什么是法拉第效应？ - 知乎

　　法拉第效应描述了这种现象：“如果在与光的传播方向平行的方向上向介质施加磁场，则会发生光的偏振方向的旋转。”如下图所示。

　　法拉第效应或法拉第旋转的本质是它显示了介质中光与磁场之间的相互作用。法拉第在1845年发现：光束在透明介质中传播方向上的磁场会产生圆双折射效应。因此，他首次建立了光学与电磁学之间的直接联系（他长期以来一直怀疑存在这种联系，并为此寻找了很多年。）

　　然而，经过半个世纪之后，才根据麦克斯韦的电磁光理论（在1860年代发展起来）和19世纪在电化学和电子学的影响下发展起来的电荷原子性概念来阐述法拉第效应。汤姆森（Thomson）在1897年对电子的发现证实了这一点。

　　拉第效应的观察法设置

　　在这种设置中，建立磁场使磁力线沿着光束传播的方向。线性偏振器允许一种偏振的光进入单元。第二个线性偏振器用于分析结果。

　　磁场H在路径长度L上的旋转幅度由下式给出：

　　其中V是一个称为Verdet常数的常数：V是任何给定材料的常数，但与波长和温度有关。

　　因此，如果H在光路上恒定，则可以得到：

　　我们可以对法拉第效应进行定性解释，看看下面的图片。

　　当将磁场施加到介质上时，介质中的电子发现绕磁场在一个方向上的旋转比在另一方向上的旋转更容易。

　　洛伦兹力作用在磁场中的移动电荷上，并且在电子环绕磁场时会径向作用在电子上。力将在一个旋转方向上向外，而在另一个旋转方向上向内。随之而来的电子位移将导致两个不同的旋转半径，从而导致两个不同的旋转频率。和介电常数（ε）。因此，该场将导致两个不同的折射率，从而导致圆双折射。

　　在“Easy”方向上圆偏振的光比在“Difficult”方向上圆偏振的光传播更快，从而产生了观察到的效果。

　　法拉第效应的非互易性

　　非互易性是指线性偏振光在空间中始终沿相同的绝对方向旋转，而与光的传播方向无关。

　　当传播方向与磁场平行时，正的Verdet常数对应于L旋转（逆时针），而当传播方向与磁场平行时，则对应于R旋转（顺时针）。因此，如果一束光线穿过一种材料并反射回该材料，则旋转会翻倍。

　　下图可以很好地说明了这一点。

　　这是因为在法拉第磁光效应中，旋转总是相对于磁场在相同方向上发生（而不是传播方向），因为这决定了容易的方向和困难的方向。

　　因此，一直沿光传播方向观察的观察者将看到不同的旋转方向，因为在一种情况下，他是沿着野外观察，而在另一种情况下是在野外观察。

　　与电光效应不同，对于任何输入偏振角，磁光效应都会使偏振面真正旋转。在简单的电光设备中，仅可以旋转90°。所有其他中间电压与线性输入状态会产生不同程度的椭圆极化状态。但是，法拉第旋转器将真正使输入极化平面旋转任何角度（前提是可以提供足够强的磁场！

　　光学晶体偏振旋转的互易性

　　由光学活性晶体（例如波片）引起的偏振旋转是相互的。如果偏振方向在向前通过（如固定观察者所见）时从右向左旋转（例如），它将在向后通过（由同一观察者观察）中从左至右旋转。

　　这样，通过光学活性晶体的光向后反射将导致光的最终旋转为零，这两个旋转已被抵消。如下图所示。

　　这是因为此处发生的偏振旋转是晶体结构中的纵向螺旋（表示为螺旋）的结果。因此，跟随螺旋在向前方向上的旋向性的旋转将与螺旋向后方向相反。

　　磁性圆双折射-BECQUEREL的法拉第效应理论

　　早期建立的实验表明，法拉第旋转角φ与D（材料长度）和磁场B的乘积成正比。

　　Φ= VDB

　　其中V是称为Verdet常数的比例因子。但是，我们如何从光，磁和物质的基本物理学计算出值V

　　H. Becquerel于1897年采取了从电磁理论和物质的原子结构方面理解法拉第效应的第一步。贝克勒尔的理论是基于当时新发现的电子的概念，但不包括普朗克在1900年提出的量子能态的概念或爱因斯坦在1905年提出的光量子的概念。

　　质量为m且电荷为q的粒子固定在弹簧的末端，弹簧常数k固定在x轴上。光的传播方向和B场平行于x轴；E场垂直于x轴并在yz平面中旋转。

　　H.Becquerel推导的Verdet常数的公式如下：

　　其中λ=2πc/ω是光的真空波长，m是质量，q是电荷

　　即使贝克勒尔理论没有使用量子原理，但它为初步了解法拉第效应提供了一个简单的概念框架，并给出了与测量值非常接近的维尔德常数的定量预测。大多数材料的维尔德常数非常小，并且与波长有关。在那些含有顺磁性离子的物质中，效果很强。

　　虽然法拉第效应本身不是彩色的（与波长有关），但Verdet常数本身是波长的函数。据报道，在632.8nm处，TGG的verdet常数为-134 radT-1m-1，而在1064nm处，它已经下降到-40radT-1m-1。这种行为意味着，在一个波长上旋转一定程度的器件，在较长波长下产生的旋转会小得多。

　　法拉第效应的应用

　　法拉第旋转器最常见的应用是与输入和输出偏振器耦合以形成隔离器。

　　法拉第转子与石英旋转板的区别在于其关键特性是该效果是单向的。当光束沿一个方向传播时，该装置可使光束的偏振轴沿顺时针方向旋转45°，对于沿相反方向返回的光束，则不会反向，对于反向光束会产生45°的附加旋转光束。这将与输入偏振轴成90°。如下图所示：

　　在所示的隔离器形式中，不使用被拒绝的光束，而是将其简单地丢弃（在大多数应用中，不必使用带有侧面出射面的偏振器，被拒绝的光束的散射就足够了）。例如，当仅需要抑制背向反射的辐射时，这将是合适的。但是，可以通过添加一些额外的组件来利用这些光束来形成光环行器。

　　法拉第隔离器最常见的用途是防止激光振荡器受到来自后续光学器件的强烈背向反射的损坏，特别是来自某些类型的放大器，在这些放大器中，背反射可能会显著增强。它们也有助于防止不必要的反馈通过模拉降低线窄单频源的稳定性。