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?????????????????? 光學克爾效應 克爾電光效應 法拉第效應 法拉第磁光效應 磁-光效應 磁光克爾效應 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? ?????????????????? 光子圖 本詞條缺少概述圖，補充相關內容使詞條更完整，還能快速升級，趕緊來編輯吧！ 光子貼圖TM 是一種技術，用于在使用 mental ray 渲染器 進行渲染時，生成焦散和全局照明的間接照明效果。當它計算間接照明時，mental ray 渲染器跟蹤光線所發出的光子。光子的軌跡通過場景，由對象反射或透射，直到最后到達漫反射表面。當它們到達表面時，光子存儲在光子貼圖中。
目錄光子圖簡介 生成光子貼圖非常耗費時間。為了改善性能，必須明確指定： 哪些光發出的光子用于間接照明。 哪些對象可以生成焦散或全局照明。 哪些對象可以接收焦散或全局照明。 生成和接收焦散的設置位于“對象屬性”對話框 > “mental ray”面板中。 光子貼圖只為那些能夠接收焦散、全局照明或兩者的對象存儲光子。 為了進一步減少生成光子貼圖所需要的時間，光子由軌跡深度控件限制。跟蹤深度限制光子被反射、折射或兩者影響的次數。 在動畫中，節省時間的另一個方法是重復使用光子貼圖文件。如果在動畫過程中照明沒有改變，那么計算并保存第一幀的光子貼圖文件，然后選擇“使用現有”選項來渲染后面的幀。 mental ray 渲染器將光子貼圖保存為 PMAP 文件。光子貼圖控件位于“渲染場景對話框”>“ 間接照明”面板 > 焦散和全局照明卷展欄中。 光子圖光子介紹原始稱呼是光量子（light quantum），電磁輻射的量子，傳遞電磁相互作用的規范粒子，記為γ。其靜止量為零，不帶電荷，其能量為普朗克常量和電磁輻射頻率的乘積，ε=hv，在真空中以光速c運行，其自旋為1，是玻色子。早在1900年，M.普朗克解釋黑體輻射能量分布時作出量子假設，物質振子與輻射之間的能量交換是不連續的，一份一份的，每一份的能量為hv；1905年A.愛因斯坦進一步提出光波本身就不是連續的而具有粒子性，愛因斯坦稱之為光量子；1923年A.H.康普頓成功地用光量子概念解釋了X光被物質散射時波長變化的康普頓效應，從而光量子概念被廣泛接受和應用，1926年正式命名為光子。量子電動力學確立后，確認光子是傳遞電磁相互作用的媒介粒子。帶電粒子通過發射或吸收光子而相互作用，正反帶電粒子對可湮沒轉化為光子，它們也可以在電磁場中產生。 光子從激光的相干光束中出射 光子是光線中攜帶能量的粒子。一個光子能量的多少與波長相關, 波長越短, 能量越高。當一個光子被分子吸收時,就有一個電子獲得足夠的能量從而從內軌道躍遷到外軌道,具有電子躍遷的分子就從基態變成了激發態。 光子具有能量，也具有動量，更具有質量，按照質能方程，E=mc2=hν,求出M=hν/c2, 光子由于無法靜止，所以它沒有靜止質量，這兒的質量是光子的相對論質量。 光子是傳遞電磁相互作用的基本粒子，是一種規范玻色子。光子是電磁輻射的載體，而在量子場論中光子被認為是電磁相互作用的媒介子。與大多數基本粒子相比，光子的靜止質量為零，這意味著其在真空中的傳播速度是光速。與其他量子一樣，光子具有波粒二象性：光子能夠表現出經典波的折射、干涉、衍射等性質；而光子的粒子性則表現為和物質相互作用時不像經典的粒子那樣可以傳遞任意值的能量，光子只能傳遞量子化的能量。對可見光而言，單個光子攜帶的能量約為4×10-19焦耳，這樣大小的能量足以激發起眼睛上感光細胞的一個分子，從而引起視覺。除能量以外，光子還具有動量和偏振態。 光子圖光子與經典電磁理論命名 光子起初被愛因斯坦命名為光量子 。 光子的現代英文名稱photon源于希臘文 φ?? （在羅馬字下寫為ph?s），是由物理化學家吉爾伯特·路易士在他的一個假設性理論中創建的。 在路易士的理論中， photon指的是輻射能量的最小單位，其“不能被創造也不能被毀滅”。 盡管由于這一理論與大多數實驗結果相違背而從未得到公認， photon這一名稱卻很快被很多物理學家所采用。 根據科幻小說作家、科普作家艾薩克·阿西莫夫的記載， 阿瑟·康普頓于1927年首先用photon來稱呼光量子。 在物理學領域，光子通常用希臘字母γ （音： Gamma ）表示，這一符號有可能來自由法國物理學家維拉德 （ Paul Ulrich Villard ）于1900年發現的伽瑪射線，伽瑪射線由盧瑟福和英國物理學家安德雷德 （ Edward Andrade ）于1914年證實是電磁輻射的一種形式。 在化學和光學工程領域，光子經常被寫為h ν ，即用它的能量來表示；有時也用f來表示其頻率，即寫為h f 。 物理性質 用費曼圖表示的正電子 - 負電子散射（也叫做BhaBha散射 ），波浪線表示交換虛光子的過程 參見： 狹義相對論 從波的角度看，光子具有兩種可能的偏振態和三個正交的波矢分量，決定了它的波長和傳播方向；從粒子的角度看，光子靜止質量為零，電荷為零， 半衰期無限長。 光子是自旋為1的規范玻色子，因而輕子數 、 重子數和奇異數都為零。 光子的靜止質量嚴格為零，本質上和庫侖定律嚴格的距離平方反比關系等價，如果光子靜質量不為零，那么庫侖定律也不是嚴格的平方反比定律。 所有有關的經典理論，如麥克斯韋方程組和電磁場的拉格朗日量都依賴于光子靜質量嚴格為零的假設。 從愛因斯坦的質能關系和光量子能量公式可粗略得到光子質量的上限：M=HV/C^2 這里M即是光子質量的上限， V是任意電磁波的頻率，位于超低頻段的舒曼共振已知最低頻率約為7.8赫茲。 這個值僅比現在得到的廣為接受的上限值高出兩個數量級。 參見光子：規范玻色子一節中對光子質量的討論。 光子能夠在很多自然過程中產生，例如：在分子、 原子或原子核從高能級向低能級躍遷時電荷被加速的過程中會輻射光子，粒子和反粒子 湮滅時也會產生光子；在上述的時間反演過程中光子能夠被吸收，即分子、原子或原子核從低能級向高能級躍遷，粒子和反粒子對的產生。 在真空中光子的速度為光速，能量 和動量p之間關系為（公式缺）； 相對論力學中一般質量為？的粒子的能量動量關系為（公式缺）。 光子的能量和動量僅與光子的頻率ν有關；或者說僅與波長λ有關光子的能量和動量僅與光子的頻率ν有關；或者說僅與波長λ有關 。 從而得到光子的動量大小為 ？ 其中？ 也叫做狄拉克常數或約化普朗克常數 ， k是波矢，其大小也叫做狄拉克常數或約化普朗克常數 ，方向指向光子的傳播方向；？叫做波數 ；？ 是角頻率 。 光子本身還攜帶有與其頻率無關的內秉角動量？： 自旋角動量 ？，其大小為光子本身 ，并且自旋角動量在其運動方向上的分量(這一分量在量子場論中被稱作helicity )一定為 ？ ，兩種可能的值分別對應著光子的兩種圓偏振態（右旋和左旋）。 從光子的能量、動量公式可導出一個推論：粒子和其反粒子的湮滅過程一定產生至少兩個光子。 原因是在質心系下粒子和其反粒子組成的系統總動量為零，由于動量守恒定律 ，產生的光子的總動量也必須為零；由于單個光子總具有不為零的大小為 的動量，系統只能產生兩個或兩個以上的光子來滿足總動量為零。 產生光子的頻率，即它們的能量，則由能量-動量守恒定律 （四維動量守恒）決定。 而從能量-動量守恒可知，粒子和反粒子湮滅的逆過程，即雙光子生成電子-反電子對的過程不可能在真空中自發產生。 光子具有波粒二象性，即說光子像一粒一粒的粒子的特性又有像聲波一樣的波動性，光子的波動性有光子的衍射而證明，光子的粒子性是由光電效應證明。 上面有人認為光子的動質量為零是錯誤的，光子的靜質量為零，否則的話其動質量將為無窮大。但其動質量卻是存在的，計算方法是這樣的：首先，由于頻率為v的光子的能量為 E=hv，（其中h為普朗克常數），故由質能公式可得其質量為：m=E/c2=hv/c2 其中c^2表示光速的平方。該方法由愛因斯坦首先提出。 經典的波有群速度與相速度之分。 光子的速度就是光速。 華中科大羅俊教授重新確定光子靜止質量上限 華中科技大學教授重新確定光子靜止質量上限，有業內人士認為：光子靜止質量為零是經典電磁理論的基本假設之一。但有些科學家則認為，光子可能有靜止質量。如果實驗最終檢測到光子存在靜止質量，那么有些經典理論將要有所變化。 在2月28日出版的美國《物理學評論快報》（PhysicalReviewLetters） 上，有專文介紹說：“一項由中國科學家羅俊等完成的新的實驗表明，在任何情況下，光子的靜止質量都不會超過10的負54次方千克，這一結果是之前已知的光子質量上限的1/20?！绷_俊和他的同事通過一種新穎的實驗方法，在一個山洞實驗室里將光子靜止質量的上限，進一步提高了至少一個數量級。 據悉，如果光子存在靜止質量，雖然不會影響到人們的日常生活，但其產生的后果將是根本性的———例如，光速將隨波長的改變而變化，并且光波將像聲波一樣能夠產生縱向振動。 光子圖歷史發展到十八世紀為止的大多數理論中，光被描述成由無數微小粒子組成的物質。由于微粒說不能較為容易地解釋光的折射、衍射和雙折射等現象，笛卡爾（1637年） 、胡克（1665年）和惠更斯（1678年）等人提出了光的（機械）波動理論；但在當時由于牛頓的權威影響力，光的微粒說仍然占有主導地位。十九世紀初，托馬斯·楊和菲涅爾的實驗清晰地證實了光的干涉和衍射特性，到1850年左右，光的波動理論已經完全被學界接受。1865年，麥克斯韋的理論預言光是一種電磁波，證實電磁波存在的實驗由赫茲在1888年完成，這似乎標志著光的微粒說的徹底終結。 然而，麥克斯韋理論下的光的電磁說并不能解釋光的所有性質。例如在經典電磁理論中，光波的能量只與波場的能量密度（光強）有關，與光波的頻率無關；但很多相關實驗，例如光電效應實驗，都表明光的能量與光強無關，而僅與頻率有關。類似的例子還有在光化學的某些反應中，只有當光照頻率超過某一閾值時反應才會發生，而在閾值以下無論如何提高光強反應都不會發生。 與此同時，由眾多物理學家進行的對于黑體輻射長達四十多年（1860-1900）的研究因普朗克建立的假說而得到終結，普朗克提出任何系統發射或吸收頻率為    愛因斯坦等人的工作證明了光子的存在，隨之而來的問題是：如何將麥克斯韋關于光的電磁理論和光量子理論統一起來呢？愛因斯坦始終未能找到統一兩者的理論，但如今這個問題的解答已經被包含在量子電動力學和其后續理論：標準模型中。 光子圖技術應用對單個光子的探測可用多種方法，傳統的光電倍增管利用光電效應：當有光子到達金屬板激發出電子時，所形成的光電流將被放大引起雪崩放電。電荷耦合元件（CCD）應用半導體中類似的效應，入射的光子在一個微型電容器上激發出電子從而可被探測到。其他探測器，如蓋革計數器利用光子能夠電離氣體分子的性質，從而在導體中形成可檢測的電流。 在某些情形下，單獨一個光子無能力激發一個能級的躍遷，而需要有兩個光子同時激發。這就提供了更高分辨率的顯微技術，因為樣品只有在兩束不同顏色的光所照射的高度重疊的部分之內才會吸收能量，而這部分的體積要比單獨一束光照射到并引起激發的部分小很多，這種技術被應用于雙光子激發顯微鏡中。而且，應用弱光照射能夠減小光照對樣品的影響。 有時候兩個系統的能級躍遷會發生耦合，即一個系統吸收光子，而另一個系統從中“竊取”了這部分能量并釋放出不同頻率的光子。這是熒光共振能量傳遞的基礎，被應用于測量分子間距中。 量子光學是物理光學中相對于波動光學的另一個分支。光子可能是超快的量子計算機的基本運算元素，而在這方面重點研究的對象是量子糾纏態。非線性光學是當前光學另一個活躍的領域，它研究的課題包括光纖中的非線性散射效應、四波混頻、雙光子吸收、自相位調制、光學參量振蕩等。不過這些課題中并不都要求假設光子的存在，在建模過程中原子經常被處理為一個非線性振子。非線性效應中的自發參量下轉換經常被用來產生單光子態。最后，光子是光通信領域某些方面的關鍵因素，特別是在量子密碼學中。 ?????????????????? 光學克爾效應 本詞條缺少概述圖，補充相關內容使詞條更完整，還能快速升級，趕緊來編輯吧！ 一種三階非線性光學效應。普通克爾效應是指介質在電場作用下，沿平行和沿垂直于電場方向偏振的光波的折射率n'和n”發生不同的變化，且它們之間的差值Δn正比于電場的二次方，從而出現感應雙折射現象。通常，所加電場是直流或低頻交變電場。當所加的是光頻電場時，如果光足夠強 ,也會發生同樣的現象。此時Δn正比于作用在介質中的激光束的光強。這稱為光學克爾效應。
光學克爾效應基本信息產生光學克爾效應的非線性介質可以是液體、固體、氣體或原子蒸氣。產生的物理機制、效應的強弱都可以很不相同。有時也可以同時來源于幾種不同機制。 常見的物理機制有： ①在光的作用下能級粒子數分布發生了改變。這適用于有分立能級的原子、分子或固體體系。 ②在光的作用下電子云分布發生了變化。這適用于原子或固體。 ③光場感生的電致伸縮效應。這適用于液體、固體和高壓氣體。 ④光場引起分子取向發生變化。適用于由各向異性分子組成的有機液體和溶液、分子晶體和液晶等。 ⑤光場引起分子排列發生變化。適用于例如液態的惰性元素等。 光學克爾效應原理通過對于來自光學克爾效應的雙折射的測量，能夠有效地測定各種介質的三階非線性極化率。由于不同介質產生的光學克爾效應有著不同的機制，通過光學克爾效應的研究還可以進行各種不同物質的物性研究，測量不同的微觀參量，例如分子取向的弛豫時間等。 ?????????????????? 克爾電光效應 本詞條由“科普中國”科學百科詞條編寫與應用工作項目 審核 。 克爾電光效應簡介在外電場作用下，液體就成為光學上的單軸晶體，其光軸同電場方向平行。通常的作法是：把液體裝在玻璃容器中，外加電場通過平行板電極作用在液體上，光垂直于電場方向通過玻璃容器，以觀察克爾電光效應。這種裝置稱為克爾盒。這時兩個主要折射率n0與ne，分別稱為正常與反常折射率。容器中的液體稱為正或負雙折射物質，取決于ne-n0值的為正或負。 入射光通過克爾盒后，分裂成兩個分別以相速с/n0與с/ne傳播的線偏振光（с是真空中的光速），其偏振方向（電矢量方向）分別與外加電場垂直或平行。相速之差引起這兩個偏振光之間的相位差δ。如果入射光是波長為λ0的單色光，則  克爾電光效應理論介紹克爾電光效應對于非線性材料，電動極化場p只會取決于電場：  其中ε0是真空介電常數，   式中，i=1,2,3。通常假設   材料表現出不可忽視的克爾電光效應，第三個術語  其中Eω是矢量振幅波。 λ0是真空波長，K是克爾常數。結合偏振片，它可以被用來作為快門或調制器。 克爾電光效應三大效應克爾電光效應克爾效應也稱為二次電光（QEO）效應的克爾效應是材料響應于所施加的電場的折射率的變化。 克爾效應與普克爾效應不同，因為誘導的指數變化與電場的平方成正比，而不是線性變化。 所有材料顯示克爾效應，但某些液體比其他液體顯示更強烈。 克爾效應于1875年被蘇格蘭物理學家約翰·克爾（John Kerr）發現。 [3] 通?？紤]克爾效應的兩種特殊情況，這些都是克爾電光效應或克爾效應。 例如，電壓在電極材料的影響下的應用領域，材料成為雙折射，不同指標的折射光偏振平行或垂直應用領域。在不同的折射率，Δn是由 克爾電光效應其中λ是光的波長，K是克爾常數，E是電場的強度。 當光線垂直于電場的方向入射到其上時，折射率的這種差異導致材料像波片一樣起作用。 如果材料放置在兩個“交叉”（垂直）線性偏振器之間，當電場關閉時不會發出光，而幾乎所有的光將被傳輸到電場的一些最佳值。 克爾常數的較高值允許通過較小的施加電場實現完整的傳輸。 一些極性液體，如硝基甲苯和硝基苯表現出非常大的克爾常數。 填充有這些液體之一的玻璃電池稱為克爾電池。 這些常用于調制光，因為克爾效應對電場的變化非?？臁?這些設備的光可以在高達10GHz的頻率下進行調制。 由于克爾效應相對較弱，典型的克爾電池可能需要高達30kV的電壓才能實現完全透明。 這與Pockels電池相反，Pockels電池可以在更低的電壓下工作。 克爾細胞的另一個缺點是最好的可用材料硝基苯是有毒的。 一些透明晶體也被用于克爾調制，盡管它們具有較小的克爾常數。 在缺乏反轉對稱性的媒體中，克爾效應通常被更強大的普克爾效應掩蓋。 然而，克爾效應仍然存在，并且在許多情況下可以獨立于普克爾效應貢獻來檢測。 克爾電光效應光學克爾效應光學克爾效應，或AC克爾效應是指其電場由光本身所產生的情況。這導致變異的折射率與輻射光本身的輻照度成正比。這種折射率的變化導致了的非線性光學效應的自聚焦、自相位調制以及調制不穩定性，并且是克爾透鏡鎖模的基礎。此效應僅在非常強烈的光束下才能較明顯的表現出來，比如激光。 克爾電光效應磁光克爾效應克爾電光效應克爾效應實驗克爾電光效應實驗原理各向同性的介質如玻璃，石蠟，水，硝基苯等，在強電場作用下會表現出各向異性的光學性質，表現出雙折射現象。折射率差與電場強度的平方成正比，稱為克爾效應。在兩平行平板之間加上高電壓，在電場作用下，由于分子的規律排列，這些介質就表現出象單軸晶體那樣的光學性質，光軸的方向就與電場的方向對應。當線偏振光沿著與電場垂直的方向通過介質時，分解為兩束線偏振光。一束的光矢量沿著電場方向，另一束的光矢量與電場垂直。 克爾電光效應方法1.放入克爾盒，并轉動至消光位置； 2.接通克爾盒的偏轉電源，即可觀察到屏幕上有光亮。改變兩極板之間的電壓，可以觀察到屏幕上的光強會隨之變化； 3.保持兩極板之間的電壓不變，旋轉克爾盒，同樣可以觀察到屏幕上光強變化。 克爾電光效應注意事項內盛某種液體（如硝基苯）的玻璃盒子稱為克爾盒，盒內裝有平行板電容器，加電壓后產生橫向電場?？藸柡蟹胖迷趦烧?a target="_blank" data-lemmaid="3198438" style="text-decoration: none;">偏振片之間。無電場時液體為各向同性，光不能通過P2。存在電場時液體具有了單軸晶體的性質，光軸沿電場方向，此時有光通過P2（見偏振光的干涉）。實驗表明 ，在電場作用下，主折射率之差與電場強度的平方成正比。電場改變時，通過P2的光強跟著變化，故克爾效應可用來對光波進行調制。液體在電場作用下產生極化，這是產生雙折射性的原因。電場的極化作用非常迅速，在加電場后不到10-9秒內就可完成極化過程，撤去電場后在同樣短的時間內重新變為各向同性?？藸栃倪@種迅速動作的性質可用來制造幾乎無慣性的光的開關——光閘，在高速攝影、光速測量和激光技術中獲得了重要應用。 [4]
?????????????????? 法拉第效應 本詞條由“科普中國”科學百科詞條編寫與應用工作項目 審核 。 在物理學里，法拉第效應（又叫法拉第旋轉，磁致旋光）是一種磁光效應（magneto-optic effect），是在介質內光波與磁場的一種相互作用。法拉第效應會造成偏振平面的旋轉，這旋轉與磁場朝著光波傳播方向的分量呈線性正比關系。
法拉第效應簡介磁光效應是光與具有磁矩的物質共同作用的產物。磁光效應主要有三種，即：法拉第效應、克爾效應、塞曼效應。在光學電流傳感器領域，法拉第磁光效應的應用最為廣泛。光學電流傳感器中磁光介質即磁光效應中具有磁矩的物質，是決定光學電流傳感器性能的重要器件。具有磁矩的物質可以分為五大類，而在光學電流傳感器領域，順磁性物質的應用最為廣泛。 也稱磁致旋光。在處于磁場中的均勻各向同性媒質內，線偏振光束沿磁場方向傳播時，振動面發生旋轉的現象。1845年M.法拉第發現在強磁場中的玻璃產生這種效應，以后發現其他非旋光的固、液、氣態物質都有這種效應。設磁感應強度為B,光在物質中經過的路徑長度為d，則振動面轉動的角度為 式中V稱為費爾德常數,與物質的性質、溫度以及光的頻率（波長）有關。在一定物質中不論光是沿磁場方向或逆磁場方向傳播，振動面的轉向都一樣，只由磁場方向決定。若轉向與磁場方向成右手螺旋關系,該物質的V取為正值，即ψ>0。這樣，光來回傳播同樣距離后，其振動面的轉角等于單程轉角的兩倍。這是磁致旋光與天然旋光的區別（天然旋光情形，在來回傳播同樣距離后振動面恢復原來方位）。 法拉第效應與塞曼效應有密切聯系。磁場影響物質分子（原子）中電子的運動，使無磁場時的一條吸收線對于平行于磁場方向傳播的入射光分裂為兩條，分別對應于右旋和左旋圓偏振光的吸收線，二者頻率略有不同（倒塞曼效應）；而且對于這兩種圓偏振光又有分別對應的色散曲線。最簡單情形如圖a所示(面對磁場的指向觀察)。這時,物質對任一頻率的兩種圓偏振光有不同的折射率n+（左旋）和n_（右旋），從而入射的線偏振光的振動面在傳播中發生旋轉，轉角為（圖1） 圖1圖b中畫出n_-n+的曲線?？梢钥闯?，圖中在吸收線之外ψ>0，而在吸收線之間ψ<0；在吸收線區域及其附近，ψ值很大。由于吸收線的裂距2Δω正比于B,在遠離吸收線區域n_－n+也近似正比于B，故有式(1)。天然旋光物質中發生磁致旋光現象時，應考慮上述兩種效應的疊加。鐵磁物質表現出很強的法拉第效應。這時ψ決定于物質中的磁化強度而不是外加磁場。 法拉第效應發現1845 年法拉第（Michal Faraday）發現當線偏振光（見光的偏振）在介質中傳播時，若在平行于光的傳播方向上加一強磁場，則光振動方向將發生偏轉，偏轉角度ψ與磁感應強度B和光穿越介質的長度l的乘積成正比，即ψ=VBl，比例系數V稱為費爾德常數，與介質性質及光波頻率有關。偏轉方向取決于介質性質和磁場方向。上述現象稱為法拉第效應或磁致旋光效應。法拉第效應第一次顯示了光和電磁現象之間的聯系。促進了對光本性的研究。之后費爾德（Verdet）對許多介質的磁致旋轉進行了研究，發現法拉第效應在固體、液體和氣體中都存在。大部分物質的法拉第效應很弱，摻稀土離子玻璃的費爾德常數稍大。近年來研究的YIG等晶體的費爾德常數較大，從而大大提高了實用價值。 法拉第效應實驗原理法拉第效應是磁場引起介質折射率變化而產生的旋光現象，實驗結果表明，光在磁場的作用下通過介質時，光波偏振面轉過的角度（磁致旋光角）與光在介質中通過的長度L及介質中磁感應強度在光傳播方向上的分量B成正比，即： [2] θ=VBL 式中V稱為費爾德常數，它表征物質的磁光特性。幾種材料的費爾德常數值如下表。 法拉第效應實驗裝置如圖所示。由光源產生的復合白光通過小型單色儀后可以獲得波長在360～800nm的單色光，經過起偏鏡成為單色線偏振光，然后穿過電磁鐵。電磁鐵采用直流供電，中間磁路有通光孔，保證人射光與磁場B方向一致。根據勵磁電流的大小可以求得對應的磁場值。入射光穿過樣品后從電磁鐵的另一極穿出人射到檢偏器上，透過檢偏器的光進入光電倍增管，由數顯表顯示光電流的大小，即出射光強的大小。根據出射光強最大(或最小)時檢偏器的位置讀數即可得出旋光角。檢偏器的角度位置讀數也由數顯表讀出。 由經典電子論對色散的解釋可得出介質的折射率和入射光頻率w 的關系為： 式中ω0是電子的固有頻率，磁場作用使電子固有頻率改變為（ωL±ω0）（ωL是電子軌道在外磁場中的進動頻率）。使折射率變為： 由菲涅耳的旋光理論可知，平面偏振光可看成由兩個左、右旋圓偏振迭加而成，上式中的正負號反映了這兩個圓偏振光折射率有差異，以R n 和L n 表示。它們通過長度為L的介質后產生的光程差為： 由它們合成的平面偏振光的磁致旋光角為： 通常，nR，nL，和n，相差甚微，故 將此代入上式，又因ωL?ω可略去ωL項，得： 可見括號項即為費爾德常數，表示V 值和介質在無磁場時的色散率、入射光波長等有關。由馬呂斯定律可知，平面偏振光通過磁場中的介質和檢偏器后的光強為： α為檢偏器和起偏器透光軸的夾角，θ為法拉第磁致旋光角。當α=π/4時， 若磁場變化則： 表示此時由檢偏器輸出的光強將隨產生磁場的電流i（調制電流）線性地變化，這就是光強度的磁光調制原理。在α=π/4時，dI/d= 1，即此時調制系統的信號檢測靈敏度最高，失真最小。 法拉第效應分類描述物體磁性強弱程度的一個重要物理量是磁化強度矢量M，即單位體積內各個磁疇磁矩的矢量和。磁化強度M與磁場強度H的關系表示為： M =χH式中 χ 為物體的磁化率。 按照物質磁化率 χ 的大小和符號、物質磁性來源和磁結構特性，物質磁性可分為抗磁性、順磁性、鐵磁性、反鐵磁性和亞鐵磁性五大類，下面分別簡述五大類磁性的基本特點。 ① 抗磁性 物質由原子和分子組成。自由原子的磁矩有三個主要來源：一是電子的自旋，二是電子繞原子核旋轉的軌道角動量，三是電子在外加磁場中旋轉所感生的軌道磁矩變化。第三個來源是產生抗磁性的原因，前兩個來源不同程度上對順磁性、鐵磁性、反鐵磁性和亞鐵磁性有所貢獻?？梢钥闯觯形镔|都存在第三個來源，因此抗磁性在所有物質中都存在。由于抗磁性極其微弱，故在具有其他磁性的物質中抗磁性常常被掩蓋。 抗磁性亦稱為逆磁性。電子在外磁場中運動所感生的磁矩，其方向與外磁場相反。 ② 順磁性 物質具有順磁性的必要條件是組成物質的原子、分子或離子具有固有磁矩。但這些原子（分子或離子）磁矩之間相互作用十分微弱，在熱運動的影響下，基本上處于無序排列狀態；溫度越高，排列越無序。物質磁化以后，原子（分子或離子）磁矩就有沿外磁場方向排列的趨勢，外磁場越大，排列越趨整齊。由此可見，順磁性物質的磁化強度M 與外磁場 H ，方向相同，不過僅顯示微弱的磁性。 ③ 鐵磁性 鐵磁性物質原子或離子的電子之間存在交換作用，這種相互作用十分強大，與其等效的“磁場”稱為分子場。如此大的分子場足以克服熱運動的影響，使原子（離子）磁矩相互平行排列（交換積分 A > 0）。隨著溫度的升高，熱運動漸趨劇烈，磁矩平行排列趨勢逐漸變弱， 但僅是量變過程。當溫度高于居里溫度即CT >T時，熱運動能大于交換作用能，從而導致原子（離子）磁矩混亂排列，此時鐵磁性轉變為順磁性。 鐵磁性物質是一類重要的磁性材料，其中有一些也是優良的磁光材料。 ④ 反鐵磁性 絕大多數反鐵磁性物質，如 MnO 和 NiO 等都是導電性很差的化合物，其陽離子通常為過渡族金屬離子，近鄰配位離子為陰離子。金屬離子之間距離較大，它們的電子殼層幾乎不存在交疊。因此，反鐵磁性物質的原子或離子磁矩之間存在間接交換作用，而不是如鐵磁性物質那樣的直接交換作用。這種相互作用十分強，但是反映間接交換作用大小的量——間接交換積分A <0間接，導致相鄰金屬離子磁矩之間相互反平行。相同晶格位置上的平行離子磁矩組成一個壓晶格，稱為磁亞晶格，反鐵磁性物質中一般存在兩個或兩個以上磁亞晶格。 反鐵磁性物質的相鄰磁亞晶格的磁矩之間相互反平行，因此對外并不顯示磁性。在外磁場作用下，也只能出現微弱的磁性。由反鐵磁性轉變為順磁性的磁相變點NT 稱為奈爾溫度。在 NT 處，χ最大。 ⑤ 亞鐵磁性 與反鐵磁性物質一樣，亞鐵磁性物質中具有兩個或兩個以上磁亞晶格。所不同的是，相鄰磁亞晶格的原子（離子）磁矩方向相反，但大小不等，從而存在未抵消的磁矩，因此亞鐵磁性物質中存在相當強的磁性；有許多特性，如技術磁化過程的不少特征與鐵磁性物質十分相似。 亞鐵磁性物質的磁化率 χ > 0，且很大。除鋇鐵氧體等永磁材料外，亞鐵磁性材料大多在高頻區域應用，對于χ特性的要求不同于低頻區域，有時對χ大小的要求顯得并不重要。亞鐵磁性物質的磁相變點稱為奈爾點。 ⑥ 超順磁性 隨著納米材料的誕生和發展，一種新型的磁性物質出現了，稱為“超順磁性材料”。如果磁性材料是一單疇顆粒的集合體，對于每一個顆粒而言，由于磁性原子或離子之間的交換作用很強，磁矩之間將平行取向，而且磁矩取向在由磁晶各向異性所決定的易磁化方向上，但是顆粒與顆粒之間由于易磁化方向不同，磁矩的取向也就不同。 法拉第效應應用法拉第效應可以應用于測量儀器。例如，法拉第效應被用于測量旋光度、或光波的振幅調變、或磁場的遙感。在自旋電子學里，法拉第效應被用于研究半導體內部的電子自旋的極化。法拉第旋轉器（Faraday rotator）可以用于光波的調幅，是光隔離器與光循環器（optical circulator）的基礎組件，在光通訊與其它激光領域必備組件。具體應用如下： （1） 量糖計（自然旋光） （2） 磁光開關與磁光調制器（點調制與空間調制） （3） 磁光光盤：光信息存儲 （4） 磁光電流傳感器（或互感器）：測量大電流 （5） 磁光隔離器：在光通信和級聯式激光器系統中用以隔離后續系統反饋的光信號 （6） 磁光偏頻器：零鎖區激光陀螺中通過產生偏頻來消除激光陀螺的閉鎖現象 法拉第效應可用于混合碳水化合物成分分析和分子結構研究。在激光技術中這一效應被利用來制作光隔離器和紅外調制器。該效應可用來分析碳氫化合物，因每種碳氫化合物有各自的磁致旋光特性；在光譜研究中，可借以得到關于激發能級的有關知識；在激光技術中可用來隔離反射光，也可作為調制光波的手段。 因為磁場下電子的運動總附加有右旋的拉穆爾進動，當光的傳播方向相反時，偏振面旋轉角方向不倒轉，所以法拉第效應是非互易效應。這種非互易的本質在微波和光的通信中是很重要的。許多微波、光的隔離器、環行器、開關就是用旋轉角大的磁性材料制作的。
?????????????????? 法拉第磁光效應
目錄1 定義 法拉第磁光效應定義?????????????????? 磁-光效應 本詞條由“科普中國”科學百科詞條編寫與應用工作項目 審核 。
目錄磁-光效應背景及簡介磁光效應 [1] 是指處于磁化狀態的物質與光之間發生相互作用而引起的各種光學現象。包括法拉第效應、克爾磁光效應、塞曼效應和科頓-穆頓效應等。這些效應均起源于物質的磁化，反映了光與物質磁性間的聯系。 光與磁場中的物質，或光與具有自發磁化強度的物質之間相互作用所產生的各種現象，主要包括法拉第效應、科頓-穆頓效應、克爾磁光效應、塞曼效應和光磁效應，其中最為人所熟知的是磁光法拉第效應， 它指的是一束線偏振光通過某種透明介質時，透射光的偏振化方向與入射光的偏振化方向相比，轉過了一個角度，通常把這個角度叫做法拉第轉角.。 磁光存儲技術是建立在磁光效應基礎上的，與磁光存儲技術直接相關的是磁光克爾效應。磁光信息記錄在介質上以后，主要是利用磁光克爾效應讀出信息。磁光克爾效應指的是一束線偏振光在磁化了的介質表面反射時，反射光將是橢圓偏振光，而以橢圓的長軸為標志的“ 偏振面” 相對于入射偏振光的偏振面旋轉了一定的角度。這個角度通常被稱為磁光克爾轉角。 磁-光效應法拉第效應線偏振光透過放置磁場中的物質，沿著磁場方向傳播時，光的偏振面發生旋轉的現象。也稱法拉第旋轉或磁圓雙折射效應,簡記為MCB。一般材料中，法拉第旋轉（用旋轉角θF表示）和樣品長度l、磁感應強度B有以下關系 θF=VlB, V是與物質性質、光的頻率有關的常數,稱為費爾德常數。 因為磁場下電子的運動總附加有右旋的拉莫爾進動，當光的傳播方向相反時，偏振面旋轉角方向不倒轉，所以法拉第效應是非互易效應。這種非互易的本質在微波和光的通信中是很重要的。許多微波、光的隔離器、環行器、開關就是用旋轉角大的磁性材料制作的。利用法拉第效應，還可實現光的顯示、調制等許多重要應用。 磁-光效應克爾磁光效應線偏振光入射到磁化媒質表面反射出去時，偏振面發生旋轉的現象。也叫克爾磁光效應或克爾磁光旋轉。這是繼法拉第效應發現后，英國科學家J.克爾于1876年發現的第二個重要的磁光效應。 按磁化強度和入射面的相對取向，克爾磁光效應包括三種情況：
在磁光存儲技術中主要應用的是極向克爾效應。 法拉第效應和克爾效應示意圖極向和縱向克爾磁光旋轉都正比于樣品的磁化強度。通常極向克爾旋轉最大、縱向次之。偏振面旋轉的方向與磁化強度方向有關。橫向克爾磁光效應中實際上沒有偏振面的旋轉，只是反射率有微小的變化，變化量也正比于樣品的磁化強度。1898年P.塞曼等人證實了橫向克爾磁光效應的存在。克爾磁光效應的物理基礎和理論處理與法拉第效應的相同，只是前者發生在物質表面，后者發生在物質體內；前者出現于僅在有自發磁化的物質（鐵磁、亞鐵磁材料）中，后者在一般順磁介質中也可觀察到。它們都與介電張量非對角組元的實部、虛部有關。 磁-光效應塞曼效應塞曼效應是荷蘭物理學家塞曼在 1896 年發現的。他發現，發光體放在磁場中時，光譜線發生分裂的現象。是由于外磁場對電子的軌道磁矩和自旋磁矩的作用，或使能級分裂才產生的。其中譜線分裂為2條(順磁場方向觀察)或3條（垂直于磁場方向觀察）的叫正常塞曼效應；3條以上的叫反常塞曼效應（見塞曼效應）。 塞曼效應證實了原子磁矩的空間量子化，為研究原子結構提供了重要途徑。塞曼效應也可以用來測量天體的磁場。1908 年美國天文學家海爾等人利用塞曼效應，首次測量到了太陽黑子的磁場。 磁-光效應磁光效應當左、右旋圓偏振光在置于磁場中的媒質內傳播而有不同的吸收系數時，入射的線偏振光傳播一段距離后會變為橢圓偏振光，這個效應叫法拉第橢圓度效應或磁圓二向色性效應,簡記為MCD。法拉第橢圓度和法拉第旋轉均由媒質的介電張量非對角組元的實部和虛部決定。 磁-光效應科頓－穆頓效應又稱磁雙折射效應，簡記為MLB?？祁D－穆頓效應是 1907 年科頓和穆頓發現的。。佛克脫在氣體中也發現了同樣效應，稱佛克脫效應，它比前者要弱得多。當光的傳播方向與磁場垂直時，平行于磁場方向的線偏振光的相速不同于垂直于磁場方向的線偏振光的相速而產生的雙折射現象。其相位差正比于兩種線偏振光的折射率之差，同磁場強度大小的二次方成正比 當光的傳播方向與外磁場方向垂直時，媒質對偏振方向不同的兩種光的吸收系數也可不同。這就是磁的線偏振光的二向色性，稱磁線二向色性效應，簡記為MLD。 MCD、MLB、MLD的物理起因、宏觀表述及量子力學處理都與法拉第效應類同(實際上可同時完成)。MLB和MLD通常比MCB和MCD要弱得多，但它們與磁場強度（磁化強度）的二次方成正比。因此對這些效應的測量除能得到物質中能級結構的信息外，還能用于微弱磁性變化（單原子層的磁性）的研究。 磁-光效應磁光效應克爾磁光效應的最重要應用就是觀察鐵磁材料中難以捉摸的磁疇。因不同磁疇區的磁化強度的不同取向使入射偏振光產生方向、大小不同的偏振面旋轉，再經過檢偏器后就出現了與磁疇相應的明暗不同的區域。利用現代技術,不但可進行靜態觀察,還可進行動態研究。這些都導致一些重要發現和關于磁疇、磁學參數的有效測量。 磁-光效應光磁效應光照射物質后,物質磁性（如磁化率、磁晶各向異性、磁滯回線等）發生變化的現象。早在1931年就有光照引起磁化率變化的報道，但直到1967年R.W.蒂爾等人在摻硅的釔鐵石榴石 (YIG)中發現紅外光照射引起磁晶各向異性變化之后才引起人們的重視。這些效應多與非三價離子的代換有關，這種代換使亞鐵磁材料中出現了二價鐵離子，光照使電子在二、三價鐵離子間轉移，從而引起磁性的變化。因此，光磁效應是光感生的磁性變化，也稱光感效應。當然這只是一種機制，其他機制的光磁效應在光存儲、光檢測、光控器件方面的應用還在研究之中。 磁-光效應磁光效應的應用雖然法拉第早在 1845 年就發現了磁光效應，但在其后相當長的時間內并未獲得實質性的應用，只是不斷在發現新的磁光效應和建立初步的磁光理論。直到 1956 年，貝爾實驗室②③在偏光顯微鏡下，應用透射光觀察到釔鐵石榴 單晶材料中的磁疇結構，才使得磁光效應的研究向應用領域發展 [2] 。特別是上世紀60年代，由于激光的誕生及光電子技術的開發，對物質的磁性和磁光性能的研究才走上快速發展道路。 磁-光效應磁光隔離器隨著光纖通信、光信息處理和磁光記錄等技術的高速發展，光源的穩定性和魯棒性就顯得至關重要。各種反射光都會嚴重干擾光源的正常輸出，從而影響了整個系統的正常工作。磁光隔離器通過防止反向傳輸的干擾光對光源的影響，提高系統的工作穩定性，實現正向通過，反向隔離的目的。 磁-光效應磁光調制器磁光調制器是利用偏振光，通過磁光介質，透射光的偏振面發生旋轉來對光束進行調制的一種工具。磁光調制器可用作紅外檢測器的斬波器，紅外輻射高溫計、高靈敏度偏振計等。磁光調制器的工作原理是將電信號先轉換成與之對應的交變磁場，再由磁光效應改變在介質中傳輸的光波的偏振態，從而達到改變光強等參的目的。 磁-光效應磁光傳感器光纖電流傳感器具有很好的絕緣性和抗干擾能力以及較高的測量精度，容易小型化。磁光效應傳感器就是利用激光技術發展而成的高性能傳感器。光纖電流傳感器是根據法拉第效應原理，當一束線偏振光通過置于磁場中的磁光材料時，光的偏振方向發生改變來實現傳感器的功能。磁光效應傳感器作為一種特定用途的傳感器，能夠在特定的環境中發揮自己的功能，也是一種非常重要的工業傳感器。 磁-光效應磁光環行器隨著光纖通信技術在通信領域的應用，具有光的非互易性和自光行進方向耦合端循環的磁光環行器被廣泛應用于光纖通信技術中。利用環行器可在一根光纖內傳輸兩個不同方向的信號，從而大大減小了系統的體積和成本。 磁-光效應磁光存儲記錄磁光記錄是近年來發展起來的高新技術，是存儲技術的一大飛躍發展。磁光記錄是目前最先進的信息存儲技術，它兼有磁記錄和光記錄兩者的優點，磁光記錄兼有光記錄的大容量和磁記錄的可重寫性。磁光記錄利用磁光克爾效應對記錄信號進行讀出。 磁光存儲記錄磁-光效應總結與展望隨著時代的進步、科學技術的發展，對磁光特性的研究必將日益深入，新的磁光材料 [3] 也會不斷被發現，隨著計算機科學技術的迅速發展, 磁存儲技術獲得巨大進步 , 無論是材料還是技術均日漸成熟，同時越來越多軟件的開發, 對信息存儲設備提出 更高記錄密度、更大存儲容量、體積小、成本低的新要求.磁光學必將獲得更大的發展，磁光材料、器件和測量技術將會展現出更廣闊的應用空間。
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磁光克爾效應發現歷程在1845年，Michael Faraday首先發現了磁光效應，他發現當外加磁場加在玻璃樣品上時，透射光的偏振面將發生旋轉的效應，隨后他在外加磁場之金屬 表面上做光反射的實驗，但由于他所謂的表面并不夠平整，因而實驗結果不 能使人信服。1877年John Kerr在觀察偏振化光從拋光過的電磁鐵磁極反射出來時，發現了磁光克爾效應(magneto-optic Kerr effect)。1985年Moog和 Bader兩位學者進行鐵超薄膜磊晶成長在金單晶(100)面上的磁光克爾效應做了大量實驗，成功地得到一原子層厚度磁性物質之磁滯回線，并且提出了以SMOKE(surface magneto-optic Kerr effect的縮寫)來作為表面磁光克爾效應，用以表示應用磁光克爾效應在表面磁學上的研究。由于此方法致磁性解析靈敏度達一原子層厚度，且儀器配置合于超高真空系統之工作，因而成為表面磁學的重要研究方法。 表面磁光克爾效應實驗系統是表面磁性研究中的一種重要手段，它在磁性超薄膜的磁有序、磁各向異性、層間耦合和磁性超薄膜的相變行為等方面的研究中都有重要應用。應用該系統可以自動掃描磁性樣品的磁滯回線，從而獲 得薄膜樣品矯頑力、磁各異性等方面的信息。 磁光信息存儲是近年發展起來的新技術，是對傳統信息存儲技術的革新。開發更多、性能更加優越，而且實用的磁光介質材料是當前信息存儲領域的一項重要的任務。測量磁光介質的克爾轉角則是研究這些材料的基本手段和方法。對于非開發人員來講，測量磁光克爾轉角的實驗一方面能夠提高進行物理綜合實驗的能力，另一方面對信息存儲的新技術將有更加深刻的理解，能啟發他們利用物理原理在信息存儲技術等領域提出新的設想，做出新的貢獻。 [1] 磁光克爾效應效應原理當一束單色線偏振光照射在磁光介質薄膜表面時，部分光線將發生透射，透射光線的偏振面與入射光的偏振面相比有一轉角，這個轉角被叫做磁光法拉第轉角( 磁光克爾效應包括三種情況： (1)縱向克爾效應，即磁化強度既平行于介質表面又平行于光線的入射面時的克爾效應；克爾信號的強度隨入射角的減小而減小，垂直入射時為0?？v向克爾信號中克爾旋轉角和克爾橢偏率都比極向克爾信號小一個數量級。從而縱向克爾信號的探測比極向難。但對于薄膜樣品來說，易磁軸一般平行于樣品表面，縱向配置下樣品的磁化強度才容易達到飽和，因此縱向克爾效應對平面內的磁化相當敏感。 (2)極向克爾效應，即磁化強度與介質表面垂直時發生的克爾效應；通常情況下極向克爾效應的強度隨入射角的減小而增大，在垂直入射時達到最大。并且克爾旋轉角最大最明顯。 (3)橫向克爾效應，即磁化強度與介質表面平行時發生的克爾效應；其反射光的偏振狀態沒有變化，因為這種配置下光電場與磁化強度矢積的方向永遠沒有與光傳播方向相垂直的分量。只有p偏振光（偏振方向平行于入射面）入射時才有一個很小的反射率的變化（一般來講只造成長度的跳變，不會造成極化平面的旋轉）。 [2] 對于已經寫入了信息的磁光介質，要讀出所寫的信息則需要利用磁光克爾效應來進行。具體方法是：將一束單色偏振光聚焦后照射在介質表面上的某點，通過檢測該點處磁疇的磁化方向來辨別信息的“0”或“1”。例如，被照射的點為正向磁化，則在該點的反射光磁光克爾轉角應為 線偏振光經磁光介質薄膜反射時偏振面發生旋轉磁光克爾效應測量裝置測量系統由以下5部分組成： (1)光學減震平臺。 (2)光路系統，包括輸入光路與接收光路。激光器用普通半導體激光器，起偏和檢偏棱鏡都用格蘭一湯普遜棱鏡，光電檢測裝置由孔狀可調光闌、干涉濾色片和硅光電池組成。格蘭一湯普遜棱鏡的機械調節結構由角度粗調和螺旋測角組成，測微頭的線位移轉變為棱鏡轉動的角位移。測微頭分度值為0.01 mm，轉盤分度值為1，通過測微頭線位移的角位移定標可知其測量精度在2 左右。 (3)勵磁電源主機和可程控電磁鐵。勵磁電源主機可選擇磁場自動和手動掃描。 (4)前級放大器和直流電源組合裝置。a)將光電檢測裝置接收到的克爾信號作前級放大，并送入信號檢測主機中。b)將霍耳傳感器探測到的磁場強度信號作前級放大并送入檢測裝置。c)為激光器提供精密穩壓電源。 (5)信號檢測主機。將前置放大器傳來的克爾信號及磁場強度信號進行二級放大，分別經A/D轉換后送計算機處理，同時用數字電壓表顯示克爾信號及磁場強度信號的大小。D/A提供周期為20 s、40 s、80 S準三角波，作為勵磁電流自動掃描信號。 [3] 磁光克爾測量系統簡圖磁光克爾效應應用前景磁光克爾法是測量材料特性特別是薄膜材料物性的一種有效方法，表面磁光克爾效應作為表面磁學的重要實驗手段，已被廣泛應用于磁有序、磁各向異性、多層膜中的層間耦合以及磁性超薄膜間的相變行為等問題的研究。
?????????????????? ?????????????????? 光的干涉
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時間 | 大事 | 發現人 |
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公元前七世紀 | 發現磁石 | 管子(中國), Thales(泰勒斯、古希臘) |
公元前二世紀 | 靜電吸引 | 西漢初年不詳 |
1600年 | 《地磁論》論述磁并導入“電的”（electric） | William Gilbert(吉爾伯特) 英國女王御臣 |
1745年 | 萊頓瓶，電容器的原形，存貯電 | Pieter van musschenbrock(穆欣布羅克，荷蘭萊頓) Ewald Georg Von Kleit(克萊斯特，德國) |
1747年 | 電荷守恒定律 （正、負電的引入） | Benjamim Franktin (富蘭克林，美國) |
1754年 | 避雷針 （電的實際應用） | Procopius Dirisch (狄維施) |
1785年 | 庫侖定律 電磁學進入科學行列 | Charles Auguste de Coulom (庫侖，法國) |
1799年 | 發明電池 提供較長時間的電流 | Alessandro Graf Volta (伏打，意大利) |
1820年 | 電流的磁效應 （電產生磁） 安培分子電流說 畢奧-薩伐爾定律 | Hans Chanstian Oersted(奧斯特丹麥) Andre Marie Ampere(安培，法國) Jean-Baptute Biot, Felix Savart(畢奧，薩伐爾) |
1826年 | 歐姆定律 | Georg Simon ohm(歐姆) |
1831年 | 電磁感應現象 （磁產生電） | Michael Faraday (法拉第，英國) |
1834年 | 楞次定律 | 楞次 |
1865年 | 麥克斯韋方程組 建立了電磁學理論， 預言了電磁波 | Maxwell(麥克斯韋) |
1888年 | 實驗證實電磁波存在 | Heinrich Hertz (赫茲，德國) |
1896年 | 光速公式 | Hendrik Anoen Lorentz (洛侖茲) |
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