥才忧0口，简称YIG）为代表的稀土铁石榴石（R材料是常见的法拉第效应磁光材料［1］。磁光克尔效应磁光克尔效应指线偏振光在磁化的介质表面反射后，在磁场作用下偏振面发生偏转，偏转角度称为磁光克尔转角戸。根据磁场强度方向的不同，磁光克尔效应分为三种：极向克尔效应：磁场方向垂直于介质表面，通常，° k随入射角的减小而增大；横向克尔效应：磁场方向平行与介质表面且垂直于入射面，光线的偏振方向不会发生变化，p偏振光入射时会发生微小的反射率变化；纵向克尔效应：磁场方向平行与介质表面且平行于入射面，随入射角的减小而减小，纵向克尔效应的强度比极向克尔效应小几个数量级，不易观察。应用最广的是极向克尔效应，可用来进行磁光存储和观察磁体表面或磁性薄膜的磁畴分布。塞曼效应

磁光材料的研究现状 1.综述磁光材料是具有磁光效应的材料，磁光效应包括法拉第效应、磁光克尔效应、塞曼效应和磁致线双折射效应（科顿-穆顿效应和瓦格特效应）等。磁光材料需要同时具备一定的光学特性和磁学特性。 1.1法拉第效应法拉第效应指偏振光通过磁场下的介质后，偏振面因磁场作用而发生偏转。其中是沿着光线传播方向看去偏振面的旋转角，叫做法拉第转角；V是Verdet 常数，与材料性质有关；B是磁感应强度在光线传播方向上的投影；d是光在介质中传播的距离。当磁感应强度投影B与光线传播方向同向时，偏振面右旋，<0；反之，偏振面左旋，>0。与普通旋光效应不同的是，光线通过介质后再反射，原路返回再次通过介质，偏振面会在原来的基础上再旋转角，而不是恢复原状。这为利用法拉第效应的磁致旋光材料提供了一种新的应用空间，如磁光调制器、磁光隔离器等。目前，对法拉第效应磁光材料的研究相对透彻，应用也相对广泛。以钇铁石榴石（，简称YIG）为代表的稀土铁石榴石（）材料是常见的法拉第效应磁光材料[1]。 1.2磁光克尔效应磁光克尔效应指线偏振光在磁化的介质表面反射后，在磁场作用下偏振面发生偏转，偏转角度称为磁光克尔转角。根据磁场强度方向的不同，磁光克尔效应分为三种：极向克尔效应：磁场方向垂直于介质表面，通常，随入射角的减小而增大；横向克尔效应：磁场方向平行与介质表面且垂直于入射面，光线的偏振方向不会发生变化，p偏振光入射时会发生微小的反射率变化；纵向克尔效应：磁场方向平行与介质表面且平行于入射面，随入射角的减小而减小，纵向克尔效应的强度比极向克尔效应小几个数量级，不易观察。 1 / 8

应用最广的是极向克尔效应，可用来进行磁光存储和观察磁体表面或磁性薄膜的磁畴分布。 1.3塞曼效应塞曼效应指光源位于强磁场中时，分析其发光的谱线，发现原来的一条谱线分裂成三条或更多条。原子位于强磁场中时，破坏自旋-轨道耦合，一个能级分裂成多个能级，而且新能级间有一定的间隔，能级的分裂导致了谱线的分裂。能级分裂的方式与角量子数J和朗德因子g有关。塞曼效应证明了原子具有磁矩，而且磁矩的空间取向量子化。塞曼效应可应用于测定角量子数和朗德因子，还可分析物质的元素组成。 1.4磁致线双折射效应磁致线双折射效应指透明介质处于磁场中时，表现出单轴晶体的性质，光线入射能产生两条折射线。在铁磁和亚铁磁体中的磁致线双折射效应称作科顿-穆顿效应，反铁磁体中的磁致线双折射效应称作瓦格特效应[2]. 磁致线双折射效应可用于测量物质能级结构，研究单原子层磁性的微弱变化等2.研究现状本章将介绍多种磁光材料的前沿应用和理论研究，并结合本人所学知识给出相应的评价和启发。个人评价用加粗字体给出。 2.1利用法拉第效应进行焊接检测[3] 根据法拉第效应，偏振光通过磁场中的介质后，偏振面转过一定角度，通过偏振角一定的偏振片后，就会表现为不同的亮度。工作时，将光源、起偏器、反射镜、直流电磁铁、光反射面、磁光薄膜、检偏器、CMOS成像装置和焊件按图1组装。 2 / 8

实验4 磁旋光效应磁旋光效应(法拉第效应)实验，对不同物质的旋光特性有所认识。实验发现，磁旋光性物质具有左旋和右旋之分,而且它的旋光方向是由磁场的方向来决定。根据实验数据分析获得磁场强度与偏振角之关系，观察磁场电流与旋光方向的关系,进一步了解不同介质的旋光特性。 [实验目的] 1．观察和了解磁旋光现象及其基本特征。 2．学习测量介质的磁旋光费尔德常数V的数值的方法。 3．思考磁旋光效应的应用。 [实验内容] 对给定的两个样品进行下面测量 1、在350nm-750nm波长范围内，分散选取5个以上不同波长，对其在不同磁场强度（在50mT-600mT范围内取10个以上点）下测量样品的磁旋光角。 2、对两个样品，做不同波长的磁旋光角-磁场强度关系图，并由图确定相应的费尔德常数值。 3、分析实验所得磁旋光角--磁场强度关系是否符合式（1）线性关系，以及费尔德常数值随光波长变化的色散关系。 [导引问题] 1．磁旋光现象具有什么特征？它与天然旋光现象有什么相同和不同的地方？ 2．如何理解磁旋光效应的物理本质？ 3、实验中所使用的磁场并非均匀场，这对V值的精确测量有影响吗？如果有，你能提出改进意见吗？ 4、许多材料除了有法拉第旋光效应外，还有自然旋光、双折射等效应。它们的存在是否会影响本实验测量的准确度？如果影响，你能提出消除影响的办法吗？ [实验原理] 1845年由M.法拉第发现。当线偏振光（见光的偏振）在介质中传播时，若在平行于光的传播方向上加一强磁场，则光振动方向将发生偏转，偏转角图1 法拉第效应示意图度ψ与磁感应强度B和光穿越介质的长度l的乘积成正比，即ψ＝VBl，比例系数V称为费尔德常数，与介质性质及光波频率有关。偏转方

法拉第效应与磁光调制实验 1845年，法拉第（M.Faraday）在探索电磁现象和光学现象之间的联系时，发现了一种现象：当一束平面偏振光穿过介质时，如果在介质中，沿光的传播方向上加上一个磁场，就会观察到光经过样品后偏振面转过一个角度，即磁场使介质具有了旋光性，这种现象后来就称为法拉第效应。法拉第效应第一次显示了光和电磁现象之间的联系，促进了对光本性的研究。之后费尔德（Verdet）对许多介质的磁致旋光进行了研究，发现了法拉第效应在固体、液体和气体中都存在。法拉第效应有许多重要的应用，尤其在激光技术发展后，其应用价值越来越受到重视。如用于光纤通讯中的磁光隔离器，是应用法拉第效应中偏振面的旋转只取决于磁场的方向，而与光的传播方向无关，这样使光沿规定的方向通过同时阻挡反方向传播的光，从而减少光于激光多级放大和高分辨率的纤中器件表面反射光对光源的干扰；磁光隔离器也被广泛应用Array激光光谱，激光选模等技术中。在磁场测量方面，利用法拉第效应驰豫时间短的特点制成的磁光效应磁强计可以测量脉冲强磁场、交变强磁场。在电流测量方面，利用电流的磁效应和光纤材料的法拉第效应，可以测量几千安培的大电流和几兆伏的高压电流。磁光调制主要应用于光偏振微小旋转角的测量技术，它是通过测量光束经过某种物质时偏振面的旋转角度来测量物质的活性，这种测量旋光的技术在科学研究、工业和医疗中有广泛的用途，在生物和化学领域以及新兴的生命科学领域中也是重要的测量手段。如物质的纯度控制、糖分测定；不对称合成 M.Faraday(1791－1876) 化合物的纯度测定；制药业中的产物分析和纯度检测；医疗和生化中酶作用的研究；生命科学中研究核糖和核酸以及生命物质中左旋氨基酸的测量；人体血液中或尿液中糖份的测定等。一、实验目的 1. 用特斯拉计测量电磁铁磁头中心的磁感应强度，分析线性范围。 2. 法拉第效应实验：正交消光法检测法拉第磁光玻璃的费尔德常数。 3. 磁光调制实验：熟悉磁光调制的原理，用倍频法精确测定消光位置；精确测量不同样品的费尔德常数。二、实验原理 1、法拉第效应实验表明，在磁场不是非常强时，如图1所示，偏振面旋转的角度θ与光波在介质中走 d B成正比，即：过的路程及介质中的磁感应强度在光的传播方向上的分量 θ （1） = VBd 比例系数V由物质和工作波长决定，表征着物质的磁光特性，这个系数称为费尔德（Verdet）常数。附录中，表1为几种物质的费尔德常数。几乎所有物质（包括气体、液体、固体）都

１７卷５期（总１０１期）１９世纪中至２０世纪初是科学发现的黄金时期，各领域的伟大发现如雨后春笋般涌出，若干种对于了解固体物理特性并揭示其内部电子态结构有着重要意义的磁光效应现象也相继被发现，但至２０世纪６０年代末，对这一现象的研究主要集中在基础理论的探索和实验数据的积累方面。近几十年来，当光电子技术在新兴高科技领域获得日益广泛应用的同时，以磁光效应原理为背景的各种磁光器件也显示了其独特的性能和极为广阔的应用前景，并引起了人们浓厚的兴趣。一、磁光效应（Ｍａｇｎｅｔｉｃ－ｏｐｔｉｃａｌＥｆｆｅｃｔ）磁光效应指的是具有固有磁矩的物质在外磁场的作用下，电磁特性发生变化，因而使光波在其内部的传输特性也发生变化的现象。１８４５年，英国物理学家法拉第（Ｆａｒａｄａｙ）发现，入射光线在被磁化的玻璃中传播时，其偏振面会发生旋转，这是物理学史上第一次发现的磁光效应，称之为法拉第效应。受法拉第效应的启发，１８７６年克尔（Ｋｅｒｒ）又发现了光在磁化介质表面反射时偏振面旋转的现象，即磁光克尔效应。随之在八九十年代又发现了塞曼效应和磁致线双折射效应。法拉第效应当线偏振光沿磁场方向通过置于磁场中的磁光介质时，其偏振面发生旋转的现象称为磁致旋光效应，这一效应最早由法拉第发现，通常又称为法拉第旋转效应。如图１所示，假设有一圆柱形磁光介质，沿着轴线方向外加一稳恒磁场Ｈ（此磁场值处在法拉第旋转器件的工作区内）。在这种情况下，将发生法拉第旋转效应，光波的偏振面绕传输轴连续右旋（相对于Ｈ而言），直至磁光介质的终端，偏振面右旋了某一角度!。法拉第效应可分为右旋和左旋两种：当线偏振光沿着磁场方向传播时，振动面向左旋；当光束逆着磁场方向传播时，振动面将向右旋。磁光克尔效应磁光克尔效应指的是一束线偏振光在磁化了的介质表面反射时，反射光将是椭圆偏振光，而以椭圆的长轴为标志的“ 偏振面”相对于入射偏振光的偏振面旋转了一定的角度。这个角度通常被称为克尔转角，记作"ｋ，如图２所示。按照磁化强度取向磁光克尔效应又大致分为三种情况：（１）极向克尔效应，即磁化强度Ｍ与介质表面垂直时的克尔效应；（２）横向克尔效应，即Ｍ与介质表面平行，但垂直于光的入射面时的克尔效应；（３）纵向克尔效应，即Ｍ既平行于介质表面又平行于光入射面时的克尔效应。在磁光存储技术中主要应用的是极向克尔效应。塞曼效应１８８６年，塞曼（Ｚｅｅｍａｎ）发现当光源放在足够强的磁场中时，原来的一条谱线分裂为几条具有完全偏振态的谱线，分裂的条数随能级的类别而不同，后人称此现象为塞曼效应。塞曼效应证实了原子具有磁矩和在磁场空间取向量子化，从塞曼效应的实验结果可以推断能级分裂的情况，根据光谱线分裂的数目可以知道量子数Ｊ的数值，根据光谱线分裂的间隔可以测量ｇ因子的数值，因此，塞曼效应是研究原子结构的重要方法之一。磁致线双折射效应磁致线双折射在磁光晶体的光学研究中也会经常遇到。构成介质的分子有各磁光效应及其应用周静王选章谢文广图１法拉第效应图２克尔效应 ?４５ ?

磁光效应综合实验【实验目的】 1、了解法拉第效应，会用消光法检测磁光玻璃的费尔德常数。 2、能够熟练应用特斯拉计测量电磁铁磁头中心的磁感应强度，并能其分析线性范围。 3、熟悉磁光调制的原理，理解倍频法精确测定消光位置。 4、学会用磁光调制倍频法研究法拉第效应，精确测量不同样品的费尔德常数。【实验仪器】 FD-MOC-A磁光效应综合实验仪，双踪示波器【实验原理】概述：1845年，法拉第（M.Faraday）在探索电磁现象和光学现象之间的联系时，发现了一种现象：当一束平面偏振光穿过介质时，如果在介质中，沿光的传播方向上加上一个磁场，就会观察到光经过样品后偏振面转过一个角度，即磁场使介质具有了旋光性，这种现象后来就称为法拉第效应。法拉第效应第一次显示了光和电磁现象之间的联系，促进了对光本性的研究。之后费尔德（Verdet）对许多介质的磁致旋光进行了研究，发现了法拉第效应在固体、液体和气体中都存在。法拉第效应有许多重要的应用，尤其在激光技术发展后，其应用价值越来越受到重视。如用于光纤通讯中的磁光隔离器，是应用法拉第效应中偏振面的旋转只取决于磁场的方向，而与光的传播方向无关，这样使光沿规定的方向通过同时阻挡反方向传播的光，从而减少光纤中器件表面反射光对光源的干扰；磁光隔离器也被广泛应用于激光多级放大和高分辨率的激光光谱，激光选模等技术中。在磁场测量方面，利用法拉第效应驰豫时间短的特点制成的磁光效应磁强计可以测量脉冲强磁场、交变强磁场。在电流测量方面，利用电流的磁效应和光纤材料的法拉第效应，可以测量几千安培的大电流和几兆伏的高压电流。磁光调制主要应用于光偏振微小旋转角的测量技术，它是通过测量光束经过某种物质时偏振面的旋转角度来测量物质的活性，这种测量旋光的技术在科 M.Faraday (1791-1876) 学研究、工业和医疗中有广泛的用途，在生物和化学领域以及新兴的生命科学领域中也是重要的测量手段。如物质的纯度控制、糖分测定；不对称合成化合物的纯度测定；制药业中的产物分析和纯度检测；医疗和生化中酶作用的研究；生命科学中研究核糖和核酸以及生命物质中左旋氨基酸的测量；人体血液中或尿液中糖份的测定等。一、法拉第效应实验表明，在磁场不是非常强时，如图1所示，偏振面旋转的角度θ与光波在介质中走过的路程d及介质中的磁感应强度在光的传播方向上的分量B成正比，即： θ（1） VBd = 比例系数V由物质和工作波长决定，表征着物质的磁光特性，这个系数称为费尔德（Verdet）常数。费尔德常数V与磁光材料的性质有关，对于顺磁、弱磁和抗磁性材料（如重火石玻璃等），V为常数，即θ与磁场强度B有线性关系；而对铁磁性或亚铁磁性材料（如YIG等立方晶体材料），θ与B不是简单的线性关系。

§8.1 法拉第磁光效应法拉第磁光效应是一种通过外加电磁场方式产生旋光现象的实验现象，充分反应了光与物质之间的相互作用。磁光效应在许多领域都有着广泛应用，如强磁场测量、磁光材料等。【实验目的】了解法拉第磁光效应的基本规律；学习掌握使用光传感器及虚拟仪器软件测量Verdet 常数的方法。【实验原理】观察法拉第效应的装置如下图所示，由起偏器P1产生线偏振光，光线穿过带孔的电磁铁，沿着（或逆着）磁场方向透过样品，当励磁线圈中没有电流（无磁场）时，使检偏器P2的偏振方向与P1正交，这时发生消光现象。这表明，振动面在样品中没有旋转，通过励磁电流产生强磁场后，则发现必须将P2的振动方向转过角?，才出现消光，这表明，振动面在样品中转过了?，这就是磁致旋光或法拉第效应。对于给定的物质，振动面的旋转与样品的长度l 、磁感应强度B 成正比。 V l B ??=Δ? 其中比例系数V 叫做Verdet 常数。由原子物理的有关知识，可得： 2e dn V mc d l l = 其中：e,m 为电子电荷和质量，c 为光速，n 为光在透明介质中的折射率，它是波长λ的函数n(λ)，这个定义适合广泛的光谱范围。对于重火石玻璃 14 231.810 ()dn m d l l -￥= 因此V 正比于1/λ2: 14 2 1.8102e V mc l -￥=-? (3)

荷质比e/m 可以根据纯光学测量和已知光速计算得到。在一些物质中用这种方法得到的e/m 值和理论值符合得很好，说明在这些物质中，法拉第效应是由于电子得本征振动引起的。在这个实验中，磁场的强度不足以使方程（1）和（2）发生数量级的变化。所以我们只做以下的工作。 Δ和磁场B的关系。 a）验证? b)证明Verdet常数随波长增加而减少。将细绳交叉着系在检偏片上，并将它们装在量角器上，这样就能精确的确定光转过的角度。所有偏振片的设置多可以通过这种方法读出。【实验仪器】 100W 汞灯偏振片线圈高斯计单色滤光片光传感器虚拟仪器【实验内容】 1 实验装置调整如下图，将绳系在检偏器上，参照检偏器的量角器使绳处于正确的位置和角度，最好用丝绳。将变压器放在基坐上，使基坐的点相对。安装汞灯：用100w的灯泡和反射器，在照片滑板上装上热绝缘的过滤片。光路调节（图2）：首先将装置安装成没有偏振片（2）透镜（4）的方式。打开汞灯，通过聚光器在墙上形成灯丝的像，调节光源和磁极使光线尽可能的通过磁极的孔，将重火石玻璃放在光路中，用两个磁极夹住它，但手不要碰到它透光面，然后将磁极固定住。在光轴上放上透镜（4）。调节带有细绳的检偏器（5）和透镜（4）的距离，使得检偏——滤光片能被照亮。插入起偏片（2）。 2 校正B＝f（I）；I为线圈电流拿开重火石玻璃，用高斯计测量测量两磁极间的场强B，光传感器及虚拟仪器软件测线圈中的电流I，作B－I图。 3 磁场B和偏振盘的旋角?Δ的关系。（方程（1））。

实验指导参考 TEACHER'S GUIDE FD-SMOKE-A 表面磁光克尔效应实验系统中国.上海复旦天欣科教仪器有限公司Shanghai Fudan Tianxin Scientific_Education Instruments Co.,Ltd.

FD-SMOKE-A型表面磁光克尔效应实验系统一、简介 1845年，Michael Faraday首先发现了磁光效应，他发现当外加磁场加在玻璃样品上时，透射光的偏振面将发生旋转，随后他加磁场于金属表面上做光反射的实验，但由于金属表面并不够平整，因而实验結果不能使人信服。1877年John Kerr在观察偏振光从抛光过的电磁铁磁极反射出来时，发现了磁光克尔效应(magneto-optic Kerr effect)。1985年Moog和Bader两位学者进行铁磁超薄膜的磁光克尔效应测量，成功地得到一原子层厚度磁性物质的磁滞回线，并且提出了以SMOKE来作为表面磁光克尔效应(surface magneto-optic Kerr effect)的缩写，用以表示应用磁光克尔效应在表面磁学上的研究。由于此方法的磁性测量灵敏度可以达到一个原子层厚度，并且仪器可以配臵于超高真空系统上面工作，所以成为表面磁学的重要研究方法。表面磁性以及由数个原子层所构成的超薄膜和多层膜磁性，是当今凝聚态物理领域中的一个极其重要的研究热点。而表面磁光克尔效应（SMOKE）谱作为一种非常重要的超薄膜磁性原位测量的实验手段，正受到越来越多的重视。并且已经被广泛用于磁有序、磁各向异性以及层间耦合等问题的研究。和其他的磁性测量手段相比较，SMOKE 具有以下四个优点： 1．SMOKE的测量灵敏度极高。国际上现在通用的SMOKE测量装臵其探测灵敏度可以达到亚单原子层的磁性。这一点使得SMOKE在磁性超薄膜的研究中有着重要的地位。 2．SMOKE测量是一种无损伤测量。由于探测用的“探针”是激光束，因此不会对样品造成任何破坏，对于需要做多种测量的实验样品来说，这一点非常有利。 3．SMOKE测量到的信息来源于介质上的光斑照射的区域。由于激光光束的束斑

磁光晶体材料的研究现状及其发展趋势(doc 14页)

磁光晶体材料的研究现状与发展趋势摘要：简要介绍了磁光晶体材料的一些基本理论，通过对磁光晶体材料应用的器件进行了解磁光晶体材料的优势、缺点以及发展的历程。通过不同的磁光晶体材料的介绍，了解他们的结构特性，生长过程以及生产技术。通过各种方面的了解，理解其发展的方向及其困难之处，并从中思考解决的方法。关键词：晶体材料，旋磁光晶体，研究现状，发展趋势 Magneto-optical crystal materials' Research and Development Wu zhuofu Departement of Optoelectronic Information Engineering, Jinan University,Guangzhou,China 510632 Abstract：It introduces something about magneto-optical crystal by material and device. We use it to know history of magneto-optical crystal. We can see the strong point and the weakness about it. Understand the structure of them and solve the problem. Key Words：crystalline material , magneto-optical crystal, SituationofStudy , development

磁光效应实验报告班级：光信息31 姓名：张圳学号：21210905023 同组：白燕，陈媛，高睿孺

近年来，磁光效应的用途愈来愈广，如磁光调制器，磁光开关，光隔离器，激光陀螺中的偏频元件，可擦写式的磁光盘。所以掌握磁光效应的原理和实验方法非常重要。一．实验目的 1.掌握磁光效应的物理意义，掌握磁光调制度的概念。 2.掌握一种法拉第旋转角的测量方法（磁光调制倍频法）。 3.测出铅玻璃的法拉第旋转角度θ和磁感应强度B之间的关系。二．实验原理 1. 磁光效应当平面偏振光穿过某种介质时，若在沿平行于光的传播方向施加一磁场，光波的偏振面会发生旋转，实验表面其旋转角θ正比于外加的磁场强度B，这种现象称为法拉第（Faraday）效应，也称磁致旋光效应，简称磁光效应，即： θ（9-1） = vlB 式中l为光波在介质中的路径，v为表征磁致旋光效应特征的比例系数，称为维尔德常数，它是表征物质的磁致旋光特性的重要参数。根据旋光方向的不同(以顺着磁场方向观察)，通常分为右旋(顺时针旋转)和左旋(逆时针旋转)，右旋时维尔德常数v>O，左旋时维尔德常数v<0。实验还指出，磁致旋光的方向与磁场的方向有关，由于磁致旋光的偏振方向会使反射光引起的旋角加倍，而与光的传播方向无关，利用这一特性在激光技术中可制成具有光调制、光开关、光隔离、光偏振等功能性磁光器件，在激光技术发展后，其应用价值倍增。如

用于光纤通讯系统中的磁光隔离器等。 2.在磁场作用下介质的旋光作用从光波在介质中传播的图象看，法拉第效应可以做如下理解：一束平行于磁场方向传播的线偏振光，可以看作是两束等幅左旋和右旋圆偏振光的迭加。这里左旋和右旋是相对于磁场方向而言的。图3 法拉第效应的唯象解释如果磁场的作用是使右旋圆偏振光的传播速度c / n R 和左旋圆偏振光的传播速度c / n L 不等，于是通过厚度为d 的介质后，便产生不同的相位滞后： d n R R λπ ?2= ， d n L L λ π?2= （2）式中λ 为真空中的波长。这里应注意，圆偏振光的相位即旋转电矢量的角位移；相位滞后即角位移倒转。在磁致旋光介质的入射截面上，入射线偏振光的电矢量E 可以分解为图3(a)所示两个旋转方向不同的圆偏振光E R 和E L ，通过介质后，它们的相位滞后不同，旋转方向也不同，在出射界面上，两个圆偏振光的旋转电矢量如图5.16.3(b)所示。当光束射出介质后，左、右旋圆偏振光的速度又恢复一致，我们又可以将它们合成起来考虑，即仍为线偏振光。从图上容易看出，由介质

磁光克尔效应研究摘要当光电子技术日益在新兴高科技领域获得广泛应用的同时，以磁光效应原理为背景的磁光器件显示了其独特的性能和广阔的应用前景，引起了人们的浓厚兴趣。表面磁光克尔效应，作为测量材料磁光特性特别是薄膜材料的物性的一种有效方法，已被广泛应用于磁有序、磁各向异性、多层膜中的层间耦合以及磁性超薄膜的相变行为等问题的研究。本文简单介绍了什么是磁光克尔效应、磁光克尔效应的发展、以及表面磁光克尔效应作为一种测量方法的原理、实验装置和发展。关键词磁光克尔效应磁光特性表面磁光克尔效应一、引言 1845年，Michael Faraday发现当给玻璃样品加一磁场时，透射光的偏振面将发生旋转，首次发现磁光效应。随后他在处于外加磁场中的金属表面做反射实验，但由于他所谓的表面不够平整，因而实验结果不能使人信服。1877年John Kerr在观察偏振光从抛光过的电磁铁磁极反射出来时，发现了磁光克尔效应(magneto-optic Kerr effect)[]1。1985年Moog和Bade r两位学者对铁超薄膜磊晶成长在金单晶(100)面上的磁光克尔效应做了大量实验，成功得到一原子层厚度磁性物质的磁滞回线，并提出SMOKE作为表面磁光克尔效应(surface magneto-optic Kerr effect)的缩写，用以表示应用磁光克尔效应在表面磁学上的研究。由于此方法磁性测量灵敏度达一原子层厚度，且此装置可配置于超高真空系统上面工作，所以成为表面磁学的重要研究方法。二、光学中的磁光克尔效应当一束单色线偏振光照射在磁光介质薄膜表面时，透射光线的偏振面与入射 θ)[]2。反射光线的光的偏振面相比有一转角，这个转角被称作磁光法拉第转角( F 偏振面与入射光线的偏振面相比也有一转角，这个转角被叫做磁光克尔转角θ)，这种效应叫做磁光克尔效应。 ( K 磁光克尔效应包括三种情况[]3：(1)纵向磁光克尔效应，即磁化强度方向即平行于介质表面又平行于光线的入射面时的磁光克尔效应；(2)极向磁光克尔效应，即磁化强度方向与介质表面垂直时发生的磁光克尔效应；(3)横向磁光克尔效应，即磁化强度方向与介质表面平行与反射面垂直时的磁光克尔效应。三、磁光克尔测量技术 (一)工作原理当一束线偏振光入射到不透明的样品表面时，如果样品室各向异性的，反射光将变成椭圆偏振光，并且偏振方向与入射光的偏振方向相比会发生一定角度的偏转。如果此时样品还处于铁磁状态，铁磁性还会导致反射光偏振面相对于入射 θ，如图1所示光的偏振面额外转过一个小的角度，此角即为磁光克尔旋转角 K 即椭圆长轴和参考轴之间的夹角。一般而言，由于样品对P偏振光和S偏振光的的吸收率不同，即使样品处于非磁状态，反射光的椭偏率也要发生变化，而样 ε，即品的铁磁性会导致椭偏率有一个附加的变化，这个变化称为克尔椭偏率 K

法拉第效应初探（顾从真复旦大学物理系06级）摘要本文简要概括了法拉第效应的历史、原理、步骤以及不同条件下的现象的记录分析和数据处理。关键词法拉第效应，磁光效应，旋光介质，偏振引言 1845年，法拉第（Michael Faraday ）在探索电磁现象和光学现象之间的联系时，发现了一种现象：当一束平面偏振光穿过介质时，如果在介质中，沿光的传播方向上加上一个磁场，就会观察到光经过样品后偏振面转过一个角度，即磁场使介质具有了旋光性，这种现象后来就称为法拉第效应。法拉第效应第一次显示了光和电磁现象之间的联系，促进了对光本性的研究。之后费尔德（V erdet ）对许多介质的磁致旋光进行了研究，发现了法拉第效应在固体、液体和气体中都存在。实验部分实验目的了解法拉第效应经典理论，初步掌握进行磁光测量的基本方法，对法拉第效应的现象和成因进行分析。实验原理一束平面波穿过介质，如果介质中沿光的传播方向加一个磁场，会观察到光经过样品后偏振面转过一个角度，符合公式， VBL θ= θ为法拉第效应旋光角；L 为穿过介质的厚度；B 为平行与光传播方向的磁感强度分量；V 是比例系数，由工作物质和波长决定，表征物质磁光特性，称为费尔德(Verdet)常数。几乎所有物质都有法拉第效应，但一般都不显著，规定V>0为正旋，方向与产生磁场的螺线管中的电流方向一致。V<0为负旋。我们可以这样解释法拉第效应。如图，我们把偏振光分成左旋和右旋部分，通过厚l 的介质会产生不同相位差， 1()()2R L R L n n l π θ??λ =-=-

由量子理论，在B 场作用下，介质轨道电子磁矩具有势能 2B eB B L m μψ=-= B L 是轨道角动量在B 方向上的分量。用能量为ω 的左旋圆偏振光子激发电子，电子在磁场中能级结构与用能量为 ()L ωφ-? 的光子激发电子，电子在无磁场时能级结构相同。推出， ()()L L n n ωωφ=-? ，2L eB m φ?= 进一步可得， ()()2L dn eB n n d m ωωω=-? ()()2R dn eB n n d m ωωω=+? 带入θ的关系式，有 ()2e dn V mc d λλλ=-? 的关系，所以可以由V 和色散关系来验证荷质比的数值。

磁光调制实验报告课程：_____光电子实验_____ 学号：姓名：专业：信息工程南京大学工程管理学院

磁光调制实验报告一、实验目的 1 观察磁光调制现象 2 测量调制深度与调制角幅度 3测定旋光角与外加磁场的关系 4 测量直流磁场对磁光介质的影响 5 磁光调制与光通讯实验演示二、实验原理 1 磁光效应当平面偏振光穿透某种介质时，若在沿平行于光的传播方向施加一磁场，光波的偏振面会发生旋转，实验表明其旋转角θ正比于外加的磁场强度B，这种现象称为法拉第（Faraday）效应，也称磁致旋光效应，简称磁光效应，即： θ (1) = vlB 式中l为光波在介质中的路径，ν为表征磁致旋光效应特征的比例系数，称为维尔德（Verdet）常数。由于磁致旋光的偏振方向会使反射光引起的旋角加倍，而与光的传播方向无关，利用这一特性在激光技术中可制成具有光调制、光开关、光隔离、光偏转等功能性磁光器件，其中磁光调制为其最典型的一种。图1 磁光效应示意图如图1所示，在磁光介质的外围加一个励磁线圈就构成基本的磁光调制器件。 2 直流磁光调制当线偏振光平行于外磁场入射磁光介质的表面时，偏振光的光强I可以分解成如图2所示的左旋圆偏振光I L和右旋圆偏振光I R（两者旋转方向相反）。由于介质对两者具有不同的折射率n L和n R，当它们穿过厚度为l的介质后分别产生不同的相位差，体现在角位移上有：

l n L L λπ θ2= l n R R λ πθ2= 式中λ为光波波长因θθθθ+=-R L ()()l n n R L R L ?-=-= λ πθθθ221 ( 2 ) 如折射率差()R L n n -正比于磁场强度B ，即可得（1）式，并由θ值与测得的B 与l 求出威德尔常数υ。图2 入射光偏振面的旋转运动 3 交流磁光调制用一交流电信号对励磁线圈进行激励，使其对介质产生一交变磁场，就组成了交流（信号）磁光调制器（此时的励磁线圈称为调制线圈），在线圈未通电流并且不计光损耗的情况下，设起偏器P 的线偏振光振幅为A 0，则A 0可分解为 A 0 cos α及A 0 sin α两垂直分量，其中只有平行于P 平面的A 0 cos α分量才能通过检偏器，故有输出光强 αα2020cos )cos (I A I == （马吕斯定律）其中200A I =为其振幅。式中α为起偏器P 与检偏器A 主截面之间的夹角，I 0为光强的幅值，当线圈通以交流电信号i=i 0 sin ωt 时，设调制线圈产生的磁场为B=B 0 sin ωt ，则介质相应地会产生旋转角θ=θ0 sin ωt ，则从检偏器输出的光强为： [][])sin (2cos 12 )(2cos 12)(cos 000 20t I I I I ωθαθαθα++=++= += （3）

5.16 法拉第磁光效应实验 1845年，法拉第（M.Faraday）在探索电磁现象和光学现象之间的联系时，发现了一种现象：当一束平面偏振光穿过介质时，如果在介质中，沿光的传播方向上加上一个磁场，就会观察到光经过样品后偏振面转过一个角度，即磁场使介质具有了旋光性，这种现象后来就称为法拉第效应。法拉第效应第一次显示了光和电磁现象之间的联系，促进了对光本性的研究。之后费尔德（Verdet）对许多介质的磁致旋光进行了研究，发现了法拉第效应在固体、液体和气体中都存在。法拉第效应有许多重要的应用，尤其在激光技术发展后，其应用价值越来越受到重视。如用于光纤通讯中的磁光隔离器，是应用法拉第效应中偏振面的旋转只取决于磁场的方向，而与光的传播方向无关，这样使光沿规定的方向通过同时阻挡反方向传播的光，从而减少光纤中器件表面反射光对光源的干扰；磁光隔离器也被广泛应用于激光多级放大和高分辨率的激光光谱，激光选模等技术中。在磁场测量方面，利用法拉第效应驰豫时间短的特点制成的磁光效应磁强计可以测量脉冲强磁场、交变强磁场。在电流测量方面，利用电流的磁效应和光纤材料的法拉第效应，可以测量几千安培的大电流和几兆伏的高压电流。磁光调制主要应用于光偏振微小旋转角的测量技术，它是通过测量光束经过某种物质时偏振面的旋转角度来测量物质的活性，这种测量旋光的技术在科学研究、工业和医疗中有广泛的用途，在生物和化学领域以及新兴的生命科学领域中也是重要的测量手段。如物质的纯度控制、糖分测定；不对称合成化合物的纯度测定；制药业中的产物

分析和纯度检测；医疗和生化中酶作用的研究；生命科学中研究核糖和核酸以及生命物质中左旋氨基酸的测量；人体血液中或尿液中糖份的测定等。在工业上，光偏振的测量技术可以实现物质的在线测量；在磁光物质的研制方面，光偏振旋转角的测量技术也有很重要的应用。 5.1 6.1 实验要求 1．实验重点 ①用特斯拉计测量电磁铁磁头中心的磁感应强度，分析线性范围。 ②法拉第效应实验：正交消光法检测法拉第旋光玻璃的费尔德常数。 ③磁光调制实验：熟悉磁光调制的原理，理解倍频法精确测定消光位置。 ④磁光调制倍频法研究法拉第效应，精确测量不同样品的费尔德常数。 2．预习要点 ①什么是法拉第效应？法拉第效应有何重要应用？ ②了解顺磁、弱磁、抗磁性、铁磁性或亚铁磁性材料的基本特性，以及费尔德常数V与磁光材料性质的关系。 ③比较法拉第磁光效应与固有旋光效应的异同。 ④磁光调制过程中，调制信号与输入信号之间的函数关系。

磁光克尔效应研究摘要:当光电子技术日益在新兴高科技领域获得广泛应用的同时，以磁光效应原理为背景的磁光器件显示了其独特的性能和广阔的应用前景，引起了人们的浓厚兴趣。表面磁光克尔效应，作为测量材料磁光特性特别是薄膜材料的物性的一种有效方法，已被广泛应用于磁有序、磁各向异性、多层膜中的层间耦合以及磁性超薄膜的相变行为等问题的研究。本文简单介绍了什么是磁光克尔效应、磁光克尔效应的发展、以及表面磁光克尔效应作为一种测量方法的原理、实验装置和发展。关键词:磁光克尔效应;磁光特性;表面磁光克尔效应 1.引言 1845年，Michael Faraday发现当给玻璃样品加一磁场时，透射光的偏振面将发生旋转，首次发现磁光效应。随后他在处于外加磁场中的金属表面做反射实验，但由于他所谓的表面不够平整，因而实验结果不能使人信服。1877年John Kerr在观察偏振光从抛光过的电磁铁磁极反射出来时，发现了磁光克尔效应(magneto-optic Kerr effect)。1985年Moog和Bade r两位学者对铁超薄膜磊晶成长在金单晶(100)面上的磁光克尔效应做了大量实验，成功得到一原子层厚度磁性物质的磁滞回线，并提出SMOKE作为表面磁光克尔效应(surface magneto-optic Kerr effect)的缩写，用以表示应用磁光克尔效应在表面磁学上的研究。由于此方法磁性测量灵敏度达一原子层厚度，且此装置可配置于超高真空系统上面工作，所以成为表面磁学的重要研究方法。 2.磁光克尔效应图1 克尔效应示意图一束线偏振光从具有磁矩的介质表面反射时，反射光将是一束椭圆偏振光，而且偏振方向将发生产生旋转。相对于入射的线偏振光（以椭圆的长轴为标志）

磁光效应磁光效应的概念在磁场的作用下，物质的电磁特性(如磁导率、磁化强度、磁畴结构等)会发生变化，使光波在其内部的传输特性(如偏振状态、光强、相位、传输方向等)也随之发生变化的现象称为磁光效应。磁光效应包括法拉第效应、克尔效应、塞曼效应、磁致双折射效应以及后来发现的磁圆振二向色性、磁线振二向色性、磁激发光散射、磁场光吸收、磁离子体效应和光磁效等，其中人们所熟悉的磁光效应是前四种。（1）法拉第效应法拉第效应示意图1 法拉第效应是指一束线偏振光沿外加磁场方向通过置于磁场中的介质时，透射光的偏振化方向相对于入射光的偏振化方向转过一定角度θF的现象，如图l 所示。通常，材料中的法拉第转角θF与样品长度L 和磁场强度H 有以下关系：

θF= HLV 其中，V 为Verdet 常数，是物质固有的比例系数，单位是min/(Oe ?cm)。（2）克尔效应克尔效应示意图2 线偏振光入射到磁光介质表面反射出去时，反射光偏振面相对于入射光偏振面转过一定角度θk，此现象称之为克尔效应，如图2 所示。克尔效应分极向、纵向和横向三种，分别对应物质的磁化强度与反射面垂直、与反射面和入射面平行、与反射面平行而与入射面垂直三种情形。极向和纵向克尔效应的磁致旋光都正比于磁化强度，一般极向的效应最强，纵向次之，横向则无明显的磁致旋光。克尔效应最重要的应用是观察铁磁体的磁畴。（3）塞曼效应磁场作用下，发光体的光谱线发生分裂的现象称之为塞曼效应。其中谱线分裂为2 条（顺磁场方向观察）或3 条（垂直于磁

场方向观察）的为正常塞曼效应；3 条以上的为反常塞曼效应。塞曼效应是由于外磁场对电子的轨道磁矩和自旋磁矩的作用使能级分裂而产生的，分裂的条数随能级的类别而不同。（4）磁致线双折射效应当光以不同于磁场方向通过置于磁场中的介质时，会出现像单轴晶体那样的双折射现象，称为磁致线双折射效应。磁致线双折射效应包括科顿-穆顿效应和瓦格特效应。通常把铁磁和亚铁磁介质中的磁致线双折射称为科顿-穆顿效应，反铁磁介质中的磁致线双折射称为瓦格特效应。法拉第磁光效应实验一、实验目的 1、了解法拉第磁光效应基本原理。 2、熟悉法拉第磁光效应实验器材，掌握实验方法及步骤，并获得明显的实验想象。二、实验器材磁光调制实验仪（光电倍增管、高压直流电源、检流计）

沈阳工业大学创新性实验报告实验课题: 磁光效应专业班级：XXXXXX 姓名: XXX 学号: XXXXXX 指导教师: 赵骞

磁光效应实验【实验目的】 1、了解法拉第效应产生的原因。 2、会用消光法检测磁光玻璃的费尔德常数。 3、学会用消光法检测磁光玻璃的费尔德常数能。【实验仪器】半导体激光器、起偏器、电磁铁（螺线管）、检偏器、直流稳压电源、多量程电流表、光电功率计【实验原理】概述：1845年，法拉第（M.Faraday）在探索电磁现象和光学现象之间的联系时，发现了一种现象：当一束平面偏振光穿过介质时，如果在介质中，沿光的传播方向上加上一个磁场，就会观察到光经过样品后偏振面转过一个角度，即磁场使介质具有了旋光性，这种现象后来就称为法拉第效应。法拉第效应第一次显示了光和电磁现象之间的联系，促进了对光本性的研究。之后费尔德（Verdet）对许多介质的磁致旋光进行了研究，发现了法拉第效应在固体、液体和气体中都存在。法拉第效应有许多重要的应用，尤其在激光技术发展后，其应用价值越来越受到重视。，，从而减少光纤中器件表面反射是应用法拉第效应中偏振面的旋转只取决于磁场的方向，而与光的传播方向无关，这样使光沿规定的方向通过同时阻挡反方向传播的光光对光源的干扰；磁光隔离器也被广泛应用于激光多级放大和高分辨率的激光光谱，激光选模等技术中。在磁场测量方面，利用法拉第效应驰豫时间短的特点制成的磁光效应磁强计可以测量脉冲强磁场、交变强磁场。在电流测量方面，利用电流的磁效应和光纤材料的法拉第效应，可以测量几千安培的大电流和几兆伏的高压电流。法拉第效应实验表明，在磁场不是非常强时，如图1所示，偏振面旋转的角度θ与光波在介质中走过的路程d及介质中的磁感应强度在光的传播方向上的分量B成正比，即： θ = VBd 比例系数V由物质和工作波长决定，表征着物质的磁光特性，这个系数称为费尔德（Verdet）常数。费尔德常数V与磁光材料的性质有关，对于顺磁、弱磁和抗磁性材料（如重火石玻璃等），V为常数，即θ与磁场强度B有线性关系；而对铁磁性或亚铁磁性材料（如YIG等立方晶体材料），θ与B不是简单的线性关系。图1 法拉第磁致旋光效应

法拉第磁光效应法拉第磁光效应是一种通过外加电磁场方式产生旋光现象的实验现象，充分反应了光与物质之间的相互作用。磁光效应在许多领域都有着广泛应用，如强磁场测量、磁光材料等。【实验目的】了解法拉第磁光效应的基本规律；学习掌握使用光传感器及虚拟仪器软件测量Verdet 常数的方法。【实验原理】磁光效应是指光与磁场中的物质，或光与具有自发磁化强度的物质之间相互作用所产生的各种现象，主要包括法拉第效应、科顿—穆顿效应、克尔磁光效应、塞曼效应和光磁效应等。线偏振光透过放置磁场中的物质，沿着（或逆着）磁场方向传播时，光的偏振面发生旋转的现象称为法拉第磁光效应，也称法拉第旋转或磁圆双折射效应,简记为MCB 。一般材料中，法拉第旋转（用旋转角?Δ表示）和样品长度l 、磁感应强度B 有以下关系 V l B ??=Δ? V 是与物质性质、光的频率有关的常数,称为费尔德（Verde ）常数。观察法拉第效应的装置如下图所示，由起偏器P1产生线偏振光，光线穿过带孔的电磁铁，沿着（或逆着）磁场方向透过样品，当励磁线圈中没有电流（无磁场）时，使检偏器P2的偏振方向与P1正交，这时发生消光现象。这表明，振动面在样品中没有旋转，通过励磁电流产生强磁场后，则发现必须将P2的振动方向转过角?，才出现消光，这表明，振动面在样品中转过了?，这就是磁致旋光或法拉第效应。用经典电子论处理介质色散的方法，可导出磁光效应的旋转角公式为： 12e dn lB m d ?λλ Δ=? 其中：e 、m 为电子电荷和质量，λ为光波波长，dn d λ为无磁场时介质的色散，B 为磁场强度在光传播方向上的分量，l 为晶体的长度。上式表明，磁致旋光角的大小除了与晶体的长度、磁场的大小成正比，还与入射光的波长、介质的色散有密切关系。图1 法拉第磁光效应

表面磁光克尔效应（物教101林晗）摘要克尔磁光效应：入射的线偏振光在已磁化的物质表面反射时，振动面发生旋转的现象，1876年由J.克尔发现。克尔磁光效应的最重要应用是观察铁磁体的磁畴（见磁介质、铁磁性）。不同的磁畴有不同的自发磁化方向，引起反射光振动面的不同旋转，通过偏振片观察反射光时，将观察到与各磁畴对应的明暗不同的区域。用此方法还可对磁畴变化作动态观察。利用磁光克尔效应测量磁性薄膜的磁信号和磁滞回线，确定磁性薄膜的磁各向异性随薄膜厚度的影响。研究铁磁（FM)/反铁磁（AFM)双层膜的交换偏置（Exange bias）现象。关键词：偏振光；振动面；磁畴

目录摘要 (1) 序论 (3) 1表面磁光克尔效应原理 (3) 1．1 表面磁光克尔效应 (4) 1.2 交换偏置 (4) 2三种克尔效应分析 (4) 2.1极向克尔效应 (5) 2．2纵向克尔效应 (5) 2.3横向克尔效应 (5) 3实验光路图 (5) 3.1光路图的连接 (5) 3.2光路图的特点 (6) 4克尔信号分析 (7) 4.1磁滞回线原理 (7) 4.2磁化原理 (8) 5表面克尔磁光效应的实际应用 (8) 5.1磁性材料的开发 (9) 5.2提高器件的速率． (9) 结语 (9) 参考文献 (9) 附件一 (10)

序论磁光效应指的是光与处于磁化状态的物质之间发生相互作用而引起的各种光学现象。包括克尔磁光效应、科顿-穆顿效应(磁双折射效应)和塞曼效应、法拉第效应等。物质的磁化都是这些效应起源的重要条件,这些效应反映了物质磁性与光间的联系。这些都被广泛用于探索研究与技术相关的磁材料。目前研究和应用最广泛的磁光效应为法拉第效应和克尔效应。1845年,英国物理学家法拉第首次发现了线偏振光透过放置磁场中的物质,沿着磁场方向传播时,光的偏振面发生旋转的现象,后来被称为法拉第效应[1]。受到了法拉第效应的启示,1876年,克尔发现了线偏振光入射到磁化媒质表面反射时偏振面发生旋转的现象,即克尔效应[2]。直到1985年,Moog和Bader两位学者提出用SMOKE 来作为表面磁光克尔效应(surface magneto-optic Kerreffect)的缩写,以此表示应用磁光克尔效应在表面磁学上的研究,成功地得到一原子层厚度磁性物质的磁滞回线,开启了超薄磁性物质与界面磁性材料研究的大门 1表面磁光克尔效应原理克尔磁光效应分极向、纵向和横向三种，分别对应物质的磁化强度与反射表面垂直、与表面和入射面平行、与表面平行而与入射面垂直三种情形。极向和纵向克尔磁光效应的磁致旋光都正比于磁化强度，一般极向的效应最强，纵向次之，横向则无明显的磁致旋光。 1．1 表面磁光克尔效应