磁學(xué)百科丨磁光效應(yīng)

在磁場(chǎng)或磁矩作用下，物質(zhì)的電磁特性（如磁導(dǎo)率、介電常數(shù)、磁化強(qiáng)度、磁疇結(jié)構(gòu)、磁化方向等）會(huì)發(fā)生變化，因而使通向該物質(zhì)的光的傳輸特性也隨之發(fā)生變化。光通向磁場(chǎng)或磁矩作用下的物質(zhì)時(shí)，其傳輸特性的變化稱為磁光效應(yīng)，具有磁光效應(yīng)的材料稱為磁光材料。

磁光效應(yīng)的本質(zhì)是在外加磁場(chǎng)和光波電場(chǎng)共同作用下的非線性極化過程，具有獨(dú)特的光學(xué)非互易性，即磁致旋光現(xiàn)象具有不可逆性，這個(gè)特點(diǎn)是磁光材料的旋光性和自然旋光現(xiàn)象的根本區(qū)別。磁光效應(yīng)的大小決定于物質(zhì)的特性，通常將具有較大磁光效應(yīng)的物質(zhì)稱為磁光材料。

一般情況下，磁光效應(yīng)隨物質(zhì)磁化強(qiáng)度的增大而增大。因此，大部分磁光材料都是磁性材料。磁光效應(yīng)一般包括：①磁光法拉第效應(yīng)；②磁光克爾效應(yīng)；③科頓-穆頓效應(yīng)；④磁圓振、磁線振二向色性；⑤塞曼效應(yīng)；⑥磁激發(fā)光散射；⑦霍爾效應(yīng)等。

磁光法拉第效應(yīng)

1845年法拉第發(fā)現(xiàn)玻璃在強(qiáng)磁場(chǎng)的作用下具有旋光性，加在玻璃棒上的磁場(chǎng)引起了平行于磁場(chǎng)方向傳播的線偏振光偏振面的旋轉(zhuǎn)。此現(xiàn)象被稱為法拉第效應(yīng)。法拉第效應(yīng)第一次顯示了光和電磁現(xiàn)象之間的聯(lián)系，促進(jìn)了對(duì)光本性的研究。費(fèi)爾德（Verdet）通過對(duì)許多介質(zhì)的磁致旋轉(zhuǎn)進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)法拉第效應(yīng)在固體、液體和氣體中都存在。大部分物質(zhì)的法拉第效應(yīng)很弱，摻稀土離子玻璃的費(fèi)爾德常數(shù)稍大。近年來研究的釔鐵石榴石等晶體的費(fèi)爾德常數(shù)較大，從而大大提高了實(shí)用價(jià)值。

磁光克爾效應(yīng)

克爾磁光效應(yīng)就是入射的線偏振光在已磁化的物質(zhì)表面反射時(shí)，振動(dòng)面發(fā)生旋轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，1876年由J．克爾發(fā)現(xiàn)。特定條件下材料的旋光率用沿光傳播方向磁飽和的單位厚度樣品產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)角度來表示。當(dāng)線偏振光被磁化了的鐵磁體表面反射時(shí)，反射光將是橢圓偏振的，并且以橢圓長軸為標(biāo)志的偏振面相對(duì)于入射偏振光的偏振面旋轉(zhuǎn)了一個(gè)角度，即磁光克爾效應(yīng)。

科頓-穆頓效應(yīng)

當(dāng)線偏振光垂直于磁化強(qiáng)度矢量方向透通鐵磁晶體時(shí)，光波的電矢量分成兩束，一束與磁化強(qiáng)度矢量平行，稱正常光波，另一束與磁化強(qiáng)度矢量垂直，稱非正常光波，兩者之間有相位差8。因兩種光波在鐵磁體內(nèi)的折射率不同而產(chǎn)生雙折射現(xiàn)象，稱為科頓-穆頓效應(yīng)。

科頓-穆頓效應(yīng)又稱磁雙折射效應(yīng)，簡記為MLB。1907年A．科頓和H．穆頓發(fā)現(xiàn)，光在透明介質(zhì)中傳播時(shí)，若在垂直于光的傳播方向上加一外磁場(chǎng)，則介質(zhì)表現(xiàn)出單軸晶體的性質(zhì)，光軸沿磁場(chǎng)方向，主折射率之差正比于磁感應(yīng)強(qiáng)度的平方。此效應(yīng)也稱磁致雙折射。

磁圓振、磁線振二向色性

磁圓振二向色性發(fā)生在光沿平行于磁化強(qiáng)度Ms方向傳播時(shí)，由于鐵磁體對(duì)入射線偏振光的兩個(gè)圓偏振態(tài)的吸收不同，一個(gè)圓偏振態(tài)的吸收大于另一個(gè)圓偏振態(tài)的吸收，結(jié)果造成左、右圓偏振態(tài)的吸收有差異，此現(xiàn)象稱為磁圓二向色性。
磁線振二向色性發(fā)生在光沿著垂直于磁化強(qiáng)度Ms方向傳播時(shí)，鐵磁體對(duì)兩個(gè)偏振態(tài)的吸收不同，兩個(gè)偏振態(tài)以不同的衰減通過鐵磁體，這種現(xiàn)象稱為磁線振二向色性。

塞曼效應(yīng)

光源在強(qiáng)磁場(chǎng)（105～106A／m）中發(fā)射的譜線，受到磁場(chǎng)的影響而分裂為幾條，分裂的各譜線間的間隔大小與磁場(chǎng)強(qiáng)度成正比的現(xiàn)象，稱為塞曼效應(yīng)。1896年，荷蘭物理學(xué)家塞曼發(fā)現(xiàn)，原子光譜線在外磁場(chǎng)發(fā)生了分裂。隨后洛侖茲在理論上解釋了譜線分裂成3條的原因。

塞曼效應(yīng)是繼1845年法拉第效應(yīng)和1875年克爾效應(yīng)之后發(fā)現(xiàn)的第三個(gè)磁場(chǎng)對(duì)光有影響的實(shí)例。塞曼效應(yīng)證實(shí)了原子磁矩的空間量子化，為研究原子結(jié)構(gòu)提供了重要途徑，被認(rèn)為是19世紀(jì)末20世紀(jì)初物理學(xué)最重要的發(fā)現(xiàn)之一。利用塞曼效應(yīng)可以測(cè)量電子的荷質(zhì)比。在天體物理中，塞曼效應(yīng)還可以用來測(cè)量天體的磁場(chǎng)。

磁激發(fā)光散射

如圖所示，Z軸方向施加一恒磁場(chǎng)，磁化強(qiáng)度Ms繞Z軸進(jìn)動(dòng)，Ms在OZ軸的分量Mz＝常數(shù)，在YOZ平面里的旋轉(zhuǎn)分量為mk（ωk），它是被激發(fā)出的以wk為本征進(jìn)動(dòng)頻率的自旋波磁振子。當(dāng)沿OY軸有光傳播，則沿OX軸有電場(chǎng)強(qiáng)度分量Ex（ω）并與mk（ωk）發(fā)生相互用，結(jié)果是在OZ軸方向產(chǎn)生電極化強(qiáng)度分量Pz（ω±ωk）的輻射就構(gòu)成一級(jí)拉曼散射，稱為磁激發(fā)散射。

霍爾效應(yīng)

通有電流的鐵磁體置于均勻磁場(chǎng)中，如果磁場(chǎng)的方向與電流的方向垂直，載流子在磁場(chǎng)中受洛侖茲力的作用，它就會(huì)發(fā)生在垂直于磁場(chǎng)和電流的兩個(gè)方向的偏移，樣品的兩端之間產(chǎn)生電場(chǎng)EH， 這種現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)。

審核編輯：劉清