微聚焦磁光科爾效應儀

1、微聚焦磁光克爾效應儀微聚焦磁光克爾效應儀 背景知識背景知識實驗原理實驗原理儀器簡介儀器簡介實驗內容實驗內容目錄目錄一、背景知識一、背景知識光偏振狀態(tài)的描述光偏振狀態(tài)的描述光是電磁波。光是電磁波。 橫波橫波 偏振性，偏振性，光矢量與光的傳播方向垂直光矢量與光的傳播方向垂直偏振態(tài)：偏振態(tài)：光矢量在垂直于傳播方光矢量在垂直于傳播方向的平面內可能存在的各種不同向的平面內可能存在的各種不同的振動狀態(tài)的振動狀態(tài) 光的偏振態(tài)分類：光的偏振態(tài)分類： 完全偏振完全偏振（線偏振、圓偏振、橢圓偏振）（線偏振、圓偏振、橢圓偏振） 非偏振非偏振 (自然光自然光) 部分偏振部分偏振 兩個頻率相同、振動方向互相兩個頻率相同

2、、振動方向互相垂直的簡諧波的疊加垂直的簡諧波的疊加yExEEyx Ex ( z,t ) 和和 Ey ( z,t ) 之間無必然聯(lián)系。之間無必然聯(lián)系。yx, x, y方向的單位矢量方向的單位矢量(任一偏振態(tài)可分任一偏振態(tài)可分解為兩個正交的解為兩個正交的線偏振態(tài)線偏振態(tài) )：振動面振動面: 包含光包含光矢量與傳播矢矢量與傳播矢量的平面量的平面. ),(tzEHkzx y沿沿 z方向傳播的單色平面波方向傳播的單色平面波)cos(),(xxxkztAtzE )cos(),(yyykztAtzE xyxyAAr , 和和 r 二參量決定偏振狀態(tài)。二參量決定偏振狀態(tài)。正交振動的合成正交振動的合成 2222

3、2sincos2 yxyxyyxxAAEEAEAExEyExyq qE合成光波的光矢量合成光波的光矢量末端軌跡方程：末端軌跡方程： 兩光波的瞬時光矢量大?。簝晒獠ǖ乃矔r光矢量大小： 方程的意義：方程的意義：描述了一個橢圓，該描述了一個橢圓，該橢圓與以橢圓與以Ex=Ax和和Ey=Ay為界的矩形框內切，其旋轉方向及長短軸為界的矩形框內切，其旋轉方向及長短軸的方位與兩疊加光波的相位差的方位與兩疊加光波的相位差 有關有關。 22222sincos2 yxyxyyxxAAEEAEAEAyAxq qyxyxAAAA22cos22tan 一一. 三種三種 (完全完全)偏振態(tài)偏振態(tài)(a) 線偏振：線偏振： =

4、0 或或 Linear Polarization rAAEExyxy AxAyx yO橢圓蛻變?yōu)橹本€，表明橢圓蛻變?yōu)橹本€，表明合振動仍為平面偏振光。合振動仍為平面偏振光。 光強度光強度:yxyxIIAAEI 222合成波的振幅合成波的振幅:22yxAAE xyAA q qtanAxAyx yOq q特點：特點：光振動限于某一光振動限于某一確定的平面內確定的平面內，光矢量，光矢量在垂直于傳播方向的平在垂直于傳播方向的平面內的投影為一直線。面內的投影為一直線。 Linear light(b) 圓偏振圓偏振:)(12xyAAr 即即且且 222AEEyx E 矢端畫圓矢端畫圓 光學慣例光學慣例 ：對

5、著對著 z 軸看軸看(看光源看光源) ：EEx yOx yOAAAA2 2 右旋右旋 ，左旋左旋 ，順時針順時針逆時針逆時針 z特點：特點：偏振面相對于傳播方向隨時間以圓頻率偏振面相對于傳播方向隨時間以圓頻率 旋轉，且光矢量末端的軌跡位于一個圓上。旋轉，且光矢量末端的軌跡位于一個圓上。 )tan(tanxkzt q q Right-circularly polarized lightRight-circularly polarized light由于空間傳播的原因，光矢量末端的軌由于空間傳播的原因，光矢量末端的軌跡實際上呈跡實際上呈圓形螺旋圓形螺旋狀，只是在垂直于狀，只是在垂直于傳播方向的平面

6、上的投影構成一個圓。傳播方向的平面上的投影構成一個圓。 這種這種“ 左、右旋左、右旋”的的叫法只用于光學。在討叫法只用于光學。在討論基本粒子或微波技術論基本粒子或微波技術時是按手征來說，與這時是按手征來說，與這里的叫法相反。里的叫法相反。(c) 橢圓偏振橢圓偏振: 有固定值，且前述情形除外。有固定值，且前述情形除外。 橢圓偏振橢圓偏振 是一般情形，在特殊條件下退化為是一般情形，在特殊條件下退化為線偏振、圓偏振。線偏振、圓偏振。 0 ，左旋。，左旋。 E 的矢端劃橢圓的矢端劃橢圓 ：0 ，右旋，右旋 ; , 00,0 ；即：即：yxAA2 但但或雖或雖，并且并且yxyxAAAA y yx z傳播

7、方向傳播方向 /2x某時刻右旋圓偏振光某時刻右旋圓偏振光E隨隨 z 的變化的變化E 0二二 . 非偏振光非偏振光 ( 自然光自然光 ) 實際的單色點光源仍是大量原子在發(fā)光。經典理實際的單色點光源仍是大量原子在發(fā)光。經典理論認為，一個原子一次發(fā)光的波列可看作線偏振論認為，一個原子一次發(fā)光的波列可看作線偏振的的 ( 持續(xù)時間持續(xù)時間 108 秒秒 )，但大量波列的振動方，但大量波列的振動方向是雜亂分布的，沒有向是雜亂分布的，沒有“ 優(yōu)勢方向優(yōu)勢方向”。這些波。這些波列的總合光波就是普通光源發(fā)出的列的總合光波就是普通光源發(fā)出的“ 自然光自然光”。一種表示法一種表示法 ：同時有各方向的線同時有各方向的

8、線偏振光，互不相干，偏振光，互不相干，混合在一起?；旌显谝黄稹Ａ硪环N表示法另一種表示法 ：任一時刻任一時刻 t，總有合矢量總有合矢量 E(t)，其大小和初相都隨其大小和初相都隨 t 而迅變，各方向機會均等。而迅變，各方向機會均等。 非偏振光非偏振光 的常用數學表示的常用數學表示 。分為兩個正交分量。對任意取定的分為兩個正交分量。對任意取定的 x , y ，有，有且且相位差相位差 隨機迅變隨機迅變，即兩分，即兩分量是量是 完全不相關的完全不相關的。22yxAA ，2IIIyx AxAyxyyxyxIIAAI 22 注意區(qū)別注意區(qū)別 ：偏振光偏振光( (例如線偏例如線偏) )也可沿兩個相互垂直的方

9、向分解，也可沿兩個相互垂直的方向分解，E yx AxAy sincosEEEEyx ，但是但是yxIII 總有總有不過一般情況下不過一般情況下yxII 且二者有確定的相位差且二者有確定的相位差 ，即，即兩分量是兩分量是完全完全相關的相關的 。三三 . 部分偏振光部分偏振光 ( 介于完全偏振光和非偏振光之間介于完全偏振光和非偏振光之間 )特點：特點：光振動強度沿兩個正交方向的時間平均值不光振動強度沿兩個正交方向的時間平均值不相等，并且在某一方向取極大值相等，并且在某一方向取極大值Imax時，其正交方時，其正交方向正好取極小值向正好取極小值Imin 部分線偏振光的三種模型：部分線偏振光的三種模型：

10、線圓模型、橢圓模型、線圓模型、橢圓模型、正交模型正交模型說明：說明：自然光是部分偏振光的自然光是部分偏振光的特殊表現形式特殊表現形式。 構成橢圓偏振光的兩個正交振動有恒定的構成橢圓偏振光的兩個正交振動有恒定的相位差。相位差。 構成部分偏振光的兩正交振動的相位卻各構成部分偏振光的兩正交振動的相位卻各自隨機變化。自隨機變化。 偏自偏總偏IIIIIP 偏振度偏振度純偏，純偏，P = 1 ; 自然光，自然光，P = 0 ; 部分偏，部分偏，0 P 1I總總 I自自 + I偏偏minmaxminmaxIIIIP 偏振度偏振度產生偏振光的常見方法產生偏振光的常見方法 馬呂斯定律馬呂斯定律 一一. . 二向

11、色性晶體二向色性晶體 偏振片偏振片 馬呂斯定律馬呂斯定律各種起偏器的工作原理，都要各種起偏器的工作原理，都要利用某種光學的不對稱性。利用某種光學的不對稱性。x yzz線柵起偏器線柵起偏器 入射入射電磁波電磁波從自然光獲得偏振光叫做從自然光獲得偏振光叫做 起偏起偏。導線柵導線柵光學光學“ 線柵線柵”，1960，2160 條條/mm 的光柵，近的光柵，近于掠射噴金蒸氣。于掠射噴金蒸氣。自然光通過線柵后變?yōu)榫€偏振光自然光通過線柵后變?yōu)榫€偏振光非偏振光非偏振光線偏振光線偏振光光軸光軸電氣石晶片電氣石晶片二向色性晶體二向色性晶體例如，電氣石例如，電氣石 ( 硅酸硼化物硅酸硼化物 ) 如如 Na Fe3

12、B3 Al6 Si6 O27 (OH)4 垂直于光軸的電場分量被強烈吸收。垂直于光軸的電場分量被強烈吸收。 “ 二向色性二向色性”人造偏振片人造偏振片1928，E. H. Land (19歲歲)，看書，發(fā)明，看書，發(fā)明，微晶型：硫酸碘奎寧微晶型：硫酸碘奎寧 晶體粉末晶體粉末19381938，分子型：聚乙烯醇，拉伸，浸碘。，分子型：聚乙烯醇，拉伸，浸碘。馬呂斯定律：馬呂斯定律：, 211EI 212cosII 1max220III ， 022 I， 馬呂斯定律（馬呂斯定律（E. L. MalusE. L. Malus） 消光消光 221222cos EEI 線偏振光線偏振光 IP偏振化方向偏振化

13、方向 (透振方向透振方向) 自然光自然光 I0 021II （理想）（理想） P線偏振光線偏振光1I線偏振光線偏振光2IP 1E cos12EE （全透全透）起偏起偏 ：消光比消光比0I021I圖解圖解:自然光自然光線偏振光線偏振光偏振片偏振片偏振片透光軸方向偏振片透光軸方向入射光入射光出射光出射光光強光強光強光強馬呂斯定律：馬呂斯定律：自然光自然光線偏振光線偏振光q q22cosII q qcos2EE 0I偏振片偏振片偏振片偏振片線偏振光線偏振光光電探測器光電探測器021II I2I 消光消光When Polaroid sun-glasses are uncrossed, the tran

14、smitted light is dimmed due to the extra thickness of tinted plastic. However, when they are crossed, the transmitted light is reduced to zero because of the effects of polarization.A crossed polarizer and analyzer偏振片偏振片偏振片偏振片偏振片偏振片0I1I2I3I自然光自然光線偏振光線偏振光線偏振光線偏振光連續(xù)應用馬連續(xù)應用馬呂斯定律：呂斯定律：q qq q2213sincosII

15、 0121II 線偏振光線偏振光 檢偏：檢偏： 用偏振器件分析、檢驗光的偏振狀態(tài)用偏振器件分析、檢驗光的偏振狀態(tài) 。I?P待檢光待檢光思考：思考：旋轉偏振片（以光束為軸）旋轉偏振片（以光束為軸） I 不變不變 ？是什么光？是什么光 I 變，有消光變，有消光 ？是什么光？是什么光 I 變，但無消光變，但無消光 ？是什么光？是什么光例如例如起偏器也可以用作檢偏器。起偏器也可以用作檢偏器。二二. . 反射光和折射光的偏振反射光和折射光的偏振 當入射角為某個特殊的角度當入射角為某個特殊的角度 時，反射光是線偏振時，反射光是線偏振光，其電矢量垂直于入射面光，其電矢量垂直于入射面。這個特殊入射角。這個特殊

16、入射角 稱稱為為布儒斯特角（布儒斯特角（Brewster angle），或起偏振角。，或起偏振角。BiBi自然光反射和折射自然光反射和折射后產生部分偏振光后產生部分偏振光i1n1n2 i1i2起偏振角起偏振角線偏振光線偏振光i2n1n2iBiB自然光入射到各向同性電介質的分界面上，反自然光入射到各向同性電介質的分界面上，反射光和折射光一般都是部分偏振光。射光和折射光一般都是部分偏振光。iB + i2 = 90 實驗和光的電磁理論都可得：實驗和光的電磁理論都可得：iii自然光自然光線偏振光線偏振光由由 BBininincossinsin2221 布儒斯特定律布儒斯特定律 有有2112tgnnni

17、B 玻璃片堆起偏和檢偏玻璃片堆起偏和檢偏iB(接近線偏振光接近線偏振光) iB + i2 = 90 sp自然光自然光偏振分束器偏振分束器反射鏡反射鏡布儒斯特窗布儒斯特窗帶布儒斯特窗的激光諧振腔帶布儒斯特窗的激光諧振腔四四. . 利用晶體的雙折射利用晶體的雙折射 雙折射現象雙折射現象: :n1n2i1(各向異各向異性介質性介質 )自然光自然光roo光光e光光re尋常光和非尋常光尋常光和非尋常光: :o o 光光 : : 遵從折射定遵從折射定律律orninsinsin21 e e 光光 : : 不遵從折射定不遵從折射定律律constrie sinsine e 光折射線甚至不一定在入射面內。光折射線

18、甚至不一定在入射面內。e oe 方解石方解石o 5.3 5.3 光通過單軸晶體時的雙折射現象光通過單軸晶體時的雙折射現象1.1. 雙折射現象和基本規(guī)律雙折射現象和基本規(guī)律 方解石方解石oee o 以入射方向為以入射方向為軸旋轉方解石軸旋轉方解石方解石方解石偏偏振振片片雙折射的兩雙折射的兩束光振動方束光振動方向相互垂直向相互垂直2. 2. 晶體的光軸晶體的光軸當光在晶體內沿某個特殊方向傳播時當光在晶體內沿某個特殊方向傳播時不發(fā)生雙折射不發(fā)生雙折射，該方向稱為晶體的該方向稱為晶體的光軸光軸。例如，方解石晶體例如，方解石晶體( (冰洲石冰洲石) )AB光軸光軸102光軸是一特殊方向光軸是一特殊方向（

19、凡平行于此方向（凡平行于此方向的直線均為光軸）。的直線均為光軸）。單軸晶體：單軸晶體：只有一個光軸的晶體只有一個光軸的晶體 石英，方解石，紅寶石石英，方解石，紅寶石雙軸晶體：雙軸晶體：有兩個光軸的晶體有兩個光軸的晶體 云母，藍寶石，硫磺云母，藍寶石，硫磺解理面。若切去，磨出垂直于光軸的平解理面。若切去，磨出垂直于光軸的平表面，正入射時就無雙折射。表面，正入射時就無雙折射。各種晶體分屬七個晶系：各種晶體分屬七個晶系：立方晶系（例如立方晶系（例如NaCl晶體晶體）- 光學各向同性！光學各向同性！三角晶系、四方晶系、六角晶系三角晶系、四方晶系、六角晶系 - 單軸晶體單軸晶體正交晶系、單斜晶系、三斜晶

20、系正交晶系、單斜晶系、三斜晶系 - 雙軸晶體雙軸晶體3. 3. 主平面和主截面主平面和主截面主平面：主平面：晶體中光的傳播方向（光線）與晶體中光的傳播方向（光線）與 晶體光軸構成的平面。晶體光軸構成的平面。o光光光軸光軸o光的光的主平面主平面e光光光軸光軸e光的光的主平面主平面主截面：主截面：晶體表面的法線與晶體光軸構成晶體表面的法線與晶體光軸構成 的平面。（的平面。（表面不一定是解理面表面不一定是解理面） 若入射光線在主截面內，即入射面與主截面重合，若入射光線在主截面內，即入射面與主截面重合，則進入晶體后則進入晶體后 o、e 光線都在此光線都在此主截面內，主截面內，主平面主平面就與就與主截面

21、主截面重合。重合。vo t光軸光軸光軸光軸ve tvo t no ，ne 稱為稱為 晶體的主折射率晶體的主折射率o 光光 : :oocn o 與方向無關，與方向無關，是常數是常數e 光光 : :eeecn 沿垂直于光軸的方向傳播沿垂直于光軸的方向傳播時，有最大時，有最大( (或最小或最小) )的速的速度，將它記為度，將它記為5.4 5.4 光在晶體中的波面光在晶體中的波面_o光和光和e光的子波光的子波波面波面光矢量振動方向與晶體光軸的夾角不同的光，光矢量振動方向與晶體光軸的夾角不同的光，傳播速度也不同。傳播速度也不同。實驗證明實驗證明:光的速度與方向有關光的速度與方向有關vo tve t光軸光

22、軸 負晶體負晶體 (vo ve) 正晶體正晶體 : : neno( ( e o) )( 圖夸大了圖夸大了ne和和 no的差別的差別 )負晶體負晶體 : :ne o)( 如方解石如方解石 )( 如石英如石英 )Wavelets in a negative uniaxial crystal 負單軸晶體負單軸晶體光軸光軸e光光o光光2. 2. 光軸平行于晶體表面，自然光垂直入射光軸平行于晶體表面，自然光垂直入射 e o e o光軸光軸晶體晶體( ( o o, , e e 光光在方向上雖在方向上雖沒 分 開 ， 但 速 度 不沒 分 開 ， 但 速 度 不同。同。) )1. 1. 光軸平行于晶體表面，

23、且垂直于入射面，光軸平行于晶體表面，且垂直于入射面， 自然光斜入射自然光斜入射晶體晶體 光軸光軸ir0reo ot e eteo ectoooncri sinsin以下設為負晶體以下設為負晶體 ( ( e e o o) )eeencri sinsin特殊情況特殊情況:3. 3. 光軸與晶體表面斜交，自然光垂直入射光軸與晶體表面斜交，自然光垂直入射o e晶體晶體光軸光軸 e方解石方解石光軸光軸o eo( ( 此時此時e 光的波面不再與其光線垂直了光的波面不再與其光線垂直了!)!)光軸光軸晶體的定向與切割晶體的定向與切割入射光的正交分解入射光的正交分解o光：尋常光（光：尋常光（ordinary r

24、ay）e光：非常光（光：非常光（extraordinary ray）一一. . 晶體偏振器晶體偏振器 利用單軸晶體中利用單軸晶體中o o光和光和e e光傳播情況的不光傳播情況的不同，可以做成晶體偏振器件，使同，可以做成晶體偏振器件，使o o光、光、e e光分開而光分開而產生線偏振光。產生線偏振光。 5.65.6偏振器件偏振器件這種器件可分為這種器件可分為兩類兩類： 一類是只讓一類是只讓o光、光、e光中的一束通過，得到單束線光中的一束通過，得到單束線偏振光偏振光，如格蘭棱鏡、尼科耳棱鏡等。，如格蘭棱鏡、尼科耳棱鏡等。 另一類是偏振分束器，得到振動方向互相垂直的另一類是偏振分束器，得到振動方向互相

25、垂直的兩束分離的線偏振光兩束分離的線偏振光，如渥拉斯頓棱鏡、洛匈棱鏡等。，如渥拉斯頓棱鏡、洛匈棱鏡等。1. 尼科耳棱鏡尼科耳棱鏡 ( Nicol )優(yōu)質方解石晶體，長度約為寬度的優(yōu)質方解石晶體，長度約為寬度的3倍，剖開、磨平倍，剖開、磨平拋光，兩塊用拋光，兩塊用加拿大樹膠加拿大樹膠粘合起來。粘合起來。加拿大樹膠加拿大樹膠是是一種折射率介于方解石的一種折射率介于方解石的no 和和ne之間的透明物質。之間的透明物質。缺點：缺點：入射光線上、下方的極限角為入射光線上、下方的極限角為14，入射光，入射光與透射光不在一條直線上。與透射光不在一條直線上。2. 2. 格蘭棱鏡格蘭棱鏡Glan-Thompso

26、n : 光軸光軸光軸光軸方解石方解石方解石方解石加拿大樹膠加拿大樹膠 (n = 1.55)oei吸收涂層吸收涂層( 76這樣安排光軸的取向使這樣安排光軸的取向使 e 光對應的恰好是光對應的恰好是 ne 。no (1.6584) n (1.55) ne (1.4864)o光在粘合處發(fā)生全反射，透射的是極純的線偏振光。光在粘合處發(fā)生全反射，透射的是極純的線偏振光。(鈉黃光鈉黃光)格蘭格蘭湯普森棱鏡湯普森棱鏡主要特性參數：主要特性參數：通光面積、孔徑角、消光比、通光面積、孔徑角、消光比、抗損傷能力抗損傷能力. 格蘭格蘭-傅科傅科 (Glan-Foucault) 棱鏡棱鏡 : 空氣間隔，較短?？諝忾g隔

27、，較短。( q q= 38.5)優(yōu)、缺點優(yōu)、缺點: : 格蘭格蘭湯普森棱鏡的湯普森棱鏡的有效張角有效張角約為約為30，格蘭格蘭-傅科傅科 棱鏡棱鏡的有效張角約為的有效張角約為15。 在格蘭在格蘭湯普森棱鏡中加拿大樹膠強烈吸湯普森棱鏡中加拿大樹膠強烈吸收紫外光，限制了使用收紫外光，限制了使用光譜范圍光譜范圍（可以換用紫外區(qū)透（可以換用紫外區(qū)透明的粘合物）。另外，界面膠明的粘合物）。另外，界面膠不能承受高的功率不能承受高的功率（連（連續(xù)照射時上限續(xù)照射時上限1W/cm1W/cm2 2）。）。 格蘭格蘭-傅科棱鏡傅科棱鏡有很寬的使用光譜范圍，方解有很寬的使用光譜范圍，方解石的透明區(qū)從紅外的石的透明區(qū)

28、從紅外的5000nm5000nm直到紫外的直到紫外的230nm230nm；另；另外還有能承受較高功率的優(yōu)點（連續(xù)照射時上限外還有能承受較高功率的優(yōu)點（連續(xù)照射時上限100 W/cm100 W/cm2 2 ），使用激光束時這是很重要的。），使用激光束時這是很重要的。二二. . 晶體相移器件晶體相移器件 RetardersRetarders1. 1. 波晶片波晶片 相位延遲片相位延遲片Wave platesWave plates波晶片波晶片是是光軸平行于表面的晶體薄片。光軸平行于表面的晶體薄片。ydxAAoAe 線偏振光線偏振光光軸光軸 通過厚為通過厚為d 的晶片，的晶片，o、e 光產生相位差：光

29、產生相位差：AAoAe 光軸光軸Pdnneoxy)(2 cossinAAAAeo 振幅關系振幅關系 ： 設線偏振光入射，設線偏振光入射，真空中的波長真空中的波長從晶片出射的是從晶片出射的是兩束傳播方向相同、振動方向相互兩束傳播方向相同、振動方向相互垂直、頻率相等、相位差為垂直、頻率相等、相位差為 的線偏振光，它們的線偏振光，它們合成為一束合成為一束 橢圓偏振光橢圓偏振光 。4 23,2 時時 為為圓偏振光圓偏振光 。且且設在設在入射面入射面上分解的兩種線偏振光的瞬時光矢量上分解的兩種線偏振光的瞬時光矢量大小可表示為：大小可表示為： tAEEoox cos )cos(0 tAEEeey在在后表面

30、上的出射光后表面上的出射光應表示為：應表示為：)2cos(dntAEoox )2cos(0 dntAEeey2)12(4)12()( mmdnneo4 ，線偏振光，線偏振光圓偏振光圓偏振光2,0 ，線偏振光，線偏振光線偏振光線偏振光 從線偏振光獲得橢圓或圓偏振光從線偏振光獲得橢圓或圓偏振光（或相反）或相反） 四分之一波片四分之一波片( ( 4 4 片片 ) )The quarter-wave plateThe quarter-wave plate240 ， ，線偏振光，線偏振光橢圓偏振光橢圓偏振光通過通過4 4 片片 ： , 2 , 1 , 0 m在出射光中，兩種線偏振光的相位差為：在出射光中

31、，兩種線偏振光的相位差為：dnneoxy)(20 單軸晶片的快慢軸單軸晶片的快慢軸 ：快軸：快軸：單軸晶體中與傳播速度較快的光振動分量的振單軸晶體中與傳播速度較快的光振動分量的振動面平行的方向動面平行的方向慢軸：慢軸：單軸晶體中與傳播速度較慢的光振動分量的振單軸晶體中與傳播速度較慢的光振動分量的振動面平行的方向動面平行的方向 快慢軸的正方向：快慢軸的正方向：以拇指指向光線方向，四指按右以拇指指向光線方向，四指按右手螺旋法則自晶片光軸方向轉向光軸的正交方向，手螺旋法則自晶片光軸方向轉向光軸的正交方向，此時四指所指的光軸方向及其正交方向分別定義為此時四指所指的光軸方向及其正交方向分別定義為晶片快慢

32、軸的正方向。晶片快慢軸的正方向。說明：說明：正單軸晶片的快軸垂直于光軸（亦即沿正單軸晶片的快軸垂直于光軸（亦即沿o光光偏振面），慢軸平行于光軸（亦即沿偏振面），慢軸平行于光軸（亦即沿e光偏振面）；光偏振面）；負單軸晶片的快軸平行于光軸（亦即沿負單軸晶片的快軸平行于光軸（亦即沿e光偏振面），光偏振面），慢軸垂直于光軸（亦即沿慢軸垂直于光軸（亦即沿o光偏振面）光偏振面）。波晶片：波晶片：振動方向振動方向快軸快軸慢軸慢軸負晶體負晶體 : : ne o)( 如方解石如方解石 )圓起偏器原理圓起偏器原理左旋左旋右旋右旋45 q q快軸快軸慢軸慢軸橢圓起偏器原理橢圓起偏器原理30 q qz 二分之一波片二

33、分之一波片 A half-wave plateA half-wave plate )12(2)12()( mmdnneo半波片的作用是旋轉它的偏振面的方向，旋轉角度為半波片的作用是旋轉它的偏振面的方向，旋轉角度為2q q， q q為波片的快軸方向與入射光振動方向之間的夾為波片的快軸方向與入射光振動方向之間的夾角。角。A half-wave plate 全波片全波片 The full-wave plateThe full-wave plate2. 通過波晶片后的光強通過波晶片后的光強總光強總光強eoIII 3. 補償器補償器 可變可變相位延遲器相位延遲器 CompensatorsCompensa

34、tors定義：定義：能夠使透過的能夠使透過的o光和光和e光的相位差任意改變的晶片光的相位差任意改變的晶片 巴俾涅補償器：巴俾涅補償器：由兩塊光軸正交的直角石英棱鏡迭由兩塊光軸正交的直角石英棱鏡迭置而成，用于細光束的相位補償調節(jié)。置而成，用于細光束的相位補償調節(jié)。 第一劈內的第一劈內的o光進入第二光進入第二劈內變?yōu)榕鼉茸優(yōu)閑光，光程：光，光程：21dndneo 同樣地，同樣地， e光，光，21dndnoe 兩者的相位差：兩者的相位差：)(212eonndd 三三. . 橢圓偏振光和圓偏振光的檢偏橢圓偏振光和圓偏振光的檢偏用用 4 4 片片和和偏振片偏振片P P 配合，配合，可以區(qū)分自然光和可以區(qū)

35、分自然光和圓偏振光，也可區(qū)分部分偏振光和橢圓偏振光。圓偏振光，也可區(qū)分部分偏振光和橢圓偏振光。索列爾補償器：索列爾補償器：由由兩塊光軸平行的石兩塊光軸平行的石英直角劈楔與一塊英直角劈楔與一塊光軸正交的平行平光軸正交的平行平面石英晶片迭置而面石英晶片迭置而成，可用于寬光束成，可用于寬光束的相位補償。的相位補償。 兩者的相位差：兩者的相位差：)(212eonndd 四分之一波片四分之一波片圓偏振光圓偏振光自然光自然光自然光自然光線偏振光線偏振光 偏振片（轉動）偏振片（轉動）線偏振光線偏振光 I 不變不變線偏振光線偏振光I 變變, 有消光有消光以入射光方向為軸以入射光方向為軸 四分之一波片四分之一波

36、片橢圓偏振光橢圓偏振光部分偏振光部分偏振光線偏振光線偏振光 偏振片（轉動）偏振片（轉動）線偏振光線偏振光I 變變, 有消光有消光 部分部分偏振光偏振光光軸平行于最大光強或最小光強方向放置，光軸平行于最大光強或最小光強方向放置，或光軸平行于橢圓偏振光的長軸或短軸放置或光軸平行于橢圓偏振光的長軸或短軸放置線偏振光線偏振光I 變變, 無消光無消光磁光克爾效應：磁光克爾效應： 磁光克爾效應：磁光克爾效應：18771877年，年， KerrKerr發(fā)現鐵磁體對反發(fā)現鐵磁體對反射光的偏振狀態(tài)會產生影響，當一束偏振光打到射光的偏振狀態(tài)會產生影響，當一束偏振光打到樣品表面時，鐵磁性會導致反射光偏振面轉過一樣品

37、表面時，鐵磁性會導致反射光偏振面轉過一個小角度，這個小角度叫做個小角度，這個小角度叫做KerrKerr旋轉角旋轉角，同時，同時，鐵磁性會導致橢偏率也有一個小變化，這個變化鐵磁性會導致橢偏率也有一個小變化，這個變化叫做叫做KerrKerr橢偏率。橢偏率。 SMOKESMOKE（Surface Magneto-Optic Kerr EffectSurface Magneto-Optic Kerr Effect）裝置：測量靈敏度極高；無損傷測量；測量到的裝置：測量靈敏度極高；無損傷測量；測量到的信息來源于介質上的光斑照射的區(qū)域。信息來源于介質上的光斑照射的區(qū)域。II II 實驗原理實驗原理所謂磁光克

38、爾效應磁光克爾效應（magnetooptical Kerr effect，MOKE），是指當一線偏振光入射到磁化介質表面時，其反射光線的偏振性質會由于介質磁化強度的存在而發(fā)生變化（圖1）。一般說來，反射光線會變成一橢圓偏振光，其橢偏率，稱為克爾橢偏率，同時橢圓的主軸和原入射光的線偏振方向會有一個小的夾角，稱為克爾旋轉角。 圖1按照磁場相對入射面的配置狀態(tài)不同按照磁場相對入射面的配置狀態(tài)不同, ,表面磁光克爾效應可以分為表面磁光克爾效應可以分為3 3種：種：a. a. 極向克爾效應極向克爾效應, , 薄膜樣品磁化方向垂直于樣品表面并且平行于入射面薄膜樣品磁化方向垂直于樣品表面并且平行于入射面b.

39、 b. 縱向克爾效應縱向克爾效應, , 薄膜樣品磁化方向在樣品膜面內薄膜樣品磁化方向在樣品膜面內, ,并且平行于入射面并且平行于入射面c. c. 橫向克爾效應橫向克爾效應, , 薄膜樣品磁化方向在樣品膜面內薄膜樣品磁化方向在樣品膜面內, ,并且垂直于入射面并且垂直于入射面abc激光器發(fā)射的激光束通過起偏棱鏡后變?yōu)榫€偏振光, 然后從樣品表面反射, 經過檢偏棱鏡進入探測器。檢偏棱鏡的偏振方向要與起偏棱鏡設置成偏離消光位置很小的角度（如圖2所示）, 這主要是為了區(qū)分正負克爾旋轉角, 若檢偏棱鏡方向設置在消光位置, 無論反射光偏振面是順時針還是逆時針旋轉, 反映在光強的變化上都是強度增大, 這樣就無法區(qū)分偏振面的正負旋轉方向, 也就無法判斷樣品的磁化方向。當2個偏振方向之間有小角度時, 通過檢偏棱鏡的光線有本底光強I0, 反射光偏振面旋轉方向和同向時光強增大, 反向時光強減小, 這樣樣品的磁化方向可以通過光強的變化來區(qū)分。 在圖1的光路中, 假設取入射光為P偏振光, 其電場矢量EP平行于入射面, 當光線從磁化了的樣品表面反射時, 由于克爾效應，反射光中含有很小的垂直于EP的電場分量Es, 如圖2, 所示, 通常Es EP, 在一