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法拉第效应

1845年法拉第（MichalFaraday）发现玻璃在强磁场的作用下具有旋光性，加在玻璃棒
上的磁场引起了平行于磁场方向传播的线偏振光偏振面的旋转。此现象被称为法拉第效应。
法拉第效应第一次显示了光和电磁现象之间的联系。促进了对光本性的研究。之后费尔德
（Verdet）对许多介质的磁致旋转进行了研究，发现法拉第效应在固体、液体和气体中都存
在。大部分物质的法拉第效应很弱，掺稀土离子玻璃的费尔德常数稍大。近年来研究的YIG
等晶体的费尔德常数较大，从而大大提高了实用价值。
法拉第效应有许多重用的应用，尤其在激光技术发展后，其应用价值倍增。如用于光
纤通讯系统中的磁光隔离器，因为偏振面的磁致旋转取决于磁场的方向，与光的传播方向
无关，由此可设计成光隔离器，使光沿规定的方向通过同时阻挡反向传播的光，从而减少
光纤中器件表面反射光对光源的干扰；磁光隔离器也被广泛用于激光多级放大技术和高分
辨的激光光谱技术，激光选模等技术中。法拉第效应的弛豫时间不大于10-10秒量级。在激
光通讯，激光雷达等技术中已发展成类似微波器件的光频环行器、调制器等，利用法拉第
效应的调制器（磁光调制器）在1m～5m的红外波段将起重用作用。且磁光调制器需要的驱
动功率较电光调制器小的多。对温度稳定性的要求也较低。所以磁光调制是激光调制技术
的重用组成之一，也常用于激光强度的稳定装置。又如作为重要的传感机理应用于电工测
量技术中。在磁场测量方面，利用它弛豫时间短（约10-10秒）的特点制成的磁光效应磁强
计可测量脉冲强磁场、交变强磁场；利用它对温度不敏感的特点，磁光效应磁强计可适用
于较宽的温度范围，如等离子体中强磁场、低温超导磁场；在电流测量方面，利用电流的
磁效应和光纤材料的法拉第效应，可测量几千个安培的大电流或几千KV的高压电流等。

一、实验原理
法拉第效应是磁场引起介质折射率变化而产生的旋光现象，实验结果表明，光在磁场
的作用下通过介质时，光波偏振面转过的角度q（磁致旋光角）与光在介质中通过的长度L
及介质中磁感应强度在光传播方向上的分量B成正比，即
q=VBL(5-3-1)
式中V称为费尔德常数，它表征物质的磁光特性。表5-3-1为几种材料的费尔德常数值。

由经典电子论对色散的解释可得出介质的折射率和入射光频率w的关系为

2
2Ne
(5-3-2)
n=1+22
me0(w0-w)
eB
式中w0是电子的固有频率，磁场作用使电子固有频率改变为（w0±wL），（w=是
22m
电子轨道在外磁场中的进动频率）。

125
使折射率变为
Ne2
n2=1+(5-3-3)
22
me0[]()w0±wL-w
表5-3-1几种材料的费尔德常数V（弧分/特斯拉·厘米）

物质l（nm）V

2
水589.31.31×10

CS2589.32
4.17×10

轻火石玻璃589.32
3.17×10
重火石玻璃589.3
8～10×102
铈磷酸玻璃500.0
3.26×103
YIG830.0
6
2.04×10
（YTb）IG1270
3.78×103
由菲涅耳的旋光理论可知，平面偏振光可看成由两个左、右旋圆偏振迭加而成，上式中的

正负号反映了这两个圆偏振光折射率有差异，以nR和nL表示。它们通过长度为L的介质后
产生的光程差为
2p
d=(n-n)×L(5-3-4)
lRL
由它们合成的平面偏振光的磁致旋光角为
1p
q=d=(n-n)L(5-3-5)
2lRL
n2-n2
通常，n,n，和n，相差甚微，故n-n»RL。将此代入上式，又因w2<<w2，
RLRL2nL
w2
可略去L项，得:

2232
pnR-nLNew1
(5-3-6)
q=××L=-2×222×L×B
l2n2cme0n(w0-w)
由5-3-2式可得
dnNe2w
=×222(5-3-7)
dwme0n(w0-w)
代入5-3-6式得

126
ewdn1edn
éù(5-3-8)
q=-××L×B=ê××l×ú×L×B
2cmdwë2cmdlû
与5-3-1式相比可见括号项即为费尔德常数，表示V值和介质在无磁场时的色散率、入射

光波长等有关。

由马吕斯定律可知，平面偏振光通过磁场中的介质和检偏器后的光强为:

2
I=I0cos(a+q)(5-3-9)
p
a为检偏器和起偏器透光轴的夹角，q为法拉第磁致旋光角。当a=时,
4

2pI0épù
I=I0cos(+q)=ê1+cos2(+q)ú
42ë4û(5-3-10)
11
=I(1-sin2q)»I(1-2q)
2020
I
若磁场变化则I=0=IVLB(i)。表示此时由检偏器输出的光强将随产生磁场的电流i
200
p
（调制电流）线性地变化，这就是光强度的磁光调制原理。在a=时，dIda