塞曼效应和磁光效应的机理分析及其物理意义简析作

作者：彭晓韬
日期：2021.11.10
[文章摘要]：塞曼效应和磁光效应是外加恒定磁场条件下，介质发光或反/散射和折射光性质发生变化的一种特殊现象。这些现象诠释了恒定磁场与介质发光与反光/折光间的内在因果关系，正确认识这些因果关系对正确认识光的本质、光与介质相互作用规律等客观事物有着很重要的物理意义。从诸多物理现象与实验结果可知：磁场并不能直接改变光的性质（运动方向、振幅、频率和相位等），而可以改变带电粒子的运动状态。因此，上述效应中外加恒定磁场只能通过改变介质中的带电粒子电子和原子核/质子来实现对介质发光与反光/折光性质。由于在可见光频率范围内，在电子围绕原子核运动一个周期时间内，外加恒定磁场对电子的作用远大于对原子核的作用。因此，在忽略外加恒定磁场对原子核/质子的作用时，我们可以近似地认为：外加恒定磁场使介质的发光与反光/折光性质的改变是通过影响原子中的电子实现的。也就是外加恒定磁场使原子中围绕原子核运动的电子运动状态的改变来实现原子发光与反光/折光效应的改变。进一步可以推断：所谓原子反光/折光实际上是入射光使介质中的原子中的电子与原子核反向改变运动状态而成为电偶极矩随入射光频率和强度变化的电偶极子并产生电偶极子电场和磁场，或称其为次生光。由此将导致对光的本质、光与介质相互作用规律的认识达到一个新的高度，并纠正目前人们普遍对光的本质不准确、不完整的认识。
一、塞曼效应和磁光效应简介
1、塞曼效应
塞曼效应是指原子在外磁场中发光谱线发生分裂且偏振的现象，也就是外加磁场会使原子产生更多不同频率的特征谱线的偏振光。历史上首先观测到并给予理论解释的是谱线一分为三的现象，后来又发现了较三分裂现象更为复杂的难以解释的情况，因此称前者为正常或简单塞曼效应，后者为反常或复杂塞曼效应。
2、磁光效应
磁光效应分为磁光克尔效应、法拉第磁光效应和科顿-穆顿效应又称磁双折射效应。前者为磁性物质界面产生的反射光发生偏振特征的变化、中者为外加平行于折射光传递方向的外加恒定磁场至折射光偏振方向发生变化、后者为垂直折射光传递方向的外加恒定磁场至折射光出现双折射现象。
2.1、磁光克尔效应
将线偏振光（由左旋圆偏振光和右旋圆偏振光所组成）入射于磁性材料反射后，转为椭圆偏振光的现象，称为磁光克尔效应。
当一束单色线偏振光照射在磁光介质薄膜表面时，部分光线将发生透射，透射光线的偏振面与入射光的偏振面相比有一转角，这个转角被叫做磁光法拉第转角。而反射光线的偏振面与入射光的偏振面相比也有一转角，这个转角被叫做磁光克尔转角，这种效应叫做磁光克尔效应。磁光克尔效应包括三种情况：
(1)纵向克尔效应，即磁化强度既平行于介质表面又平行于光线的入射面时的克尔效应；克尔信号的强度随入射角的减小而减小，垂直入射时为0 。纵向克尔信号中克尔旋转角和克尔椭偏率都比极向克尔信号小一个数量级。从而纵向克尔信号的探测比极向难。但对于薄膜样品来说，易磁轴一般平行于样品表面，纵向配置下样品的磁化强度才容易达到饱和，因此纵向克尔效应对平面内的磁化相当敏感。
(2)极向克尔效应，即磁化强度与介质表面垂直时发生的克尔效应；通常情况下极向克尔效应的强度随入射角的减小而增大，在垂直入射时达到最大。并且克尔旋转角最大最明显。
(3)横向克尔效应，即磁化强度与介质表面平行时发生的克尔效应；其反射光的偏振状态没有变化，因为这种配置下光电场与磁化强度矢积的方向永远没有与光传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）入射时才有一个很小的反射率的变化（一般来讲只造成长度的跳变，不会造成极化平面的旋转）。

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2.2、法拉第磁光效应
【塞曼效应和磁光效应的机理分析及其物理意义简析】法拉第磁光效应。当线偏振光在介质中传播时，若在平行于光的传播方向上加一强磁场，则光振动方向将发生偏转，偏转角度ψ与磁感应强度B和光穿越介质的长度d的乘积成正比，即ψ=VBd ，比例系数V称为费尔德常数，与介质性质及光波频率有关。偏转方向取决于介质性质和磁场方向。上述现象称为法拉第效应或磁致旋光效应。 [摘自360百科]