1845年迁匠，發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)現(xiàn)象签舞、被稱為“電學(xué)之父”的英國物理學(xué)家法拉第在一次實(shí)驗(yàn)中偶然發(fā)現(xiàn)在經(jīng)過磁化過的介質(zhì)后，線偏振光的偏振態(tài)會發(fā)生變化柒瓣，而且通過磁性介質(zhì)的光的偏振態(tài)的變化還和對磁性介質(zhì)施加的外磁場相關(guān)儒搭，1877年，克爾 (JohnKerr) 發(fā)現(xiàn)了磁光克爾效應(yīng)芙贫。
磁光效應(yīng)的物理機(jī)理
從1845 年法拉第效應(yīng)被發(fā)現(xiàn)至今搂鲫，為人們所熟知的磁光效應(yīng)大致有法拉第 效應(yīng)，克爾效應(yīng)和塞曼效應(yīng)等磺平。法拉第效應(yīng)如上邊所說魂仍，是指偏振光在經(jīng)過有 磁性的樣品且透射穿過樣品后，透射光的偏振面相對于入射偏振光發(fā)生一定角度 的偏移的現(xiàn)象拣挪。其產(chǎn)生的根本原因擦酌，從光學(xué)上來講，就是左旋偏振光和右旋偏振 光在磁性材料中折射率不同菠劝，從而使得兩種偏振光在磁性樣品中傳播的過程中產(chǎn) 生了光程差赊舶，進(jìn)而產(chǎn)生相位差，從樣品中出射后兩種偏振光合成的透射光就表現(xiàn) 為偏振面較入射光來講發(fā)生了一定角度的偏轉(zhuǎn)赶诊。
塞曼效應(yīng)是指在外磁場中笼平，光源發(fā)出的光的各能級譜線在磁場下進(jìn)一步分裂 成更多條，并且分裂出的各譜線的間隔和外磁場的大小成正比的磁光效應(yīng)舔痪，該效 應(yīng)的原理是原子的自旋磁矩和軌道磁矩在外磁場的作用下能級會發(fā)生進(jìn)一步的 分裂寓调。塞曼效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)直接推動了量子力學(xué)的完善并導(dǎo)致自旋這一自由度被發(fā)現(xiàn)。
圖1.三種克爾效應(yīng)示意圖锄码，從左至右依次為極向夺英、縱向和橫向
克爾效應(yīng)則是說當(dāng)偏振光在磁性樣品表面被反射后，反射光的偏振面相對入射光發(fā)生一定角度的偏轉(zhuǎn)[39]滋捶。其本質(zhì)與法拉第效應(yīng)類似痛悯，也是偏振光在磁性樣品表面反射時，左旋偏振光和右旋偏振光的反射率不同炬太，也就是對兩種擁有不同自旋角動量的光子的散射作用不同灸蟆，導(dǎo)致在zui終的反射后，產(chǎn)生了相位差亲族，使得出射光的偏振面發(fā)生偏轉(zhuǎn)炒考，這種偏振面的旋轉(zhuǎn)就是磁光克爾轉(zhuǎn)角；同時霎迫，磁性介質(zhì)對兩種偏振光的吸收率也不盡相同斋枢，這會引起兩種偏振光的相對強(qiáng)度的變化，使得合成的光較之前入射的線偏光發(fā)生變化知给，產(chǎn)生磁光克爾橢偏率瓤帚。一般對于克爾效應(yīng)來說，偏振光的轉(zhuǎn)角和橢偏率都是會發(fā)生變化的涩赢。
同時根據(jù)磁性樣品的磁化矢量戈次，也就是磁化的方向、偏振光入射面和樣品表面的幾何位置的不同筒扒，磁光克爾效應(yīng)又可以分為三種：磁矩方向與磁光材料表面垂直的極向克爾效應(yīng)怯邪；磁矩方向同時平行于磁光材料表面和光線入射面的縱向克爾效應(yīng)；磁矩方向與磁光材料表面平行但與光線入射面垂直的橫向克爾效應(yīng)花墩。
其中極向克爾效應(yīng)即樣品的磁化強(qiáng)度矢量垂直于樣品表面悬秉，并且處在偏振光的入射面內(nèi)，通常用來表征具有垂直磁各向異性的樣品冰蘑『兔冢縱向和橫向克爾效應(yīng)的樣品磁化強(qiáng)度矢量都平行于樣品表面，因此它們被用來表征具有面內(nèi)磁各向異性的樣品祠肥。同時武氓，一般來講，極向克爾效應(yīng)的信號一般要比縱向克爾效應(yīng)的信號大一個數(shù)量級仇箱，因此磁光克爾效應(yīng)在表征垂直各向異性較強(qiáng)的樣品時更有優(yōu)勢聋丝。對于面內(nèi)各向異性較強(qiáng)的樣品來說，由于橫向的克爾效應(yīng)的反射光的偏振面不發(fā)生變化工碾，只有光強(qiáng)發(fā)生變化弱睦，所以常用縱向克爾效應(yīng)來表征。
在介紹完幾種常見的磁光效應(yīng)后渊额，可以對磁光效應(yīng)的物理機(jī)理進(jìn)行一個整體的描述：一般認(rèn)為磁光效應(yīng)都是在宏觀經(jīng)典電磁學(xué)理論以及微觀量子論的背景下來共同描述的况木。從宏觀上看，磁光效應(yīng)是由介電張量中的反對稱旬迹、非對角元素引起的火惊；從微觀上看，光的電場分量與磁性介質(zhì)中的電子自旋磁矩奔垦、原子磁矩之間的耦合是通過自旋-軌道相互作用發(fā)生的屹耐。磁光效應(yīng)的經(jīng)典解釋認(rèn)為介質(zhì)的光學(xué)性質(zhì)是由介電張量決定的，同時介電張量又是由介質(zhì)中電子的運(yùn)動決定的椿猎。當(dāng)一束偏振光穿過介質(zhì)時惶岭，光的電分量將驅(qū)使介質(zhì)中的電子運(yùn)動寿弱。在沒有外磁場作用的情況下，左旋的圓偏光的電分量將驅(qū)使電子進(jìn)行一個左旋的圓周運(yùn)動按灶，同理右旋的圓偏光的電分量將驅(qū)使電子進(jìn)行一個右旋的圓周運(yùn)動症革。這個時候左旋和右旋的圓周運(yùn)動的半徑是相同的，因此對于偏振光來說鸯旁，偏振面就沒有發(fā)生變化噪矛，也就沒有法拉第效應(yīng)產(chǎn)生。但是當(dāng)一個沿著入射光方向的磁場加入后铺罢，就會給電子產(chǎn)生一個額外的洛倫茲力艇挨，這時左右旋的圓偏光驅(qū)使電子圓周運(yùn)動的半徑會發(fā)生不等的變化，因而左右圓偏光半徑不同韭赘，合成了和原來不同的偏振光缩滨，產(chǎn)生了法拉第效應(yīng)。磁光效應(yīng)的量子解釋則是認(rèn)為自旋軌道耦合作用(?V×p)?s可以認(rèn)為是具有動量p的電子在一個有效的磁場矢勢?V×s中運(yùn)動辞居，這種自旋軌道相互作用引起了波函數(shù)的變化和能量的分裂楷怒，zui終表現(xiàn)為左旋光和右旋光的折射率 存在差異。
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