1845年，發現電磁感應現象、被稱為(wei) “電學之父”的英國物理學家法拉第在一次實驗中偶然發現在經過磁化過的介質後，線偏振光的偏振態會(hui) 發生變化，而且通過磁性介質的光的偏振態的變化還和對磁性介質施加的外磁場相關(guan) ，1877年，克爾 (JohnKerr) 發現了磁光克爾效應。
磁光效應的物理機理
從(cong) 1845 年法拉第效應被發現至今，為(wei) 人們(men) 所熟知的磁光效應大致有法拉第 效應，克爾效應和塞曼效應等。法拉第效應如上邊所說，是指偏振光在經過有 磁性的樣品且透射穿過樣品後，透射光的偏振麵相對於(yu) 入射偏振光發生一定角度 的偏移的現象。其產(chan) 生的根本原因，從(cong) 光學上來講，就是左旋偏振光和右旋偏振 光在磁性材料中折射率不同，從(cong) 而使得兩(liang) 種偏振光在磁性樣品中傳(chuan) 播的過程中產(chan) 生了光程差，進而產(chan) 生相位差，從(cong) 樣品中出射後兩(liang) 種偏振光合成的透射光就表現 為(wei) 偏振麵較入射光來講發生了一定角度的偏轉。
塞曼效應是指在外磁場中，光源發出的光的各能級譜線在磁場下進一步分裂 成更多條，並且分裂出的各譜線的間隔和外磁場的大小成正比的磁光效應，該效 應的原理是原子的自旋磁矩和軌道磁矩在外磁場的作用下能級會(hui) 發生進一步的 分裂。塞曼效應的發現直接推動了量子力學的完善並導致自旋這一自由度被發現。
圖1.三種克爾效應示意圖，從(cong) 左至右依次為(wei) 極向、縱向和橫向
克爾效應則是說當偏振光在磁性樣品表麵被反射後，反射光的偏振麵相對入射光發生一定角度的偏轉[39]。其本質與(yu) 法拉第效應類似，也是偏振光在磁性樣品表麵反射時，左旋偏振光和右旋偏振光的反射率不同，也就是對兩(liang) 種擁有不同自旋角動量的光子的散射作用不同，導致在zui終的反射後，產(chan) 生了相位差，使得出射光的偏振麵發生偏轉，這種偏振麵的旋轉就是磁光克爾轉角；同時，磁性介質對兩(liang) 種偏振光的吸收率也不盡相同，這會(hui) 引起兩(liang) 種偏振光的相對強度的變化，使得合成的光較之前入射的線偏光發生變化，產(chan) 生磁光克爾橢偏率。一般對於(yu) 克爾效應來說，偏振光的轉角和橢偏率都是會(hui) 發生變化的。
同時根據磁性樣品的磁化矢量，也就是磁化的方向、偏振光入射麵和樣品表麵的幾何位置的不同，磁光克爾效應又可以分為(wei) 三種：磁矩方向與(yu) 磁光材料表麵垂直的極向克爾效應；磁矩方向同時平行於(yu) 磁光材料表麵和光線入射麵的縱向克爾效應；磁矩方向與(yu) 磁光材料表麵平行但與(yu) 光線入射麵垂直的橫向克爾效應。
其中極向克爾效應即樣品的磁化強度矢量垂直於(yu) 樣品表麵，並且處在偏振光的入射麵內(nei) ，通常用來表征具有垂直磁各向異性的樣品。縱向和橫向克爾效應的樣品磁化強度矢量都平行於(yu) 樣品表麵，因此它們(men) 被用來表征具有麵內(nei) 磁各向異性的樣品。同時，一般來講，極向克爾效應的信號一般要比縱向克爾效應的信號大一個(ge) 數量級，因此磁光克爾效應在表征垂直各向異性較強的樣品時更有優(you) 勢。對於(yu) 麵內(nei) 各向異性較強的樣品來說，由於(yu) 橫向的克爾效應的反射光的偏振麵不發生變化，隻有光強發生變化，所以常用縱向克爾效應來表征。
在介紹完幾種常見的磁光效應後，可以對磁光效應的物理機理進行一個(ge) 整體(ti) 的描述：一般認為(wei) 磁光效應都是在宏觀經典電磁學理論以及微觀量子論的背景下來共同描述的。從(cong) 宏觀上看，磁光效應是由介電張量中的反對稱、非對角元素引起的；從(cong) 微觀上看，光的電場分量與(yu) 磁性介質中的電子自旋磁矩、原子磁矩之間的耦合是通過自旋-軌道相互作用發生的。磁光效應的經典解釋認為(wei) 介質的光學性質是由介電張量決(jue) 定的，同時介電張量又是由介質中電子的運動決(jue) 定的。當一束偏振光穿過介質時，光的電分量將驅使介質中的電子運動。在沒有外磁場作用的情況下，左旋的圓偏光的電分量將驅使電子進行一個(ge) 左旋的圓周運動，同理右旋的圓偏光的電分量將驅使電子進行一個(ge) 右旋的圓周運動。這個(ge) 時候左旋和右旋的圓周運動的半徑是相同的，因此對於(yu) 偏振光來說，偏振麵就沒有發生變化，也就沒有法拉第效應產(chan) 生。但是當一個(ge) 沿著入射光方向的磁場加入後，就會(hui) 給電子產(chan) 生一個(ge) 額外的洛倫(lun) 茲(zi) 力，這時左右旋的圓偏光驅使電子圓周運動的半徑會(hui) 發生不等的變化，因而左右圓偏光半徑不同，合成了和原來不同的偏振光，產(chan) 生了法拉第效應。磁光效應的量子解釋則是認為(wei) 自旋軌道耦合作用(∇V×p)∙s可以認為(wei) 是具有動量p的電子在一個(ge) 有效的磁場矢勢∇V×s中運動，這種自旋軌道相互作用引起了波函數的變化和能量的分裂，zui終表現為(wei) 左旋光和右旋光的折射率 存在差異。
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