一般的光線在前進時，電磁波的振動方向不定，如果電場振動方向與磁 場振動方向固定的光則稱為偏振光，而光的電場方向就是偏振方向。偏振 光的種類有三種，分別為線性偏振(linear polarization)、圓偏振(circular polarization)與橢圓偏振(elliptical polarization)。
z 線偏振：電場振動方向不隨時間改變。
z 圓偏振：電場的兩個正交分量振幅大小不變且相位差維持 π/2。
z 橢圓偏振：電場的兩個正交分量振幅大小不相同且相位差維持在非 π 及 0 之任意角度或電場的兩個正交分量振幅大小一樣且相位差維持在非 π/2 及 π (或 0) 之任意角度。
其中圓偏振又可依電場隨時間變化的旋轉方向分成左旋偏振以及右旋 偏振，若觀察者站在光前進方向往後向光源看，電場是繞逆時鐘旋轉就稱 為 左 旋 偏 振 ， 反 之 繞 順 時 鐘 旋 轉 則 稱 為 右 旋 偏 振 。 而 角 動 量(angular momentum)與偏振也有相對應的關係，左旋偏振光的角動量方向與光前進向 相同，所提供的角動量變化為+h，右旋偏振光的角動量方向與光前進方向 相反，所提供的角動量變化為-h，而線偏振則不會提供角動量變化。
圖3-1 偏振光種類
圖 3-2 圓偏振光分類
在電子的躍遷中，除了電子必須要吸收足夠躍遷的能量外，在考慮自 旋-軌道耦合(spin-orbit coupling)情況下，還必須滿足選擇定理(selection rule)：Δl = ±1、Δml = 0、±1、Δms = 0、Δmj = 0、±1。如果激發光是線偏振 的話，電子只能選擇不會改變角動量狀態的能階躍遷，例如Δmj = 0，因為 線偏振光不帶有角動量，所以電子吸收後是不會改變角動量的。但如果激 發光是圓偏振光的話，根據選擇定理，電子將會選擇改變角動量變化一個 單位的能階躍遷，例如Δmj = ±1，因為圓偏振是帶有角動量的，因此電子 吸收後角動量勢必發生變化。右旋光Δmj = +1，左旋光 Δmj = -1，圖 3-3 為 考慮自旋-軌道耦合時的賽曼效應(Zeeman effect)圖。
圖 3-3 賽曼效應
3-2 磁光效應
某些物質在磁場的作用之下，會使入射到物質表面的線偏振光在經過 透射或反射之後，發生透射光或反射光的偏振角度旋轉，或是由線偏振變 為橢圓偏振，這種因為磁場影響而引發偏振變化的情況，一般稱為磁光 (magneto-optical，MO)效應[12]。
圖3-4 磁光效應示意圖
透射式磁光效應
透射式磁光效應又稱為法拉第效應，按照入射光偏振、行進方向和外 加磁場方向的關係，可以將一些磁光性質分類，如圖3-5，依外加磁場平行 或垂直入射光的行進方向可以分成兩大類：(1) 外加磁場平行入射光行進方 向(Faraday configuration)，將線性偏振的入射光分解成左旋光和右旋光，如 果兩個旋光在透射介質之後產生了相位差，也就是產生了法拉第旋轉 (faraday rotation)，則此介質有圓偏振雙折射性(circular birefringent)，若兩個
旋光在穿透介質之後產生了振幅差，則此介質有圓偏振二色性 (circular dichroism)。(2) 外加磁場垂直入射光行進方向(Voigt configuration)，將線性 偏振的入射光分解成兩個彼此互相垂直的線性偏振光，其中一道平行磁場 方向、另一道垂直磁場方向，如果兩道線偏振光在穿透介質之後產生相位 差，則此現象稱為線偏振雙折射性(linear birefringent)，若兩道線偏振光在 穿透介質之後產生振幅差，則此現象稱為線偏振二色性(linear dichroism)。
反射式磁光效應
反射式磁光效應又稱為柯爾效應，一樣依照入射光的前進、偏振方向 以及外加磁場方向將磁光性質分類。極向結構(polar configuration)為外加磁 場方向垂直樣品表面，和透射式的法拉第結構一樣，可觀察材料的圓偏振 雙折射性和圓偏振二色性。而外加磁場方向與樣品表面平行可更細分為外 加磁場平行入射面的縱向結構，或是外加磁場垂直入射面的橫向結構 (longitudinal、transverse configuration)，與透射式的 Voigt 結構相同，可觀察 材料的線性偏振二色性和線性偏振雙折射性。在本研究的實驗架構採取外 加磁場平行入射面的縱向結構。
圖 3-5 磁光效應結構
Transmission configuration
Phase difference Amplitude difference Faraday circular birefringent circular dichroism
Voigt linear birefringent linear dichroism 表3-1 透射式磁光效應分類
Reflection configuration
Phase difference Amplitude difference polar circular birefringent circular dichroism longitudinal
transverse
linear birefringent linear birefringent
linear dichroism linear dichroism 表3-2 反射式磁光效應分類
3-3 時間解析磁光柯爾效應
早在1845 年，法拉第首先發現了磁光效應，當外加磁場作用在玻璃樣 品上時，玻璃的透射光偏振方向發生了旋轉。1877 年柯爾觀察到偏振光從
已拋光的磁鐵反射後發生了偏振方向的旋轉，而稱之為柯爾效應。這是最 早進行有關偏極光與磁場交互作用的相關研究。
拜科技的進步、脈衝雷射與半導體的發明，利用偏極光來研究磁動力 學的實驗已經有許多成果。早在1990 年 M. R. Freeman 等人利用飛秒時間 解 析 法(femtosecond time-resolved method) 觀 察 稀 磁 性 半 導 體 (diluted magnetic semiconductor，DMS)所發出的圓偏極化螢光來探討稀磁性半導體 的自旋極化率(spin polarization)[13]。1991 年 T. C. Damen 等人利用時間解析 光激發螢光法(time-resolved photo luminescence method)量測砷化鎵量子井 (GaAs quantum well)的自旋鬆弛時間(spin relaxation)以及熱激子(thermalized exciton)，並用圓偏振光去激發樣品同時接收它發出的圓偏振螢光以得到自 旋鬆弛時間[14][15]。1994 年 J. J. Baumberg 等人利用飛秒時間解析法拉第 光譜儀(femtocecond time-resolved Faraday spectroscopy)量測自旋動力學，將 圓偏振光激發稀磁半導體並量測法拉第旋轉推得自旋鬆弛時間，並比對載 子鬆弛時間(carrier relaxation)，發現載子結合速率(carrier recombination rate)
processes)[18]，並利用電子、自旋、晶格交互作用的模型來描述實驗結果。
而 近 期 則 有 許 多 利 用 時 間 解 析 磁 光 柯 爾 效 應 (time-resolved magneto-optic Kerr effect，time-resolved MOKE)量測方法對磁性材料做的相
關研究，在2002 年 A. V. Kimel 等人從鐵電性六方晶系稀土錳氧化物的三 階非線性光學響應，推得介電係數張量的變化[19]。2003 年 A. N. Busch 量 測出準金屬(half-metallic)的磁滯曲線(hysteresis loops)、各向異性(anisotropy) 以及探討磁化率(magnetization)的動力學[20]。2004 年 A. V. Kimel 等人利用
同 樣 技 術 證 明 超 短 雷 射 脈 衝 可 以 引 發 在 反 鐵 磁 材 料 的 超 快 自 旋 轉 向 (ultrafast spin reorientation)，並指出線偏振雙折射性可以用來研究反鐵磁向 量的變化[21]。由一系列的實驗可知，時間解析磁光柯爾效應不但可研究金 屬、多鐵材料的靜態特性，更可以在磁性動力學上面，給予研究的幫助。