磁光材料實(shí)用教案

1、10.1 磁光效應(yīng)及其特征(tzhng) 10.1.1光的基本概念 10.1.2法拉第效應(yīng)(xioyng) 10.1.3科頓-莫頓效應(yīng)(xioyng) 10.1.4克爾效應(yīng)(xioyng) 10.1.5塞曼效應(yīng)(xioyng)第1頁/共25頁第一頁，共26頁。10.1.1光的基本概念 （1）光的偏振 1、自然光 2、線偏振光 3、部分(b fen)偏振光 4、圓偏振光：左旋圓偏振光，右旋圓偏振光； 5、橢圓偏振光：左旋橢圓偏振光，右旋橢圓偏振 光；第2頁/共25頁第二頁，共26頁。 設(shè)一單色平面波沿軸方向傳播，根據(jù)光的橫波性，可將其電 矢量寫成： （10-1） 式中光波長； 光波的圓頻率或角頻

2、率； 兩個橫向電矢量之間的相位差。 消去(xio q)式（10-1）中的 ，整理得 （10-2）002cos2cos0 xxyyzEEztEEztE2zt22200002cossinyyxxxyxyEEEEEEEE第3頁/共25頁第三頁，共26頁。 當(dāng) 時，式（10-2）成為(chngwi)： （10-3） 當(dāng) 時，式（10-2）成 為： （10-4） 如果 代表左旋橢圓偏振光 如果 代表右旋橢圓偏振光（2）光的雙折射和二向色性n00= -1yyxxEEEE00= ,m/ 21, 3, 5,xyEEAm 2-/ 20, 1, 2,nn 2/ 20, 1, 2,nn 0, 1, 2,nn222x

3、yEEA第4頁/共25頁第四頁，共26頁。10.1.2法拉第效應(yīng)(xioyng)（1）磁旋光效應(yīng)及其非互易性 當(dāng)線偏振光通過一個處于(chy)磁場大小為的順磁性或逆磁性 材料后，透射光偏振方向的旋轉(zhuǎn)角正比于磁場大小和材料 厚度,即 （10-5） 式中 費(fèi)爾德常數(shù)。 在鐵磁性或反鐵磁介質(zhì)中，法拉第旋轉(zhuǎn)角正比于磁化強(qiáng)度 ，即 （10-6） 式中 孔特常數(shù)。（2）磁光旋轉(zhuǎn)的測量=VHL=KML第5頁/共25頁第五頁，共26頁。10.1.3科頓-莫頓效應(yīng)(xioyng) 這是一個當(dāng)外加(wiji)磁場垂直于光的行進(jìn)方向時產(chǎn)生 的光偏振面旋轉(zhuǎn)效應(yīng)，又稱磁線振雙折射（1）磁線振雙折射（2）磁線振雙折射的測

4、量第6頁/共25頁第六頁，共26頁。10.1.4克爾效應(yīng)(xioyng) 一束偏振光入射到具有磁矩的介質(zhì)界面( jimin)上，反射 后其偏振狀態(tài)會發(fā)生變化，這個效應(yīng)稱為克爾效應(yīng)。 克爾效應(yīng)分為三種類型： （1）極向克爾效應(yīng) （2）橫向克爾效應(yīng) （3）縱向克爾效應(yīng) 克爾效應(yīng)的測量第7頁/共25頁第七頁，共26頁。10.1.5 塞曼效應(yīng) 入射單射光經(jīng)過處于(chy)磁場的某些物質(zhì)后，譜線會 受到磁場的影響而分裂成若干條譜線，分裂的各譜線 間隔大小與磁場強(qiáng)度成正比，這一磁光效應(yīng)稱塞曼效 應(yīng)。第8頁/共25頁第八頁，共26頁。10.2 磁光材料(cilio) 10.2.1 磁旋光材料(cilio)

5、10.2.2 磁光存儲材料(cilio)第9頁/共25頁第九頁，共26頁。10.2.1 磁旋光材料(cilio) （1）磁光晶體( jngt) 1、石榴石單晶 2、尖晶石晶體( jngt) （2）磁光薄膜 1、石榴石單晶薄膜 2、合金薄膜第10頁/共25頁第十頁，共26頁。（3）磁光玻璃(b l) 三種玻璃材料的費(fèi)爾德常數(shù)可有如下經(jīng)驗(yàn)公式給出： AOT-44B (10-7) AOT-5 (10-8) FR-5 (10-9) 其中(qzhng)是以“ ”為單位的費(fèi)爾德常數(shù)，是以“”為單位的波長。 22240.02760.98 100.473 10V 22-1-40.01620.96 100.36

6、 10V 2-3-40.0781-0.128-0.513 10V410 min/ T cm第11頁/共25頁第十一頁，共26頁。10.2.2 磁光存儲材料(cilio) （1）MnBi多晶材料(cilio) （2）非晶態(tài)材料(cilio) （3）石榴石薄膜第12頁/共25頁第十二頁，共26頁。10.3 磁光材料(cilio)的應(yīng)用 10.3.1 磁旋光材料的應(yīng)用(yngyng) 10.3.2 磁光材料非互易性的應(yīng)用(yngyng) 10.3.3 磁光存儲材料的應(yīng)用(yngyng)第13頁/共25頁第十三頁，共26頁。10.3.1 磁旋光材料(cilio)的應(yīng)用（1）磁光調(diào)制 設(shè)由交變電流產(chǎn)生的

7、交變磁場(cchng)引起的法拉第旋轉(zhuǎn)角 為 ，則低頻磁光調(diào)制器系統(tǒng)的輸出光強(qiáng)為 (10-10) 當(dāng)用正弦波電流輸入調(diào)制線圈時，則在垂直石榴石單晶薄膜平面的方向上產(chǎn)生一個正弦變化的交變磁場(cchng)，由此引起的交變法拉第旋轉(zhuǎn)角 為 (10-11) 式中 是交變法拉第旋轉(zhuǎn) 的幅度，稱為調(diào)制幅度。 20t0tcos+=/ 21 cos2tIII 0sintttt0ttt第14頁/共25頁第十四頁，共26頁。 由于交變磁場引起的法拉第旋轉(zhuǎn)使輸出(shch)光強(qiáng)幅度變化（磁光調(diào)制幅度）為 （10-12） 由式（10-10）、式（10-12）兩式可知： （a）當(dāng) 為定值時，磁光調(diào)制幅度隨而變化。 =

8、45 時，磁光調(diào)制幅度最大。此時由式（10-10）得 （10-13） 隨 作正弦變化。 （b）當(dāng)=45時， =45磁光調(diào)制幅度最大。由式（10-13） 可以看出，當(dāng) 45 時，調(diào)制波形將產(chǎn)生畸變。220t00t000coscos+sin2sin2tIII 0t045 +=/ 2 1-sin2ttIIt0t0tI第15頁/共25頁第十五頁，共26頁。 （c）當(dāng)45時，不僅與 有關(guān)，而且與的變化也有 關(guān)，因此調(diào)制波形及其幅度將隨起偏器和檢偏器相對(xingdu)位置值 而變化， 45也會引起調(diào)制波形的畸變。 （d）當(dāng)90 ，即兩偏振器處于正交位置時，輸出光強(qiáng)為 (10-14) 此時， 是 的偶函數(shù)

9、，輸出光強(qiáng)僅與 的大小有關(guān)，即與 交變磁場的大小有關(guān)，與磁場的方向無關(guān)。 當(dāng)0時，輸出光強(qiáng)為： (10-15) 輸出光強(qiáng) 的變化情況與90 時相類似。0tt20t090 +=cos90 +=/ 2 1-cos2ttIIItt 20t0cos/ 2 1 cos2ttIIIII第16頁/共25頁第十六頁，共26頁。 1、釔鐵石榴石單晶磁光調(diào)制器 2、石榴石單晶薄膜磁光調(diào)制器 3、玻璃磁光調(diào)制器 4、薄膜波導(dǎo)磁光調(diào)制器 將平均磁化強(qiáng)度表示為靜態(tài)和動態(tài)分量之和， ，并利用Landau-Lifshitz方程可得 （10-16） 式中 旋磁比， ； 真空磁導(dǎo)率。 介電常數(shù)張量的非對角分量 決定了 模的耦合

10、，對 的貢獻(xiàn)來源于法拉第旋轉(zhuǎn)，輸出端TE模的光強(qiáng) 正比 于 ，所以 （10-17） 偏振光的強(qiáng)度與磁化強(qiáng)度的變化(binhu)量有關(guān)，當(dāng) 的取向垂直 于光的傳播方向時， 達(dá)到最大值。si tMMme0si mMHO mH228GHz T 0yxTMTEMOI2yx22cosMOzMOImIyxTEMOIsM第17頁/共25頁第十七頁，共26頁。（2）磁光開關(guān)（3）磁光傳感 根據(jù)法拉第效應(yīng)原理，當(dāng)一束線偏振光通過(tnggu)置于磁場中的逆磁性或順磁性磁光材料時，偏振方向?qū)l(fā)生一定的旋轉(zhuǎn)。法拉第旋轉(zhuǎn)可表示為 （10-18） 式中 材料的費(fèi)爾德常數(shù)； 磁場強(qiáng)度； 光在磁光材料中通過(tnggu)的

11、長度。=d lVH第18頁/共25頁第十八頁，共26頁。 設(shè)光源光強(qiáng)為 ，起偏器與檢偏器偏振軸夾角為 ，則馬呂斯定律可得： (10-19) 在相位探測原理中，起偏器的透光軸以 的角速度旋轉(zhuǎn)，由于法拉第效應(yīng)，從磁光材料中出射的是偏離了角的旋轉(zhuǎn)著的線偏振光，由光電管轉(zhuǎn)變成電信號后，出射信號 是被2調(diào)制的正弦信號 (10-20) 其中為小于1的常數(shù)。 從光源中選出參考信號 (10-21) 則兩者相位角差 (10-22)這種方法(fngf)使相位差在 內(nèi)能被線性探測。200cos451 sin22III0I01 sin2sIItsinrIt22tt218045/2sI第19頁/共25頁第十九頁，共26

12、頁。常用的傳感頭有以下幾種 1、正方形傳感頭 2、圓環(huán)狀傳感頭 3、全光纖傳感頭 對于無損耗雙折射光學(xué)系統(tǒng)的瓊斯矩陣 (10-23) 其中(qzhng)矩陣元 和 中 號分別表示傳播方向，星號表示復(fù)共軛，對于無損耗系統(tǒng)， 。在互易系統(tǒng)中，有 和 ?？啥x這種傳感器的正向強(qiáng)度傳遞函數(shù)為 (10-24) 反向強(qiáng)度傳遞函數(shù)則為 (10-25)ABMBABA1M _AAA_BBB2211ReReImIm22TABAB2211ReReImIm22TABAB第20頁/共25頁第二十頁，共26頁。 其中不失普遍性，假定一個偏振器的偏振方向沿坐標(biāo)軸，另一偏振器的相對偏振方向角為 ，通過計(jì)算反向傳播的傳播系數(shù)，

13、可得系統(tǒng)地強(qiáng)度傳遞函數(shù) (10-26) 若耦合器的插入損耗可以(ky)忽略，二個光探測器的接收光強(qiáng)可以(ky)表示為 (10-27) 和 (10-28) 式中 從光源出射的光強(qiáng)； 光纖的總損耗； 二個相反方向的強(qiáng)度傳遞函數(shù)，因子1/8來源于耦合器耦合損耗。221cossincos2TTAB0118IL TI0218IL TI0IL,T T第21頁/共25頁第二十一頁，共26頁。 互易補(bǔ)償信號定義(dngy)為 (10-29)全光纖傳感頭結(jié)構(gòu)的傳感器，強(qiáng)度傳遞函數(shù)為 (10-30)和 (10-31) 其中 和 分別表示的實(shí)部和虛部。IITTSIITT2211ReReImIm22TABAB2211

14、ReReImIm22TABAB Re x Im x第22頁/共25頁第二十二頁，共26頁。10.3.2 磁光材料非互易(h y)性的應(yīng)用（1）磁光隔離 1、偏振相關(guān)磁光隔離器 2、偏振無關(guān)(wgun)近紅外磁光隔離器（2）磁光環(huán)行 1、三端口不完全光環(huán)行器 2、四端口完全環(huán)行器第23頁/共25頁第二十三頁，共26頁。10.3.3 磁光存儲材料(cilio)的應(yīng)用 當(dāng)入射光 在記錄面反射后，其偏振面對應(yīng)于向上(xingshng)和向下的磁化方向?qū)⑿D(zhuǎn) 和 。如薄膜的反射率為R，其光強(qiáng)表示為 (10-32) 其中為起偏器的角度。代表“1”和“0”的上、下磁化方向信號差為： (10-33) 當(dāng) 時， 為最大。0IKK20sinKII R2200sinsinsin2 sin2KKKII RI R 45