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法拉第效应

时间:2013-07-21 20:59来源:机器视觉网http://shixinhua.com 作者:石鑫华 点击: 99999次
法拉第效应 在物理学里, 法拉第效应(又叫法拉第旋转) 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。 于1845年,麦可法拉第发现了法拉第效应

法拉第效应

在物理学里,法拉第效应(又叫法拉第旋转)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。
 
于1845年,麦可·法拉第发现了法拉第效应。这是最先揭示光波和电磁现象之间关系的实验证据。由于法拉第效应显示出,在穿过介质时,偏振光波会因为外磁场的作用,转变偏振的方向,因此,麦克斯韦认为磁场是一种旋转现象。这效应给予麦克斯韦重要的启发。在于1861年发表的巨作《论物理力线》第四部份,为了突显出自己设计的“分子涡流模型”的威力,他应用这模型来推导出法拉第效应。在1870年代,詹姆斯·麦克斯韦进一步发展出电磁辐射(包括可见光)的基础理论。大多数对于光波呈透明状况的介质(包括液体),当感受到磁场作用时,会出现这种效应。
 
法拉第效应会使得左旋圆偏振(circular polarization)光波与右旋圆偏振光波各自以不同的速度传播于某些介质,这性质称为圆双折射。由于线性偏振可以分解为两个圆偏振部份的叠加,而这两个圆偏振部份之间的振幅相同、螺旋性(helicity)不同、相位不同,法拉第效应所感应出的相对的相移,会造成线性偏振取向的旋转。
 
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(optical rotatory power)、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(optical isolator)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。
由于法拉第效应而出现的偏振旋转
由于法拉第效应而出现的偏振旋转

数学表述

对于透明物质,偏振的旋转角弧与磁场的关系为
偏振的旋转角弧与磁场的关系 ;
其中,旋转角弧 是旋转角弧,磁场朝着光波传播方向的分量 是磁场朝着光波传播方向的分量,光波与磁场相互作用的长度 是光波与磁场相互作用的长度,物质的韦尔代常数 为物质的韦尔代常数,与材料本质、波长和温度有关。
假设韦尔代常数是正值,则当光波传播方向与磁场方向相同时,朝着传播方向望去,偏振会以顺时针方向旋转,即右旋螺丝钉前进的方向,螺旋性为正值;当光波传播方向与磁场方向相反时,朝着传播方向望去,偏振会以反时针方向旋转,即左旋螺丝钉前进的方向,螺旋性为负值。假设,当光波穿过介质后,再反射回来穿过介质,则旋转角弧会加倍。
有些材料,像铽镓石榴石,具有极高的韦尔代常数(大约为 −40 rad T–1 m–1)。假设将强烈磁场施加于这材料,则可达到超过0.78 rad (45°) 的法拉第旋转角弧。因此,这材料可以用来制造法拉第旋转器(Faraday rotator)──法拉第隔离器的一个主要组件。法拉第隔离器(Faraday isolator)是一种只能单向传播光波的器件。

星际物质造成的法拉第旋转

在光波从光源头传播到地球的路途中,会经过星际物质区域。在这区域里,自由电子是法拉第效应出现的因素。其特性是两种不同的圆偏振传播模态的折射率不相等。因此,与在固体或液体发生的法拉第效应相比较,星际法拉第旋转与光波的波长 波长 有一种很简单的关系:
星际法拉第旋转与光波的波长 ;
其中,旋转测度 是“旋转测度”。
采用厘米-克-秒制,旋转测度以方程表示为
旋转测度以方程表示为 ;
其中,单位电荷 是单位电荷,电子质量 是电子质量,光速 是光速,电子数量密度 是电子数量密度,星际磁场朝着光波传播方向的分量 是星际磁场朝着光波传播方向的分量。
采用国际单位制,旋转测度 表示为
R 。
其中,电常数 是电常数。
上述积分是取于从光源头到观测者的路径。
在天文学里,法拉第效应是一种很重要的磁场测量工具。给予电子数量密度数据,就可计算出旋转测度,估算出磁场的大小。对于射电脉冲星案例,电子分布所造成的色散,会使得不同波长的脉冲抵达测量仪器的时间不同,这与电子密度有关。这现象可以用仪器测量出来,得到的测量值称为色散测度(dispersion measure)。知道旋转测度和色散测度,就可以计算出沿着光波传播方向的磁场分量的加权平均数。对于其它种类的星体,假若,根据合理地猜测传播路径长度和典型电子密度,就能够估计出色散测度,那么,也可以得到同样的资料。举一个特例,从河外射电源发射的无线电信号,因为穿过日冕而产生的法拉第效应,其天文测值可以用来估算日冕内部的电子密度分布、磁场方向与数值大小。

地球电离层造成的法拉第旋转

穿过地球电离层的无线电波也会出现法拉第效应。电离层是由等离子体组成,其内含的自由电子会按照前述方程贡献出法拉第旋转,而比较重质量的正离子所给出的影响相当微小。由于整个太阳周期,甚至于每一天,电离层电子密度的变化都很大,效应的数值大小也会有所变化。但如同前段方程展示,效应永远与波长平方成正比。对于特高频电视频率500 MHz,波长大约为60厘米,穿过地球电离层估计会出现多过1个全旋转。虽然大多数的无线电天线传送的是垂直或水平偏振,由于法拉第效应,传送的无线电波,在经过电离层反射后,抵达接收器时的偏振,很难被估计出来。可是,因自由电子产生的法拉第效应,在较高频率(较短波长)会快速地减小,所以,在通讯卫星所使用的微波频率,卫星与地面之间传送信号的偏振能够维持在容许误差范围内。
(责任编辑:石鑫华)
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