法拉第效应

1845年迈克尔·法拉第提出的效应

在物理学里，法拉第效应（又叫法拉第旋转，磁致旋光）是一种磁光效应（magneto-optic effect），是在介质内光波与磁场的一种相互作用。法拉第效应会造成偏振平面的旋转，这旋转与磁场朝着光波传播方向的分量呈线性正比关系。

简介

磁光效应是光与具有磁矩的物质共同作用的产物。磁光效应主要有三种，即：法拉第效应、克尔效应、塞曼效应。在光学电流传感器领域，法拉第磁光效应的应用最为广泛。光学电流传感器中磁光介质即磁光效应中具有磁矩的物质，是决定光学电流传感器性能的重要器件。具有磁矩的物质可以分为五大类，而在光学电流传感器领域，顺磁性物质的应用最为广泛。

1845年，法拉第发现：当一束平面偏振光通过置于磁场中的磁光介质时，平面偏振光的偏振面就会随着平行于光线方向的磁场发生旋转。旋转的这个角度称之为法拉第旋转角。

也称磁致旋光。在处于磁场中的均匀各向同性媒质内，线偏振光束沿磁场方向传播时，振动面发生旋转的现象。1845年M.法拉第发现在强磁场中的玻璃产生这种效应，以后发现其他非旋光的固、液、气态物质都有这种效应。设磁感应强度为B,光在物质中经过的路径长度为d，则振动面转动的角度为ψ=VBd, (1)

式中V称为费尔德常数,与物质的性质、温度以及光的频率（波长）有关。在一定物质中不论光是沿磁场方向或逆磁场方向传播，振动面的转向都一样，只由磁场方向决定。若转向与磁场方向成右手螺旋关系,该物质的V取为正值，即ψ>0。这样，光来回传播同样距离后，其振动面的转角等于单程转角的两倍。这是磁致旋光与天然旋光的区别（天然旋光情形，在来回传播同样距离后振动面恢复原来方位）。

法拉第效应与塞曼效应有密切联系。磁场影响物质分子（原子）中电子的运动，使无磁场时的一条吸收线对于平行于磁场方向传播的入射光分裂为两条，分别对应于右旋和左旋圆偏振光的吸收线，二者频率略有不同（倒塞曼效应）；而且对于这两种圆偏振光又有分别对应的色散曲线。最简单情形如图a所示(面对磁场的指向观察)。这时,物质对任一频率的两种圆偏振光有不同的折射率n+（左旋）和n_（右旋），从而入射的线偏振光的振动面在传播中发生旋转，转角为（图1）(2)

图b中画出n_-n+的曲线。可以看出，图中在吸收线之外ψ>0，而在吸收线之间ψ<0；在吸收线区域及其附近，ψ值很大。由于吸收线的裂距2Δω正比于B,在远离吸收线区域n_－n+也近似正比于B，故有式(1)。天然旋光物质中发生磁致旋光现象时，应考虑上述两种效应的叠加。铁磁物质表现出很强的法拉第效应。这时ψ决定于物质中的磁化强度而不是外加磁场。

发现

1845 年法拉第（Michal Faraday）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。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转进行了研究，发现法拉第效应在固体、液体和气体中都存在。大部分物质的法拉第效应很弱，掺稀土离子玻璃的费尔德常数稍大。近年来研究的YIG等晶体的费尔德常数较大，从而大大提高了实用价值。

实验原理

法拉第效应是磁场引起介质折射率变化而产生的旋光现象，实验结果表明，光在磁场的作用下通过介质时，光波偏振面转过的角度（磁致旋光角）与光在介质中通过的长度L及介质中磁感应强度在光传播方向上的分量B成正比，即：

θ=VBL

式中V称为费尔德常数，它表征物质的磁光特性。几种材料的费尔德常数值如下表。

法拉第效应实验装置如图所示。由光源产生的复合白光通过小型单色仪后可以获得波长在360～800nm的单色光，经过起偏镜成为单色线偏振光，然后穿过电磁铁。电磁铁采用直流供电，中间磁路有通光孔，保证人射光与磁场B方向一致。根据励磁电流的大小可以求得对应的磁场值。入射光穿过样品后从电磁铁的另一极穿出人射到检偏器上，透过检偏器的光进入光电倍增管，由数显表显示光电流的大小，即出射光强的大小。根据出射光强最大(或最小)时检偏器的位置读数即可得出旋光角。检偏器的角度位置读数也由数显表读出。

由经典电子论对色散的解释可得出介质的折射率和入射光频率w 的关系为：

式中ω0是电子的固有频率，磁场作用使电子固有频率改变为（ωL±ω0）（ωL是电子轨道在外磁场中的进动频率）。使折射率变为：

由菲涅耳的旋光理论可知，平面偏振光可看成由两个左、右旋圆偏振迭加而成，上式中的正负号反映了这两个圆偏振光折射率有差异，以R n 和L n 表示。它们通过长度为L的介质后产生的光程差为：

由它们合成的平面偏振光的磁致旋光角为：

通常，nR，nL，和n，相差甚微，故

将此代入上式，又因ωL≪ω可略去ωL项，得：

可见括号项即为费尔德常数，表示V 值和介质在无磁场时的色散率、入射光波长等有关。由马吕斯定律可知，平面偏振光通过磁场中的介质和检偏器后的光强为：

α为检偏器和起偏器透光轴的夹角，θ为法拉第磁致旋光角。当α=π/4时，

若磁场变化则：

表示此时由检偏器输出的光强将随产生磁场的电流i（调制电流）线性地变化，这就是光强度的磁光调制原理。在α=π/4时，dI/d= 1，即此时调制系统的信号检测灵敏度最高，失真最小。

分类

描述物体磁性强弱程度的一个重要物理量是磁化强度矢量M，即单位体积内各个磁畴磁矩的矢量和。磁化强度M与磁场强度H的关系表示为：

M =χH式中 χ 为物体的磁化率。

按照物质磁化率 χ 的大小和符号、物质磁性来源和磁结构特性，物质磁性可分为抗磁性、顺磁性、铁磁性、反铁磁性和亚铁磁性五大类，下面分别简述五大类磁性的基本特点。

① 抗磁性

物质由原子和分子组成。自由原子的磁矩有三个主要来源：一是电子的自旋，二是电子绕原子核旋转的轨道角动量，三是电子在外加磁场中旋转所感生的轨道磁矩变化。第三个来源是产生抗磁性的原因，前两个来源不同程度上对顺磁性、铁磁性、反铁磁性和亚铁磁性有所贡献。可以看出，所有物质都存在第三个来源，因此抗磁性在所有物质中都存在。由于抗磁性极其微弱，故在具有其他磁性的物质中抗磁性常常被掩盖。

抗磁性亦称为逆磁性。电子在外磁场中运动所感生的磁矩，其方向与外磁场相反。

② 顺磁性

物质具有顺磁性的必要条件是组成物质的原子、分子或离子具有固有磁矩。但这些原子（分子或离子）磁矩之间相互作用十分微弱，在热运动的影响下，基本上处于无序排列状态；温度越高，排列越无序。物质磁化以后，原子（分子或离子）磁矩就有沿外磁场方向排列的趋势，外磁场越大，排列越趋整齐。由此可见，顺磁性物质的磁化强度M 与外磁场 H ，方向相同，不过仅显示微弱的磁性。

③ 铁磁性

铁磁性物质原子或离子的电子之间存在交换作用，这种相互作用十分强大，与其等效的“磁场”称为分子场。如此大的分子场足以克服热运动的影响，使原子（离子）磁矩相互平行排列（交换积分 A > 0）。随着温度的升高，热运动渐趋剧烈，磁矩平行排列趋势逐渐变弱，

但仅是量变过程。当温度高于居里温度即CT >T时，热运动能大于交换作用能，从而导致原子（离子）磁矩混乱排列，此时铁磁性转变为顺磁性。

铁磁性物质是一类重要的磁性材料，其中有一些也是优良的磁光材料。

④ 反铁磁性

绝大多数反铁磁性物质，如 MnO 和 NiO 等都是导电性很差的化合物，其阳离子通常为过渡族金属离子，近邻配位离子为阴离子。金属离子之间距离较大，它们的电子壳层几乎不存在交叠。因此，反铁磁性物质的原子或离子磁矩之间存在间接交换作用，而不是如铁磁性物质那样的直接交换作用。这种相互作用十分强，但是反映间接交换作用大小的量——间接交换积分A <0间接，导致相邻金属离子磁矩之间相互反平行。相同晶格位置上的平行离子磁矩组成一个压晶格，称为磁亚晶格，反铁磁性物质中一般存在两个或两个以上磁亚晶格。

反铁磁性物质的相邻磁亚晶格的磁矩之间相互反平行，因此对外并不显示磁性。在外磁场作用下，也只能出现微弱的磁性。由反铁磁性转变为顺磁性的磁相变点NT 称为奈尔温度。在

NT 处，χ最大。

⑤ 亚铁磁性

与反铁磁性物质一样，亚铁磁性物质中具有两个或两个以上磁亚晶格。所不同的是，相邻磁亚晶格的原子（离子）磁矩方向相反，但大小不等，从而存在未抵消的磁矩，因此亚铁磁性物质中存在相当强的磁性；有许多特性，如技术磁化过程的不少特征与铁磁性物质十分相似。亚铁磁性物质的磁化率 χ > 0，且很大。除钡铁氧体等永磁材料外，亚铁磁性材料大多在高频区域应用，对于χ特性的要求不同于低频区域，有时对χ大小的要求显得并不重要。亚铁磁性物质的磁相变点称为奈尔点。

⑥ 超顺磁性

随着纳米材料的诞生和发展，一种新型的磁性物质出现了，称为“超顺磁性材料”。如果磁性材料是一单畴颗粒的集合体，对于每一个颗粒而言，由于磁性原子或离子之间的交换作用很强，磁矩之间将平行取向，而且磁矩取向在由磁晶各向异性所决定的易磁化方向上，但是颗粒与颗粒之间由于易磁化方向不同，磁矩的取向也就不同。

应用

法拉第效应可以应用于测量仪器。例如，法拉第效应被用于测量旋光度、或光波的振幅调变、或磁场的遥感。在自旋电子学里，法拉第效应被用于研究半导体内部的电子自旋的极化。法拉第旋转器（Faraday rotator）可以用于光波的调幅，是光隔离器与光循环器（optical circulator）的基础组件，在光通讯与其它激光领域必备组件。具体应用如下：

（1）量糖计（自然旋光）

（2）磁光开关与磁光调制器（点调制与空间调制）

（3）磁光光盘：光信息存储

（4）磁光电流传感器（或互感器）：测量大电流

（5）磁光隔离器：在光通信和级联式激光器系统中用以隔离后续系统反馈的光信号

（6）磁光偏频器：零锁区激光陀螺中通过产生偏频来消除激光陀螺的闭锁现象

法拉第效应可用于混合碳水化合物成分分析和分子结构研究。在激光技术中这一效应被利用来制作光隔离器和红外调制器。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。

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