磁光材料Verdet常数贡献性的讨论?
蔡伟1)2) 邢俊晖
【摘 要】Verdet常数是表征材料磁光性能的重要参数,具有波长和温度依赖性.为了更好地分析入射光波长、温度等对Verdet常数的影响机理,从基础理论切入,分析了现有理论的优缺点.结合光的波粒二象性特性,提出了波动跃迁性贡献理论,即法拉第效应是光的波动性作用以及电偶极跃迁作用带来的贡献之和,波动性对偏转角的贡献为正,跃迁性贡献为负.在抗磁性材料中,波动性贡献大于跃迁性贡献,Verdet常数为正;顺磁性材料中,跃迁性贡献远大于波动性贡献,Verdet常数为负.进而分别以典型抗磁性材料重火石玻璃ZF1和顺磁性材料铽镓石榴石为例,并结合相关数据、参数、模型,对理论进行了验证,试验结果表明,在精确描述材料Verdet常数方面,波动跃迁性贡献理论具有一定的优越性. 【期刊名称】物理学报 【年(卷),期】2017(066)018 【总页数】7
【关键词】关键词:Verdet常数,法拉第效应,波粒二象性,量子理论 【
文
献
来
源
】
https://www.zhangqiaokeyan.com/academic-journal-cn_acta-physica-
sinica_thesis/0201250860844.html
1 引 言
自法拉第磁光效应发现以来,各种磁光材料相继问世并广泛应用于磁光开关、磁光调制器、相干俘获磁强计以及通信和控制等领域[1?4].法拉第磁光效应描述了一束偏振光通过外加磁场的磁光材料(通常为晶体或玻璃)后偏振面发生偏转的现象,偏转角度正比于磁场大小和光线有效传播距离,该比例系数称为Verdet
常数,它是表征材料磁光性能的主要参数,最初是实验现象以及实测数据的产物.法拉第旋光效应的内在机理和Verdet常数的本质吸引着一批学者和研究人员从不同角度进行探究和发掘.
宏观理论最早被应用于Verdet常数的研究,它能直观反映法拉第效应的物理实现过程,但难以进一步解释Verdet常数的本质以及波长、温度等物理量对Verdet常数的作用机理[5,6].探索Verdet常数本质的主流理论包括经典电子动力学理论(简称经典理论)和量子理论.经典理论以电子振子模型为基础[7,8],较好地阐明了Verdet常数与入射光波长和介质色散的关系,对应的Verdet常数计算公式物理意义明晰,但存在计算结果与实验值偏差较大的问题.量子理论从能级分裂和电子跃迁出发,从本质上揭示了法拉第磁光效应的作用机制[9,10],但在定量描述Verdet常数时还需要回归到宏观的统计学规律,跃迁波长和相关参数需要通过对实验值的拟合来得到,因此其计算模型的准确性难以通过原实验值验证. 无论是宏观理论、经典理论还是量子理论,三者皆有其独到的一面,但都难以对Verdet常数进行全面、系统的描述,甚至有的方法在特定情况下得到的结果偏差较大.此外,现有理论的推导过程并未对Verdet常数的正负进行严格的定义,有的虽然提到了抗磁性的Verdet常数为正,顺磁性的为负,但也是基于实验现象的简单概括.为了深入揭示磁光材料Verdet常数的本质,在大量对比论证的基础上,我们认为虽然经典理论和量子理论都能解释法拉第效应,但反映的是促成法拉第效应的两个不同方面,并以此提出初步假设:磁光效应引起的法拉第转角是光的波动性和电子层跃迁共同作用的结果,两种作用对物质的Verdet常数都有一定的贡献,贡献的大小与材料本身、入射光波长和温度有关.基于此假设,提出了波动跃迁性贡献理论,得到了相应模型,进而验证了模型的正确性和假设的合理性.
2 理论与模型
2.1 经典理论
法拉第效应的经典理论基于Lorentz色散理论,将光与物质相互作用近似为阻尼振子在入射光下的受迫振动,体现了光的波动性.利用经典电子动力学理论,求得抗磁性(diamagnetic)材料Verdet常数Vdia表达式为
式中,e为电子电荷量,m为电子质量,c为光速,λ为入射光波长,dn/dλ为介质的色散.(1)式表明抗磁性Verdet常数主要与入射波长和介质色散有关.
而顺磁性(paramagnetic)介质中,邻近电子自旋之间往往存在较为微弱的交换作用,这种交换作用可等效为外斯分子场,因此,顺磁性Verdet常数Vpar表达式为 式中,υ为与分子场常数有关的系数,磁化率χ=TC/(T?Tp)服从居里-外斯定律,TC,Tp分别为居里常数和居里温度.可见,顺磁性材料的Verdet常数还受温度T的影响. 2.2 量子理论
经典的量子理论认为外加磁场或磁化引起的基态或激发态能级分裂产生的不均匀性是法拉第旋转的微观起源,从而导致物质离子(或原子)的电偶极和磁偶极跃迁的不均匀性,在可见光范围内,一般只考虑电偶极跃迁[11].
基于量子理论,van Vleck-Hebb[12]求得了顺磁性Verdet常数表达式:
式中,g为Lande分裂系数,μB为玻尔磁子,h为普朗克常量,v为入射光的频率,Cij代表发生vij频率跃迁的概率.由于磁化率是温度的函数,所以顺磁性Verdet常数同时与入射光波长和温度有关.
Borrelli[13]基于量子理论得到了抗磁性Verdet常数,即
式中,N表示单位体积内载流子数,vij为电子的迁移频率,Aij表示与迁移强度有关
磁光材料Verdet常数贡献性的讨论
