磁光效应的物理机理

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磁光效应的物理机理

从1845 年法拉第效应被发现至今，为人们所熟知的磁光效应大致有法拉第 效应，克尔效应和塞曼效应等。法拉第效应如上边所说，是指偏振光在经过有 磁性的样品且透射穿过样品后，透射光的偏振面相对于入射偏振光发生一定角度 的偏移的现象。其产生的根本原因，从光学上来讲，就是左旋偏振光和右旋偏振 光在磁性材料中折射率不同，从而使得两种偏振光在磁性样品中传播的过程中产 生了光程差，进而产生相位差，从样品中出射后两种偏振光合成的透射光就表现 为偏振面较入射光来讲发生了一定角度的偏转。

塞曼效应是指在外磁场中，光源发出的光的各能级谱线在磁场下进一步分裂 成更多条，并且分裂出的各谱线的间隔和外磁场的大小成正比的磁光效应，该效 应的原理是原子的自旋磁矩和轨道磁矩在外磁场的作用下能级会发生进一步的 分裂。塞曼效应的发现直接推动了量子力学的完善并导致自旋这一自由度被发现。

图1.三种克尔效应示意图，从左至右依次为极向、纵向和横向

克尔效应则是说当偏振光在磁性样品表面被反射后，反射光的偏振面相对入射光发生一定角度的偏转[39]。其本质与法拉第效应类似，也是偏振光在磁性样品表面反射时，左旋偏振光和右旋偏振光的反射率不同，也就是对两种拥有不同自旋角动量的光子的散射作用不同，导致在zui终的反射后，产生了相位差，使得出射光的偏振面发生偏转，这种偏振面的旋转就是磁光克尔转角；同时，磁性介质对两种偏振光的吸收率也不尽相同，这会引起两种偏振光的相对强度的变化，使得合成的光较之前入射的线偏光发生变化，产生磁光克尔椭偏率。一般对于克尔效应来说，偏振光的转角和椭偏率都是会发生变化的。

同时根据磁性样品的磁化矢量，也就是磁化的方向、偏振光入射面和样品表面的几何位置的不同，磁光克尔效应又可以分为三种：磁矩方向与磁光材料表面垂直的极向克尔效应；磁矩方向同时平行于磁光材料表面和光线入射面的纵向克尔效应；磁矩方向与磁光材料表面平行但与光线入射面垂直的横向克尔效应。

其中极向克尔效应即样品的磁化强度矢量垂直于样品表面，并且处在偏振光的入射面内，通常用来表征具有垂直磁各向异性的样品。纵向和横向克尔效应的样品磁化强度矢量都平行于样品表面，因此它们被用来表征具有面内磁各向异性的样品。同时，一般来讲，极向克尔效应的信号一般要比纵向克尔效应的信号大一个数量级，因此磁光克尔效应在表征垂直各向异性较强的样品时更有优势。对于面内各向异性较强的样品来说，由于横向的克尔效应的反射光的偏振面不发生变化，只有光强发生变化，所以常用纵向克尔效应来表征。

在介绍完几种常见的磁光效应后，可以对磁光效应的物理机理进行一个整体的描述：一般认为磁光效应都是在宏观经典电磁学理论以及微观量子论的背景下来共同描述的。从宏观上看，磁光效应是由介电张量中的反对称、非对角元素引起的；从微观上看，光的电场分量与磁性介质中的电子自旋磁矩、原子磁矩之间的耦合是通过自旋-轨道相互作用发生的。磁光效应的经典解释认为介质的光学性质是由介电张量决定的，同时介电张量又是由介质中电子的运动决定的。当一束偏振光穿过介质时，光的电分量将驱使介质中的电子运动。在没有外磁场作用的情况下，左旋的圆偏光的电分量将驱使电子进行一个左旋的圆周运动，同理右旋的圆偏光的电分量将驱使电子进行一个右旋的圆周运动。这个时候左旋和右旋的圆周运动的半径是相同的，因此对于偏振光来说，偏振面就没有发生变化，也就没有法拉第效应产生。但是当一个沿着入射光方向的磁场加入后，就会给电子产生一个额外的洛伦兹力，这时左右旋的圆偏光驱使电子圆周运动的半径会发生不等的变化，因而左右圆偏光半径不同，合成了和原来不同的偏振光，产生了法拉第效应。磁光效应的量子解释则是认为自旋轨道耦合作用(∇V×p)∙s可以认为是具有动量p的电子在一个有效的磁场矢势∇V×s中运动，这种自旋轨道相互作用引起了波函数的变化和能量的分裂，zui终表现为左旋光和右旋光的折射率 存在差异。

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