磁光效應(yīng)與磁光材料

關(guān)于磁光效應(yīng)與磁光材料第1頁，共55頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)11分，星期五1845年，英國物理學(xué)家Faraday首次發(fā)現(xiàn)了磁致旋光效應(yīng)。其后一百多年，人們又不斷發(fā)現(xiàn)了新的磁光效應(yīng)和建立了磁光理論，但磁光效應(yīng)并未獲得廣泛應(yīng)用。直到1950年代，磁光效應(yīng)才被廣泛應(yīng)用于磁性材料磁疇結(jié)構(gòu)的觀察和研究。近年來，隨著激光、計(jì)算機(jī)、信息、光纖通信等新技術(shù)的發(fā)展，人們對磁光效應(yīng)的研究和應(yīng)用不斷向深度和廣度發(fā)展，從而涌現(xiàn)出許多嶄新的磁光材料和磁光器件。各種磁光材料——磁光玻璃、磁光薄膜、磁性液體、磁性光子晶體和磁光液晶等發(fā)展極為迅速，磁光材料及器件的研究從此進(jìn)入空前發(fā)展時(shí)期，并在許多高新技術(shù)領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。近幾十年來，一門新型分支學(xué)科——磁光學(xué)(包括磁光效應(yīng)、磁光理論、磁光材料、磁光測量、磁光器件、磁光光譜學(xué)等)基本形成，以此為背景的各種磁光材料及器件也顯示了其獨(dú)特的性能和廣闊的應(yīng)用前景，并引起了人們濃厚的興趣。引言第2頁，共55頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)11分，星期五有些物質(zhì)，如順磁性、磁鐵性、反鐵磁性和亞鐵磁性物質(zhì)的內(nèi)部，具有原子或離子磁矩。這些具有固有磁矩的物質(zhì)在外磁場的作用下，電磁特性會發(fā)生變化，因而使光波在其內(nèi)部的傳輸特性也發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為磁光效應(yīng)。有些物質(zhì)，如逆磁性物質(zhì)內(nèi)部，沒有固有的原子或離子磁矩，但這種物質(zhì)處于外磁場中時(shí)，將使其內(nèi)部的電子軌道產(chǎn)生附加的拉莫進(jìn)動。這一進(jìn)動具有相應(yīng)的角動量和相應(yīng)的磁矩，從而亦能使光波在其內(nèi)部傳播的特性發(fā)生變化，但這種物質(zhì)產(chǎn)生的磁光效應(yīng)遠(yuǎn)較鐵磁性和亞鐵磁性物質(zhì)的微弱。磁光效應(yīng)，包括法拉第效應(yīng)、克爾效應(yīng)、磁線振雙拆射(科頓一穆頓效應(yīng)和瓦格特效應(yīng))、磁圓振二向色性、磁線振二向色性，塞曼效應(yīng)和磁激發(fā)光散射等，其中最為人們所熟悉，而且亦最有用的是法拉第效應(yīng)。第3頁，共55頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)11分，星期五第一部分

光和磁的基礎(chǔ)知識A光的橫波性與五種偏振態(tài)光的干涉和衍射現(xiàn)象只表明光是一種波動，光的偏振現(xiàn)象才清楚地顯示光是橫波（振動方向與傳播方向垂直）而不是縱波。1．光的偏振現(xiàn)象與光的橫波性a機(jī)械波的橫波性的檢驗(yàn)如圖，將橡皮繩的一端固定，上下抖動另一端，于是橫波沿繩傳播，在波的傳播路徑中放置兩個欄桿G1、G2，若二者縫隙方向一致圖(a)，則通過G1的振動可無阻礙地通過G2；若二者縫隙方向垂直圖(b)，則通過G1的振動傳到G2處就被擋住，在G2后不再有波動。這只可能是橫波。第4頁，共55頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)11分，星期五c光的偏振的含義光波振動方向的不全面和振幅不均等的現(xiàn)象稱為光的偏振現(xiàn)象。b光波的橫波性的檢驗(yàn)（光的偏振現(xiàn)象）阻擋（消光），若繼續(xù)轉(zhuǎn)過90度，透射光又變?yōu)樽盍粒俎D(zhuǎn)過90度，又復(fù)消光，如此等等。結(jié)論：偏振片所起的作用反映了它上面存在一個特殊方向，使光波中的振動能順利通過；該實(shí)驗(yàn)也反映了光波的振動方向與傳播方向垂直即光波是橫波。光的電磁理論建立以后，光的橫波性才得以完滿說明：在自由空間傳播的光波是一種純粹的橫波，光波中沿橫向振動著的物理量是電場矢量和磁場矢量，鑒于在光和物質(zhì)的相互作用過程中主要是光波中的電矢量起作用，所以常以電矢量作為光波中振動矢量的代表。光的橫波性只表明電矢量與光的傳播方向垂直，在與傳播方向垂直的二維空間里電矢量還可能有各式各樣的振動狀態(tài)，稱之為光的偏振態(tài)或偏振結(jié)構(gòu)。如圖，讓光線依次通過兩個偏振片P1、P2，P1固定不動，以光線為軸轉(zhuǎn)動P2，發(fā)現(xiàn)：隨著P2的的取向不同，透射光的強(qiáng)度發(fā)生變化，當(dāng)P2處于某一位置時(shí)透射光的強(qiáng)度最大，由此位置轉(zhuǎn)過90度后，透射光的強(qiáng)度減為零，即光線完全被P2所第5頁，共55頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)11分，星期五d偏振片（1）晶體的二向色性（選擇吸收性）（2）偏振片及其透振方向和消光方向（3）偏振片的起偏和檢偏性能行時(shí)被吸收得較少，光可以較多地通過圖（a），振動的電矢量與光軸垂直時(shí)被吸收得較多，光通過得較少圖（b）。偏振片對入射光具有消光和透過的功能，偏振片上能透過的振動方向稱為透振方向（區(qū)別于光的傳播方向）。晶體對不同方向的電磁振動具有選擇吸收的性質(zhì)。如當(dāng)光線射在電氣石晶體表面上時(shí)，振動的電矢量與光軸平起偏器：任何偏振態(tài)的光通過后透射光都變?yōu)榫€偏振光的器件。檢偏器：檢查入射光偏振態(tài)的器件，線偏振光通過此器件后光強(qiáng)變?yōu)榱?。偏振片既是起偏器，又是檢偏器。第6頁，共55頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)11分，星期五2.光的五種偏振態(tài)光是橫波，才有不同的偏振狀態(tài)光波的五種偏振態(tài)：自然光、線偏振光、部分偏振光、圓偏振光和橢圓偏振光。第7頁，共55頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)11分，星期五a自然光(1)自然光自然光：在垂直光傳播方向的平面上，所有方向均有橫振動，各個方向的振動幅度均相等，形成如圖所示的軸對稱振幅分布。（2）自然光通過偏振片后的光強(qiáng)度自然光通過偏振片后透射光強(qiáng)為入射光強(qiáng)的一半。任何光線通過偏振片后剩下的只是振動沿其透振方向的分量，透射光的強(qiáng)度等于這分量的平方，由于自然光中各振動的對稱分布，它們沿任何方向的分量造成的強(qiáng)度I都一樣，它等于總強(qiáng)度I0的一半。所以當(dāng)我們轉(zhuǎn)動P的透振方向時(shí)，透射光的強(qiáng)度I并不改變。第8頁，共55頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)11分，星期五b.橢圓偏振光(1)橢圓偏振光在垂直光傳播方向的平面上，只有單一的振動矢量，振動矢量的大小和方向不斷地改變，振動矢量（電矢量）的端點(diǎn)在波面內(nèi)描繪的軌跡是一個橢圓。每一時(shí)刻的電矢量可分解為當(dāng)或時(shí)若消去參量方程中的t橢圓方程橢圓長軸、短軸的大小和取向，與振幅Ax,Ay和位相差都有關(guān)系結(jié)論：(1)橢圓偏振光可以分解為兩個互相垂直的振幅不相等的相位差固定、但不等于或0的線偏振光(2)可以由這兩束線偏振光來代替這束橢圓偏振光。第9頁，共55頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)11分，星期五(2)左旋與右旋橢圓偏振光定義：迎著光線傳播的方向觀看，若振動矢量E順時(shí)針旋轉(zhuǎn)就稱為右旋橢圓偏振光，若振動矢量E逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)就稱為左旋橢圓偏振光。對應(yīng)于左旋對應(yīng)于右旋第10頁，共55頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)11分，星期五(3)橢圓偏振光通過偏振片后的光強(qiáng)度若入射的橢圓偏振光強(qiáng)為旋轉(zhuǎn)偏振片P一周，透射光強(qiáng)的變化為：即每隔90度透射光強(qiáng)從極大變?yōu)闃O小，再由極小變?yōu)闃O大,但沒有消光位置。與的振動方向垂直。第11頁，共55頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)11分，星期五c.圓偏振光(1)圓偏振光在垂直光傳播方向的平面上，只有單一的振動矢量，振動矢量的大小不變，振動方向勻速轉(zhuǎn)動，振動矢量(電矢量)的端點(diǎn)描繪成一個圓形軌跡。圓偏振光可看成是橢圓偏振光的特例，圓偏振光能夠分解成兩束互相垂直的線偏振光。消去參量t有：圓方程結(jié)論：1）圓偏振光可以分解為兩個互相垂直的振幅相等、相位差為的線偏振光。2）可以由這兩束線偏振光來代替這束圓偏振光。第12頁，共55頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)11分，星期五(2)左旋圓偏振光與右旋圓偏振光定義：迎著光線傳播方向觀看，若振動矢量E順時(shí)針旋轉(zhuǎn)就稱為右旋圓偏振光，此時(shí)：若振動矢量E逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)就稱為左旋圓偏振光，此時(shí)：(3)圓偏振光通過偏振片后的光強(qiáng)度若入射光強(qiáng)為：旋轉(zhuǎn)偏振片P一周，透射光強(qiáng)不變化這是因?yàn)閳A偏振光可沿任意一對相互垂直的方向分解成振幅相等的兩個偏振光。其中一個分量通不過偏振器，另一個能通過。第13頁，共55頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)11分，星期五d線偏振光(1)線偏振光的定義：在垂直光傳播方向的平面上，只有單一方向的振動矢量，隨著時(shí)間的推移，振動矢量只改變大小、不改變方向。第14頁，共55頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)11分，星期五一束線偏振光可以分解為兩束互相垂直的線偏振光第15頁，共55頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)11分，星期五消去參量t，有：直線方程結(jié)論：（1）線偏振光可以分解為兩個互相垂直的相位差為0或的線偏振光，（2）可以由這兩束線偏振光代替這束線偏振光。第16頁，共55頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)11分，星期五(2)振動面與平面偏振光振動面：線偏振光的傳播方向與振動方向構(gòu)成的平面。同一波線上的線偏振光的光振動均處于同一振動面上，又稱線偏振光為平面偏振光。線偏振光是偏振程度最強(qiáng)的光，又稱線偏振光為全偏振光。

第17頁，共55頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)11分，星期五(3)線偏振光通過偏振片后的光強(qiáng)度若入射的線偏振光強(qiáng)為：

旋轉(zhuǎn)偏振片P一周，透射光強(qiáng)的變化為：

存在一個消光方向,在垂直P的透振方向上第18頁，共55頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)11分，星期五e．部分偏振光(1)部分偏振光在垂直光傳播方向的平面上，所有方向均有橫振動，但不同方向的振動幅度不相等，形成如圖的振幅分布。(2)部分偏振光通過偏振片后的光強(qiáng)度

若入射的部分偏振光光強(qiáng)為旋轉(zhuǎn)偏振片P一周，透射光強(qiáng)的變化為：與的振動方向互相垂直第19頁，共55頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)11分，星期五部分偏振光的總光強(qiáng)

偏振度：

時(shí)，，為自然光

時(shí)，，是線偏振光

注意：與是所有線偏振光在這兩個互相垂直方向上的投影分量的非相干疊加。

第20頁，共55頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)11分，星期五B磁疇和磁化物質(zhì)由原子、分子、離子組成，有些原子或離子，如Fe、Co、Ni、Fe2+、Fe3+、Tb3+、Sm3+、Pr3+等具有一定大小的磁矩，由這些磁性原子、離子組成的合金和化合物，通常具有很強(qiáng)的磁性。

具有強(qiáng)磁性的物質(zhì)稱為磁性物質(zhì)。（鐵磁性與亞鐵磁性）2.在磁性物質(zhì)內(nèi)部，有許許多多小區(qū)域，在每一個小區(qū)域內(nèi)，由于原于或離子之間具有很強(qiáng)的電的和磁的相互作用，所有的原子或離于磁矩都互相平行、整齊地排列起來，這種小區(qū)域即磁疇。因?yàn)楦鞔女牭拇啪胤较蚴遣幌嗤?，因此對外作用互相抵消，宏觀上并不顯示出磁性(圖a)。若沿物體的某一方向施加一個不大的磁場，物體內(nèi)的各磁疇磁矩會從各個不同的方向，轉(zhuǎn)到磁場方向或接近磁場方向，因而在磁場方向存在磁矩的聯(lián)合分量，對外就顯示出磁性(圖b)，即物體被外磁場磁化了。單位體積內(nèi)各個磁疇磁矩的矢量和叫磁化強(qiáng)度矢量（M）。當(dāng)施加的外磁場足夠大，以致所有的磁疇磁矩都沿外磁場方向排列(此時(shí)磁疇消失了(圖c)，再增加外磁場也不能增強(qiáng)磁化，即物體磁化達(dá)到飽和，M→Ms，Ms稱為飽和磁化強(qiáng)度。第21頁，共55頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)11分，星期五3.外加磁場的方向不同，有些物體沿不同方向磁化的情形是不同的，我們稱這種現(xiàn)象為磁性的各向異性。這主要是由下列三種因素造成的。

(1)結(jié)構(gòu)上的各向異性在晶體中，原子的排列是有規(guī)則的，在各個方向上排列的狀況是不相同的。如在簡單立方晶體中，沿[100]方向的原子排列比較緊密，而沿[111]方向的原子排列就比較稀疏。又如在兩種以上原子構(gòu)成的晶體中，在其一方向排成直線的是同一種原子，在另一方向排成直線的是兩種以上的原子。這些狀況屬于結(jié)構(gòu)上的各向異性。由于結(jié)構(gòu)上的各向異性，磁性晶體磁化時(shí)，在磁性上亦會表現(xiàn)出各向異性，這種現(xiàn)象稱為磁晶各向異性。例如：鐵單晶屬于立方晶系(如圖)。在[100]方向加不大的磁場，磁化就會達(dá)到飽和，在[110]加同樣大小的磁場，磁化就不如[100]方向強(qiáng)，而在[111]方向，磁化則更弱了。我們把最容易磁化的方向稱為易磁化方向，如鐵單晶中的[100]方向，最難磁化的方向稱為難磁化方向，如鐵單晶中的[111]方向。第22頁，共55頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)11分，星期五(2)形狀上的各向異性磁性物體磁化后，在物體的端面會出現(xiàn)N、S兩個磁極，如圖a所示。這樣，在物體內(nèi)部就會產(chǎn)生一種磁場Hd，其方向與外磁場Ha方向相反或接近相反，因而有減退磁化的作用，故Hd稱為退磁場。真正作用在物體內(nèi)部的磁場強(qiáng)度Hi為Hi=Ha+Hd，在數(shù)值上．Hd越大，Hi就比Ha小得越多，這表明物體越難磁化。退磁場Hd一般是不均勻的?？墒窃跈E球中，如果磁化均勻，其內(nèi)部的Hd則是均勻的，且Hd大小與內(nèi)部的磁化程度M成正比，方向與M相反。Hd＝—NM，N稱為退磁因子。橢球在三個主軸上的退磁因子Nx，Ny和Nz有以下關(guān)系：Nx+Ny+Nz=1。N的數(shù)值決定于物體的幾何形狀。通常物體各方向上的退磁因子是不相同的。由此可知，同樣大小的外磁場沿不同方向磁化時(shí)，各個方向上的退磁場是不相同的，因而內(nèi)磁場Hi亦各不相同。這種因物體的幾何形狀所導(dǎo)致的沿不同方向磁化難易程度不同的現(xiàn)象稱為形狀各向異性．第23頁，共55頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)11分，星期五圖b、c兩種形狀是橢球體的兩個特殊情況。在無限長圓柱體情形，Nz＝0，Nx＝Ny＝1／2。由此不難看出，當(dāng)外磁場Ha大小一定時(shí)，沿?zé)o限長圓柱體長軸方向(z方向)磁化時(shí)，Hi最大，即最易磁化。在無限大薄片情形Nx＝Ny≈0．Nz＝1。因此，沿垂直于無限大薄片方向(z方向)磁化時(shí)，薄片內(nèi)的Hi最小，即最難磁化，而沿?zé)o限大薄片平面內(nèi)磁化時(shí)，Hi最大，即最易磁化。如在集成光學(xué)器件中，常用到的稀土鐵石榴石單晶薄膜的情形，如果單從形狀各向異性考慮，則垂直于薄膜平面的方向是難磁化方向，薄膜平面內(nèi)的任何方向都是易磁化方向，只要在薄膜平面內(nèi)施加40—8000A／m（0.5~100Oe）的磁場，即可使石榴石膜磁化到飽和。第24頁，共55頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)11分，星期五(3)應(yīng)力的各向異性，磁性物體被磁化時(shí)，要發(fā)生伸縮，如果受到限制而不能伸縮，則物體中就會產(chǎn)生應(yīng)力。例如，在非磁性釓鎵石榴石(Gd3Ga5O12簡稱GGG)上外延生長的釔鐵石榴石(Y3Fe5O12簡稱YIG)單晶薄膜，被磁化后會發(fā)生伸縮，但由于受到GGG襯底的牽制會在薄膜內(nèi)產(chǎn)生應(yīng)力。有時(shí)候人為地使磁性薄膜材料的點(diǎn)陣常數(shù)略大子或略小于襯底材料的點(diǎn)陣常數(shù)，這種點(diǎn)陣常數(shù)的失配會在磁性薄膜內(nèi)產(chǎn)生一定大小的應(yīng)力。在各個方向上應(yīng)力的情況往往是不一樣的，物體磁化時(shí)產(chǎn)生的這種應(yīng)力的各向異性，亦會導(dǎo)致磁性的各向異性，這種現(xiàn)象稱為應(yīng)力各向異性。那么，磁性物體的哪個方向是易磁化方向呢?這要由上述三種因素共同決定。我們可以通過調(diào)節(jié)成分、配方、工藝條件和樣品形狀等方法使某一個或某兩個因素起支配作用，這時(shí)易磁化方向就由這一個或兩個主要因素決定。在用于磁光器件的磁性薄膜材料中，有時(shí)使易磁化方向處于薄膜平面內(nèi)，有時(shí)使易磁化方向處于垂直于薄膜平面的方向上。例如，用于磁鏡偏頻激光陀螺的(EiPrGdYb)3·(FeAl)6O12單晶薄膜，其易磁化方向在薄膜平面內(nèi)，而具有磁光泡特性(BiTm)3（FeGa)5O12摯晶薄膜，共易磁化方向卻在垂直薄膜平血的[111]方向上。這樣，人們只要在易磁化方向上施加一個較小的磁場，就可以使薄膜磁化到飽和。第25頁，共55頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)11分，星期五第二部分磁光效應(yīng)當(dāng)光透過鐵磁體或被磁體反射，由于鐵磁體存在自發(fā)磁化強(qiáng)度，使光的傳輸特性發(fā)生變化，產(chǎn)生新的各種光學(xué)各向異性現(xiàn)象，統(tǒng)稱為磁光效應(yīng)。磁光效應(yīng)指的是具有固有磁矩的物質(zhì)在外磁場的作用下電磁特性(如磁導(dǎo)率、磁化強(qiáng)度、磁疇結(jié)構(gòu)等)會發(fā)生變化，使光波在其內(nèi)部的傳輸特性(如偏振狀態(tài)、光強(qiáng)、相位、傳輸方向等)也隨之發(fā)生變化的現(xiàn)象。磁光效應(yīng)包括法拉第效應(yīng)、磁光克爾效應(yīng)、塞曼效應(yīng)、磁致雙折射效應(yīng)以及后來發(fā)現(xiàn)的磁圓振二向色性、磁線振二向色性、磁激發(fā)光散射、磁場光吸收、磁離子體效應(yīng)和光磁效應(yīng)等。第26頁，共55頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)11分，星期五A法拉第效應(yīng)（重點(diǎn)）法拉第效應(yīng)是指一束線偏振光沿外加磁場方向（磁化強(qiáng)度矢量的方向）通過置于磁場中的介質(zhì)時(shí)，由于左、右旋圓偏振光（線偏振光分解來的，透射后存在相位差、仍合成為線偏振光）在鐵磁體中的折射率不同，透射光的偏振化方向相對于入射光的偏振化方向轉(zhuǎn)過一定角度θF

（法拉第轉(zhuǎn)角）的現(xiàn)象。材料中的法拉第轉(zhuǎn)角θF與樣品長度L和磁場強(qiáng)度H的關(guān)系：θF=HLV

其中，V為Verdet常數(shù)，是物質(zhì)固有的比例系數(shù)，單位是min/(Oe?cm)。

注：1.這一效應(yīng)最早由法拉第發(fā)現(xiàn),通常又稱為法拉第旋轉(zhuǎn)效應(yīng)。2.從公式看出，光波的偏振面繞傳輸軸連續(xù)旋轉(zhuǎn)(相對H),直至磁光介質(zhì)的終端，偏振面旋轉(zhuǎn)了θF。3.法拉第效應(yīng)可分為右旋和左旋兩種:當(dāng)線偏振光沿著磁場方向傳播時(shí),振動面向左旋;當(dāng)光束逆著磁場方向傳播時(shí),振動面將向右旋。第27頁，共55頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)11分，星期五產(chǎn)生法拉第旋轉(zhuǎn)（磁旋光）的內(nèi)在原因是磁性原子或離子的光躍迂，由于這些躍遷導(dǎo)致了磁場中兩個旋轉(zhuǎn)方間相反的圓偏振波之間的色散差。例如在YIG磁性晶體中，導(dǎo)致依賴于波長的磁旋光主要是處于八面體位置上的鐵離子的躍遷貢獻(xiàn)的。磁旋光包括磁偶極子和電偶極子兩種躍遷的貢獻(xiàn)。

θF

＝θM十θE式中θM和θE分別是由磁偶板子和電偶極子躍遷引起的。當(dāng)光頻率大于磁偶極子躍遷相對應(yīng)的鐵磁共振頻率時(shí)θM＝γ4πMs其中，γ為旋磁比，Ms為飽和磁化強(qiáng)度，磁偶極子躍遷對磁旋光的貢獻(xiàn)與波長無關(guān)，是一個恒量。電偶極子對磁旋光的貢獻(xiàn)來源子常態(tài)與激發(fā)態(tài)之間的躍遷。對于離躍遷遠(yuǎn)的波長θE=a/λ2+b/λ4+…常數(shù)a、b決定于離子磁化，輻射吸收的躍遷幾率和激發(fā)態(tài)的自旋一軌道相互作用。第28頁，共55頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)11分，星期五磁圓振二向色性是發(fā)生在光沿平行于磁化強(qiáng)度方向傳播的情況，鐵磁體對入射線偏振光的兩個圓偏振光的吸收不同，一個圓偏振光的吸收大于另一個圓偏振光的吸收。其結(jié)果造成左右圓偏振光的吸收有差異，此現(xiàn)象稱為磁圓振二向色性。第29頁，共55頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)11分，星期五磁致線雙折射效應(yīng):構(gòu)成介質(zhì)的分子有各向異性的性質(zhì),即具有永久磁矩。在不加磁場時(shí)各分子的排列雜亂無章,使得介質(zhì)在宏觀上表現(xiàn)為各向同性,而在加上足夠強(qiáng)的外磁場時(shí),分子磁矩受到了力的作用,各分子對外磁場有了一定的取向,從而使介質(zhì)在宏觀上有了各向異性的性質(zhì)。在磁場中的介質(zhì),當(dāng)光以不同于磁場的方向通過它時(shí),也會出現(xiàn)象單軸晶體那樣的雙折射現(xiàn)象,稱為磁致線雙折射效應(yīng)。磁致線雙折射效應(yīng)又包括科頓—穆頓效應(yīng)(Cotton-Moutoneffect)和瓦格特效應(yīng)(Voigteffect),通常把鐵磁和亞鐵磁介質(zhì)中的磁致線雙折射稱為科頓—穆頓效應(yīng),反鐵磁介質(zhì)中的磁致線雙折射稱為瓦格特效應(yīng)。B磁致線雙折射效應(yīng)第30頁，共55頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)11分，星期五磁線振二向色性是發(fā)生在光沿著垂直于磁化強(qiáng)度方向傳播的情況，鐵磁體對被分解成的兩個偏振光的吸收不同，兩個偏振光以不同的衰減通過鐵磁體，從而出現(xiàn)磁線振二向色性?？祁D—穆頓效應(yīng)：如圖當(dāng)線偏振光垂直于磁化強(qiáng)度矢量方向透射時(shí)，光波的電矢量將分成兩束，一束與磁化強(qiáng)度矢量平行，稱為正常光波，另一束與磁化強(qiáng)度矢量垂直，稱非正常光波。兩者之間有相位差δ，這二者的折射率不同而有雙折射現(xiàn)象，此稱為科頓—穆頓效應(yīng)。第31頁，共55頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)11分，星期五C磁光克爾效應(yīng)（重點(diǎn)）磁光克爾效應(yīng):線偏振光被磁化了的鐵磁體表面反射時(shí),反射光將是橢圓偏振的,且以橢圓的長軸為標(biāo)志的偏振面相對于入射線偏振光的偏振面轉(zhuǎn)過了一定角度θk，這種現(xiàn)象就是磁光克爾效應(yīng),θk稱為磁光克爾轉(zhuǎn)角。第32頁，共55頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)11分，星期五磁光克爾效應(yīng)包括三種情況:1)縱向克爾效應(yīng):即磁化強(qiáng)度既平行于介質(zhì)表面又平行于光線的入射面時(shí)的克爾效應(yīng);2)極向克爾效應(yīng):即磁化強(qiáng)度與介質(zhì)表面垂直時(shí)發(fā)生的克爾效應(yīng);3)橫向克爾效應(yīng),即磁化強(qiáng)度與介質(zhì)表面平行時(shí)發(fā)生的克爾效應(yīng)。極向和縱向克爾效應(yīng)的磁致旋光都正比于磁化強(qiáng)度，一般極向的效應(yīng)最強(qiáng)，縱向次之，橫向則無明顯的磁致旋光?？藸栃?yīng)最重要的應(yīng)用是觀察鐵磁體的磁疇第33頁，共55頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)11分，星期五近幾年,市場上出現(xiàn)了一種磁光盤,它既具有光盤的巨大容量及信息存儲密度,還同時(shí)能像普通磁盤那樣可擦重寫,因此受到普遍的關(guān)注.磁光盤表面的信息存儲材料被稱為磁光介質(zhì).評價(jià)磁光介質(zhì)性能的重要指標(biāo)是它的磁光克爾轉(zhuǎn)角

,它直接反映磁光介質(zhì)的信息讀出性能.磁光介質(zhì)寫入信息的方法是在激光照射下同時(shí)處在磁場當(dāng)中的熱磁寫入.具體過程是:將磁光介質(zhì)以薄膜形式附著在磁光盤表面上,將激光聚焦后逐點(diǎn)照射在材料的表面,使得該材料局部受熱而發(fā)生矯頑力降低,這時(shí)利用外加磁場對該材料進(jìn)行磁化.由于磁光介質(zhì)都具有垂直表面各向異性,在介質(zhì)上的點(diǎn)受熱而同時(shí)被磁化時(shí),磁化方向可有兩種情況:垂直表面向上和垂直表面向下(可稱為正向磁化和反向磁化),通常將這兩種磁化情況分別代表信息的“0”和“1”.當(dāng)激光光點(diǎn)移開剛才被磁化的點(diǎn)時(shí),那里的溫度迅速降低,磁疇的磁化方向即固定下來.因此,逐點(diǎn)磁化的過程也就是信息寫入的過程.第34頁，共55頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)11分，星期五磁光盤上信息讀出的原理是利用磁光克爾效應(yīng).對已寫入信息的磁光介質(zhì),要讀出所寫信息則要利用磁光克爾效應(yīng)。具體方法是:將一束單色偏振光聚焦后照射在介質(zhì)表面上的某點(diǎn),通過檢測該點(diǎn)處磁疇的磁化方向來辨別信息的“0”或“1”.例如,被照射的點(diǎn)為正向磁化,則在該點(diǎn)的反射光磁光克爾轉(zhuǎn)角應(yīng)為+θk,相反被照射的點(diǎn)為反向磁化,則在該點(diǎn)的反射光磁光克爾轉(zhuǎn)角應(yīng)為-θk.第35頁，共55頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)11分，星期五因此,如果偏振分析器的軸向恰好調(diào)整為與垂直于記錄介質(zhì)的平面成θk夾角,那么在介質(zhì)上反向磁化點(diǎn)的反射光線將不能通過偏振分析器,而在介質(zhì)的正向磁化處,反射光則可以通過偏振分析器.這表明反射光的偏振面旋轉(zhuǎn)了2θk的角度.這樣,如果我們在經(jīng)過磁光介質(zhì)表面反射的光線后方,在通過偏振分析器后的光路上安放一光電檢測裝置(例如光電倍增管),就可以很方便地辨認(rèn)出反射點(diǎn)是正向磁化還是反向磁化,也就是完成了“0”和“1”的辨認(rèn).可見,磁光克爾轉(zhuǎn)角在磁光信息讀出時(shí)扮演著十分重要的角色.如果把磁光介質(zhì)附著在可旋轉(zhuǎn)的圓盤表面,就構(gòu)成了磁光盤.磁光盤旋轉(zhuǎn)時(shí),如果同時(shí)有單色偏振光聚焦在磁光盤表面,就可實(shí)現(xiàn)光線的逐點(diǎn)掃描,即信息被連續(xù)讀出.第36頁，共55頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)11分，星期五磁光克爾轉(zhuǎn)角的測量方法磁光克爾轉(zhuǎn)角的測量裝置在實(shí)際測量時(shí),通常采用He-Ne激光做為光源,波長λ=63218nm.磁光介質(zhì)樣品安放在電磁鐵建立的磁場之中,磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度為4000Gs左右.在此條件下,通過偏振分析器可順利地分析出磁光克爾轉(zhuǎn)角θk的大小,見圖3.由于測量時(shí)光信號十分微弱,采用鎖相放大器可大大提高測量的精確度磁光介質(zhì)材料及其θk的大小隨著磁光信息存儲技術(shù)的發(fā)展,目前已經(jīng)開發(fā)出多種磁光介質(zhì)材料.在這些材料中比較優(yōu)秀的有:非晶態(tài)稀土—過渡金屬合金材料第37頁，共55頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)11分，星期五(例如TbFe2Co)、非晶態(tài)錳鉍鋁硅(MnBiAlSi)合金材料和非晶態(tài)錳鉍稀土(MnBiRE)合金材料等.這些材料通常是采用真空蒸鍍、磁控濺射等方法將合金材料沉積于玻璃基底上,磁光薄膜的厚度一般在幾百納米左右.為了提高材料的磁光性能,采取多層膜技術(shù)十分有效.磁光克爾轉(zhuǎn)角一般并不大,以鋱鐵鈷(TbFeCo)合金薄膜材料為例,在室溫下其磁光克爾轉(zhuǎn)角僅為0.3°左右.MnBiAlSi的磁光克爾轉(zhuǎn)角可達(dá)2.04°.如果僅考慮磁光克爾轉(zhuǎn)角的大小,采用簡單工藝制備的MnBi合金薄膜的磁光克爾轉(zhuǎn)角達(dá)到1.6°左右并不困難.當(dāng)然,在實(shí)際制造磁光盤時(shí),除了考慮磁光克爾轉(zhuǎn)角這一性能外,還需要綜合考慮其他性能.目前市場上做成磁光盤產(chǎn)品的磁光介質(zhì)以鋱鐵鈷(TbFeCo)合金薄膜材料為主.第38頁，共55頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)11分，星期五影響磁光克爾轉(zhuǎn)角的因素磁光介質(zhì)的θk受多種因素的影響.首先是溫度,通常情況下,隨著溫度的升高θk將減小;其次,θk與成分的配比有很大的關(guān)系,例如,同樣是Mn2BiRE薄膜,在制備時(shí),RE(稀土)元素含量增加將可能使θk減小。再次,與入射光的波長有密切的關(guān)系.如果在測量時(shí)采用單色儀,就可以根據(jù)需要對磁光材料樣品入射不同波長的單色光,從而測得θk與波長的關(guān)系曲線,這一曲線被稱為磁光譜.在入射光的波長達(dá)到某一數(shù)值時(shí),θk有一峰值.例如對MnBiRE薄膜材料而言,θk的峰值出現(xiàn)在波長700nm附近;第四,與制備的工藝有直接關(guān)系,比如退火的程序、時(shí)間、環(huán)境等都能對θk產(chǎn)生一定的影響.近些年,人們傾向于采用波長更短的光(例如藍(lán)色激光)作為光源來進(jìn)行磁光信息存儲,原因是波長短的光其光子具有更高的能量.第39頁，共55頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)11分，星期五塞曼效應(yīng):置于磁場中的光源所發(fā)射的各譜線會受到磁場的影響而分裂成幾條，分裂的各譜線間間隔的大小與磁場強(qiáng)度H成正比，這一磁光現(xiàn)象稱為塞曼效應(yīng)。其中譜線分裂為2條（順著磁場方向觀察）或3條（垂直于磁場方向觀察）的為正常塞曼效應(yīng)；3條以上的為反常塞曼效應(yīng)。塞曼效應(yīng)是由于外磁場對電子的軌道磁矩和自旋磁矩的作用使能級分裂而產(chǎn)生的，分裂的條數(shù)隨能級的類別而不同。D塞曼效應(yīng)第40頁，共55頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)11分，星期五E磁激發(fā)光散射

如圖，在z方向施加一恒磁場，磁化強(qiáng)度Ms繞z軸進(jìn)動，Ms在oz軸的分量Mz＝常數(shù)，在xoy平面里的旋轉(zhuǎn)分量為mk(ωk)，這個mk(ωk)是被激發(fā)出的以ωk為本征進(jìn)動頻率的自旋波磁振子，此時(shí)則沿oy軸有光傳播，則沿ox軸有電場強(qiáng)度E分量Ex(ω)、Ex(ω)與mk(ωk)發(fā)生相互作用，結(jié)果是在oz軸方向產(chǎn)生電極化強(qiáng)度分量ρz(ω土ωk)，即喇曼偶極子，來自ρz(ω土ωk)的輻射就構(gòu)成一級喇曼散射。第41頁，共55頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)11分，星期五第三部分磁光材料應(yīng)用最廣泛的磁光材料有磁光玻璃、各種稀土元素?fù)诫s的石榴石、稀土-過渡金屬合金薄膜、磁性液體、磁性光子晶體和磁光液晶等材料。磁光材料是在可見和紅外波段具有磁光效應(yīng)的光信息功能材料，它是隨著激光和光電子學(xué)技術(shù)的興起與需要而發(fā)展起來的。和磁光材料同時(shí)發(fā)展、相互促進(jìn)的，還有相應(yīng)的磁光器件。第42頁，共55頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)11分，星期五A磁光玻璃

磁光玻璃因其在可見光和紅外區(qū)具有很好的透光性，且能夠形成各種復(fù)雜的形狀、拉制成光纖因而在磁光隔離器、磁光調(diào)制器和光纖電流傳感器等磁光器件中有廣泛的應(yīng)用前景，并隨著光纖通信和光纖傳感的迅速發(fā)展越來越受人們重視。按其轉(zhuǎn)角偏轉(zhuǎn)方向的不同，磁光玻璃分兩類：一類是含有Tb3+、Dy3+和Pr3+等稀土離子的順磁玻璃；一類是含有極化率高的Bi3+、Pb2+、Sb3+等離子的逆磁玻璃。自1960年代以來，伴隨著光纖通訊技術(shù)的發(fā)展，各國科研工作者對磁光玻璃進(jìn)行了廣泛而深入的研究，從揭示磁光效應(yīng)的本質(zhì)到尋求最大Verdet常數(shù)的玻璃系統(tǒng)，均已取得了顯著成果。第43頁，共55頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)11分，星期五祈學(xué)孟等采用二次熔融法制備鋱摻雜的SPA系磁光玻璃，Verdet常數(shù)高達(dá)－0.26~－0.38min/(Oe?cm)，且玻璃性能穩(wěn)定、不失透、具有優(yōu)良的拉絲性能，可用于可見光、近紅外波段；周蓓明等制備的TG28磁光玻璃，Verdet常數(shù)高達(dá)－0.335min/(Oe?cm)，比現(xiàn)有商業(yè)磁光玻璃（FR5，TG20）提高23%，是具有實(shí)用前景的新型磁光玻璃；Hayakawa等以Si(OC2H5)4、Al(OC4H9)3、C2H5OH和EuCl3?6H2O等為原料，采用溶膠-凝膠法制備銪磁光玻璃；Hayakawa等還采用熔融淬冷法制備了Tb2O3/Dy2O3共摻雜B2O3-Ga2O3-SiO2-P2O5系磁光玻璃，Verdet常數(shù)最高達(dá)－0.6369min/(Oe?cm)，玻璃的綜合性能優(yōu)異。第44頁，共55頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)11分，星期五B晶體薄膜

1970年代初液相外延石榴石薄膜的問世，標(biāo)志磁光材料從塊狀晶體發(fā)展到薄膜材料，使磁光材料的應(yīng)用領(lǐng)域擴(kuò)展到磁泡存儲、光纖通訊、激光陀螺、磁光傳感器等尖端技術(shù)領(lǐng)域，開始了磁光材料與器件發(fā)展的新階段。1981年，日本電氣公司首次用(GdY)3Fe5O12單晶薄膜制備了光纖隔離器，大大改進(jìn)了光通信系統(tǒng)的質(zhì)量。1983年，日本松下公司以Yb:YIG單晶膜為磁光介質(zhì)，研制成功光纖磁光電流測試儀。除了可進(jìn)行高壓大電流的精密監(jiān)測外，也可用作一般電流精密測試。Sperry和Rockwell公司用(YLa)3Fe5O12和(YBi)3Fe5O12膜制成了磁光偏頻元件，可用于導(dǎo)航系統(tǒng)。1980年代末，日本學(xué)者Gomi等發(fā)現(xiàn)Ce:YIG單晶薄膜具有巨磁光法拉第效應(yīng)，再次為磁光器件發(fā)展打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。近年來，摻Bi和摻Ce系列稀土石榴石磁光薄膜是研究的熱點(diǎn)。此類薄膜材料具有巨大的磁光效應(yīng)、低的光吸收損耗及高的磁光優(yōu)值，被廣泛應(yīng)用于光錄像、光復(fù)制、光存儲和光信息處理的磁光顯示器。第45頁，共55頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)11分，星期五C磁性光子晶體

磁性光子晶體材料因其磁光效應(yīng)強(qiáng)、Verdet常數(shù)大、體積小，滿足系統(tǒng)集成化的要求而得到廣泛的關(guān)注。一維磁性光子晶體的磁光效應(yīng)較普通連續(xù)分布的磁光材料有明顯的提高。為進(jìn)一步提高材料的磁光效應(yīng)，人們在一維磁性光子晶體的周期性結(jié)構(gòu)中引入缺陷，相繼提出了三明治結(jié)構(gòu)和多缺陷結(jié)構(gòu)等。這類材料磁光效應(yīng)的增大源于不同介質(zhì)周期性排列的人工結(jié)構(gòu)有很強(qiáng)的光局域效應(yīng)。張浩等應(yīng)用狀態(tài)方程分析了一維磁性光子晶體結(jié)構(gòu)的磁光特性，發(fā)現(xiàn)選擇適當(dāng)?shù)牟牧辖Y(jié)構(gòu)可以使得材料的法拉第旋轉(zhuǎn)角大幅度增加。YoshifumiIkezawa等利用多孔鋁作為模板制作出了二維磁性光子晶體。張守業(yè)等用高溫熔鹽法制備兩種質(zhì)量較好的Bi替代稀土鐵石榴石單晶Bi:HoYbIG和Bi:GdYIG，法拉第旋轉(zhuǎn)角較大，溫度系數(shù)較小，磁光性能優(yōu)異。此外，他們采用助熔劑高溫溶液法成功地生長出塊狀Ce:YIG單晶，與GdBiIG，YIG等旋光材料相比，具有更大法拉第轉(zhuǎn)角、小的溫度系數(shù)和低廉成本等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于磁致旋光-塞曼雙頻激光器、磁敏光纖和波導(dǎo)光隔離器等。第46頁，共55頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)11分，星期五D磁性液體

磁性液體（簡稱磁液）是由磁性納米微粒均勻彌散于某種液體基液中所構(gòu)成的高分子穩(wěn)定膠體系統(tǒng)，可長期保持均勻狀態(tài)。磁液的磁光特性包括法拉第效應(yīng)、圓雙色性、雙折射效應(yīng)和線二向色性等。文獻(xiàn)報(bào)道，1982年，Llewellyn教授研究了Co、Fe2O3兩種磁液在波長為0.3~0.7μm內(nèi)磁光效應(yīng)的光譜特性，發(fā)現(xiàn)其磁致雙折射系數(shù)不像普通的磁光材料（如YIG）與波長成反比關(guān)系，而是呈上升趨勢。1983年，日本的Taketomi等研究了濃磁液薄膜的磁光效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)其磁致雙折射系數(shù)比硝基苯等高107倍，與YIG晶體的旋光系數(shù)相當(dāng)。并從理論上明確提出：磁粒沿外磁場方向鏈化是引起其磁光效應(yīng)的根本原因。近年來，有關(guān)磁液磁光特性的研究正在不斷地深入，如開展其低溫磁光特性及磁液液晶合成物的研究等。磁液具有良好的磁光特性，可用于制作磁光調(diào)制器、衰減器、隔離器、傳感器等。此外，它還具有良好的紅外透過特性，可用作新型紅外磁光材料。第47頁，共55頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)11分，星期五E磁光液晶

液晶是介于完全規(guī)則的晶體和各向同性的液體之間中間態(tài)的一種物質(zhì)。在外磁場作用下，液晶分子的排列會發(fā)生變化，即光軸發(fā)生旋轉(zhuǎn)（旋轉(zhuǎn)方向與磁場的方向無關(guān)），從而產(chǎn)生磁致旋光效應(yīng)。利用液晶的這些性質(zhì)，可以制成光偏轉(zhuǎn)器和光調(diào)制器等器件，同時(shí)為更好的研究液晶的特性以及為液晶器件的設(shè)計(jì)提供了有力的參考。第48頁，共55頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)11分，星期五第四部分磁光器件以磁光材料為研究背景的磁光器件是一種非互易性旋光器件，在光信息處理、光纖通信、共用天線光纜電視系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)技術(shù)，以及工業(yè)、國防、宇航和醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。磁光器件是指利用材料的磁光效應(yīng)制作的各類光信息功能器件。目前已研制出來的磁光器件有：磁光偏轉(zhuǎn)器、磁光開關(guān)和調(diào)制器、隔離器、環(huán)行器、顯示器、旋光器、磁強(qiáng)計(jì)、磁光盤存儲器(可擦除光盤)以及各類磁光傳感器等。第49頁，共55頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)11分，星期五磁光調(diào)制器利用偏振光通過磁光介質(zhì)發(fā)生偏振面旋轉(zhuǎn)來調(diào)制光束。磁光調(diào)制器有廣泛的應(yīng)用,可作為紅外檢測器的斬波器,可制成紅外輻射高溫計(jì)、高靈敏度偏振計(jì),還可用于顯示電視信號的傳輸、測距裝置以及各種光學(xué)檢測和傳輸系統(tǒng)。A磁光調(diào)制器原理如圖。在沒有調(diào)制信號時(shí),磁光材料中無外場,輸出的光強(qiáng)隨起偏器與檢偏器光軸之間的夾角變化。在磁光材料外的磁化線圈加上調(diào)制的交流信號時(shí),由此產(chǎn)生的交變磁場使光的振動面發(fā)生交變旋轉(zhuǎn)。由于法拉第效應(yīng),信號電流使光振動面的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)化成光的強(qiáng)度調(diào)制,出射光以強(qiáng)度變化的形式攜帶調(diào)制信息。調(diào)制信號,比如說是轉(zhuǎn)變成電信號的聲音