自然界中存在一些物质,当线偏振光沿光轴方向通过这些物质后,其偏振面会发生旋转,即发生旋光现象,称之为自然旋光。旋光现象最早由阿拉果在石英晶体中发现,随后毕奥发现一些各向同性的气体和液体也具备该特性;而一些不具备自然旋光本领的晶体在磁场的作用下,偏振面产生偏转的现象称为磁光效应,该现象在1846年由法拉第首次发现,也称为法拉第效应。

1 理论分析

线偏振光沿光轴方向入射到晶体中,其光强可以分解为左旋圆偏振光和右旋圆偏振光,对应的折射率分别为n_L和n_R,它们在晶体中传播距离l后产生的相位差可以用角位移表示为

在外加磁场为零的情况下,晶体本身满足n_L－n_R≠0,则该晶体具备自然旋光特性,自然旋光是晶体本身具有的一种旋光本领,不需要外加磁场,可以直接测量该旋光晶体的偏转角,实验装置如图 1所示。只有在外加磁场不为零时,晶体才满足n_L－n_R≠0,则该晶体为磁光晶体,利用法拉第效应来描述,测量其偏转角时需要外加磁场,实验装置如图 2所示,通过直流励磁和交流励磁的开关来控制恒定磁场和时变磁场^{[ 1,2,3,4,5,6 ]}。

图 1

Fig. 1

图 1 自然旋光实验装置 Fig. 1 The natural-optical rotation experimental device

图 2

Fig. 2

图 2 法拉第效应实验装置 Fig. 2 The Faraday effect experimental device

磁光调制器是由在铽玻璃周围环绕交流激励电信号的励磁线圈构成。假定线圈所加交流电信号为i=i₀sin(ωt)时,产生的时变磁场为B=B₀sin(ωt),则晶体的磁致旋转角θ=θ₀sin(ωt),根据马吕斯定律I=I₀cos²α,检偏器的输出光强可得

2 测量方法

在实验过程中,使用CGT-1磁光调制实验仪控制直流和交流励磁信号以及探测光强,激光器波长λ=632.8 nm,石英晶体长度l=15.0 mm,直流励磁的铽玻璃长度l=25.3 mm。

自然旋光的实验测量如图 1所示,通过控制交流励磁开关来选用直接测量或交流调制测量^{[ 7,8,9 ]}。

(1)直接测量法

按图 1所示的实验装置图调节好光路并固定,取下石英晶体,光源发出的光经过准直透镜和起偏器,变成线偏振光,为了便于观察和测量,调节起偏器和检偏器处于正交状态,此时探测器读数为最小值0.02,记录下检偏器的角度θ₀;将石英晶体放到光路中,为了区分双折射现象引起的偏转,晶体光轴必须垂直入射面,从起偏器出射的线偏振光入射到石英晶体中,就满足了与晶体光轴方向平行的条件,出射光通过检偏器后探测器的读数会变大;旋转检偏器将探测器的读数恢复到初始值,记录下起偏器的角度θ₁,则自然旋光偏转角度θ= θ₁－θ₀ 。

(2)交流调制法

按图 1所示的实验装置图调节好光路并固定,取下石英晶体,打开交流电信号(1 kHz的正弦信号),首先调节起偏器和检偏器的夹角,记录下示波器上出现倍频信号时检偏器的角度θ₀,如图 3所示。放入石英晶体,线偏振光经过石英晶体后偏振面发生旋转,示波器中的波形会发生变化,调节检偏器,当示波器上再次出现倍频信号时,记录下检偏器角度θ₁,则偏转角θ= θ₁－θ₀ 。

图 3

Fig. 3

图 3 倍频信号波形图 Fig. 3 The frequency multiplication signal waveform

法拉第效应中,直流励磁铽玻璃的作用等同于石英晶体,可以通过控制交流励磁开关选用直流励磁法或交流调制法,测量过程与自然旋光效应的直接测量和交流调制法相同,但是需要多次改变直流电信号的数值,调节检偏器,使光强或波形恢复到初始状态,记录下每次检偏器的角度θ_i,其偏转角为θ= θ_i－θ₀ 。

3 实验研究与数据分析 3.1 电流对偏转角θ的影响

自然旋光现象与磁场无关,其偏转角理论值θ=αl,比例系数α为光通过1 mm厚度旋光物质时的偏转角,入射波长λ=587.6 nm,室温20 ℃下,石英的比例系数理论值为α=21.75(°)/mm。由于探测器光强灵敏度的影响,采用直接测量法测量结果为15.48(°)/mm,误差较大。采用交流调制法测量,将石英晶体替换图 2的直流励磁玻璃,测得其比例系数为20.56(°)/mm,误差主要是入射光波长、检偏器和起偏器的消光比、检偏器角度和晶体长度的读数误差以及环境温度等因素引起。实验数据表明自然旋光偏转角只与晶体本身有关。

法拉第效应偏转角理论值为θ=VBl,其中B为磁场强度,比例系数V是晶体的维尔德常数。在图 2的实验装置中,分别利用直流励磁法和交流调制法对铽玻璃进行测量,两种方法的测量曲线如图 4所示。

图 4

Fig. 4

图 4 法拉第效应偏转角与电流关系曲线 Fig. 4 The relationship curve between deflected angle and current in the Faraday effect

从图 4可以发现:法拉第效应偏转角正比于电流强度,同时磁场强度正比于电流强度,即偏转角正比于磁场强度,与理论吻合。如果反过来测量出磁光晶体长度、直流励磁线圈产生的磁场强度以及偏转角,即可利用理论公式计算出晶体的维尔德常数,从而确定该晶体种类。直流励磁法通过观察光强读数确定偏转角,操作简单,但光强示数随电流变化不灵敏,测量精度不高,其偏转角与电流的线性度不高;交流调制法通过倍频信号确定偏转角,电流的微弱变化就能引起波形变化,测量结果比较精确,但光路复杂,操作繁琐。

保持入射光方向不变,通过改变励磁电流的极性实现磁场方向的变化。当励磁极性为“+”时,光的传播方向与磁场方向相同,顺着磁场方向观察,偏振面顺时针偏转;改变励磁极性,则光的传播方向与磁场方向相反,顺着磁场方向观察偏振面逆时针偏转。可以发现,法拉第效应的偏转方向与磁场方向有关。

将图 1与图 2中光源部分与探测器部分对调一下,即改变入射光的传播方向,可以发现:

(1)石英晶体偏转角的旋转方向由顺时针变为逆时针,但偏转角度大小相等。即自然旋光效应的偏转方向与入射光传播方向有关,当光束往返通过自然旋光物质时,两次偏转方向相反大小相等而相互抵消。

(2)对于直流励磁铽玻璃,迎着光的方向来看,偏转面旋转方向由右旋变左旋,即法拉第效应的偏转方向与光的传播方向无关。利用这一特性可以使光波在两反射镜之间多次传播以增强磁光效应。

将光源依次换成650 nm、532 nm的激光器,两种晶体的偏转角都减小,但石英晶体变化程度较大。这种偏转角随入射波长不同而发生变化的现象称为旋光色散。

4 应用领域

若旋光物质为溶液,偏转角度θ与物质的厚度l和物质的浓度c成正比,即θ=αcl,其比例系数α为旋光物质的旋光率。根据旋光物质的自然旋光规律可以测量溶液浓度,医学中的测糖计就是根据这个原理设计的。

法拉第效应的偏转角旋光方向与磁场方向有关,与传播方向无关。如果光往返通过磁光晶体,由本身自然旋光引起的偏转角与磁场方向有关而抵消掉。如图 5所示,当法拉第效应引起的偏转角为π/4时,反射光通过法拉第盒后的偏振方向与起偏器P₁方向正交而无法通过。此现象表明法拉第旋光效应是一个不可逆的光学过程,可利用这种现象制成光学隔离器或单通光闸等器件。

图 5

Fig. 5

图 5 光学隔离器原理结构示意图 Fig. 5 The structure principle graph of optical isolator

5 结 论

自然旋光和法拉第效应的区别主要体现在偏转角、色散和旋光方向三个方面。自然旋光与法拉第效应的偏转角都与晶体本身的参数有关,且比例系数与环境温度、入射光波频率(或波长)等有关。自然旋光的偏转方向与光的传播方向和晶体本身的内部结构有关,对于同一材料制成的晶片,自然旋光的方向往往同时具备左旋和右旋特性,例如石英有左旋石英和右旋石英,但旋光本领相同;而法拉第效应偏转角正比于外加磁场强度的大小,其偏转角旋光方向与磁场方向有关,与光传播方向无关,即只要磁场方向不变,无论入射光还是反射光,其旋转角都朝一个方向旋转。