磁光材料

稀土磁光材料
• 稀土磁光材料的发展概况 • 稀土石榴石磁光材料 • 稀土石榴石单晶磁光材料
稀土磁光材料的发展概况
晶体中未配对的电子自旋、自旋与轨道的相互作用以及磁性园子的 有序排列等结构因素决定了晶体的磁化强度和法拉第效应，从而也决 定了晶体的磁光效应。稀土元素由于4f电子层未填满，因而产生：未 抵消的磁矩，这是强磁性的来源，由于4f电子的跃迁，这是光激发的 起因，从而导致强的磁光效应。单纯的稀土金属并不显现磁光效应， 这是由于稀土金属至今尚未制备成光学材料。只有当稀土元素掺入光 学玻璃、化合物晶体、合金薄膜等光学材料之中，才会显现稀土元素 的强磁光效应。掺稀土的硅酸盐或硼酸盐玻璃、EuX型晶体(X=O, S,Se, Te)、正铁氧体REFeO3晶体、Eu2SiO4晶体、(REBi)3(FeA)5O12石榴石晶 体(A为Al，Ga，Sc，Ge，In)和RE-TM非晶薄膜 (TM为Fe，Co，Ni， Mn)，稀土玻璃等是目前已经发现的稀土磁光材料。
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第三部分 磁光材料的发展趋势
磁光材料的发展趋势
磁光晶体材料的发展面临着一定的难题，主要在于新 晶体的发现方面。面对着种种的难题，我们主要的发展趋 势就在于提高材料的本证法拉第旋转等磁光效应已增加器 件效能。尽可能降低材料的光损耗和波长温度敏感系数， 扩展器件对环境的适应力，促进块状磁光晶体生长技术的 突破，加快新晶体的发现等等。随着世界范围内光纤通信 网络的迅速普及, 小型化、高灵敏度、低损耗将成为我们 前进的主要方向。其稳定性、高效性也必将继续是我们研 究的主要方向之一。光晶体材料的应用带给我们的财富是 巨大的。至今为止，随着晶体的研究与发展，对晶体材料 的逐步了解让我们生活得到了质的飞跃，并且在将来将会 继续发现新的晶体材料，使用的性能也将更优异，应用范 围将更加广阔。我们应该朝着更加宽广的领域去探索磁光 材料的奥妙！
三、图示
二、克尔效应
• 磁光克尔效应讨论的是磁化如何引起反射 光偏振状态的变化。1876年克尔发现一束 线偏振光入射在磁化了的介质表面时，反 射光一般是椭圆偏振光。以椭圆的长轴来 标志反射光的“振动面”。这振动面相对 入射光的振动面，会旋转一定的角度。转 角与介质的磁化有关。这就是磁光克尔 （Kerr）效应。这样，外磁场就可以通过改 变介质磁化来引起反射光偏振状态的变化。
b.计算公式
产生磁光效应时，偏振面旋转的角度与磁场强度、光路长度以 及旋光物质的旋光性能有关，用数学式表示为：θ＝ VLH 式中：θ――偏振面旋转角（分） V――费尔德常数（分/奥斯特· 厘米） 通常以V值来表示物质的磁光特性，相当于单位长度的样品在 单位磁场强度的作用下偏振面被旋转的角度。V为正值的物质称为 逆磁性物质，V为负值的物质称为顺磁性物质。
三、塞曼效应
1896年塞曼（Peter Zeeman）发现，当把 光源置于磁场中，每条谱线分裂成几条谱线， 这称为塞曼效应。 光是原子中电子由高能级跃迁到低能级发射 的。高低能级差决定了发射光的频率，分裂 成几条谱线即几个频率，说明施加磁场后， 原子出现了新的能级，且能级差有了变化。 为什么会出现这些变化，应从磁场与物质相 互作用去考虑。假设把原子看作一个磁矩为 μ的小磁铁，这磁矩来自电子的轨道运动和 自旋运动。在没有外磁场时，假设原子处于 允许的两个能级E１、E２中的一个，在确定 的能量下，原子磁矩μ可以有不同的空间取 向，不同取向对应原子不同空间状态。一个 确定能量所具有的状态数目称为简并度。说 某能级简并度为3，就是说在此能级允许有3 个不同的量子态。
稀土石榴石单晶磁光材料
石榴石单晶薄片对可见光是透明的，而对近红外几乎是完全透明的YIG在 λ＝1～5µm之间是完全透明的，这一个光波区常被称为YIG的窗口。掺入三价 RE或Bi离子，对光吸收的影响不大。某些杂质的掺入对铁石榴石的光吸收影 响很大（保证光的最小吸收） 一般用PbO,PbF2作助熔剂时，晶体中含有Pb2＋离子，这就必然由Fe4+与 其电子补偿，而Fe4+有强的光吸收，因而使晶体的光吸收增加。若晶体中掺 入Si4＋离子时，由于Si4＋通Pb2+电荷补偿，无Fe4+出现，则晶体的吸收将减 小。一般每个分子式中有0.004个硅原子的浓度，会达到最小的光吸收。Si4＋ 浓度太高，则因电荷补偿的需要，就会出现Fe2＋离子。由于Fe2+离子有光的 吸收，因而使晶体的吸收逐渐增强。当Ca2＋离子出现时，也由于电荷补偿的 需要，就会出现Fe4＋，因而增加吸收。钆镓石榴石Gd3Ga5O12（GGG）---重 要的磁光晶体应用：磁光、磁泡、微波石榴石单晶的衬底材料。也具有激光 和超低温磁致冷等性质，也可用作反射率标准卡，激光陀螺反射镜、各种光 学棱镜和制冷介质，并可作人造宝石。
第一部分 磁光效应
磁光效应
磁光材料的应用
磁光材料的 发展趋势
法拉第效应 克尔效应 塞曼效应 科顿-穆顿效
法拉第效应
a.概念
1845 年法拉第（Michal Faraday）发现玻璃在 强磁场的作用下具有旋光性，加在玻璃棒上的磁场引起了 平行于磁场方向传播的线偏振光偏振面的旋转。此现象被 称为法拉第效应。也称磁致旋光，将物质放在磁场中时， 出现旋光性的现象。偏振面的旋转角与磁场强度和光在物 质中传播的距离成正比。
科顿-穆顿常数
• 当光的传播方向与磁场垂直时，平行 于磁场方向的线偏振光的相速不同于 垂直于磁场方向的线偏振光的相速而 产生的双折射现象。其相位差正比于 两种线偏振光的折射率之差，同磁场 强度大小的二次方成正比,与分别是垂 直和平行于外磁场的线偏振光的折射 率，是样品厚度，是光波长，是科顿穆顿常数。
稀土石榴石磁光材料
目前已发现的磁光材料中，研究最透明，应用最广泛，也最具发 展前景的是稀土铁石榴石。稀土石榴石（又称磁性石榴石），表示为 RE3Fe2Fe3O12: RE为Y(有的还掺入Ca，Bi) Fe2中的Fe离子可以为In，Se，Cr等离子替代 Fe3中的Fe离子可为Al，Ca等离子替代 属于立方晶系，每个晶胞中包括8个RE3Fe5O12分子, 共计160个原子。 至今单一稀土铁石榴石有11种，最典型的是Y3Fe5O12。简写YIG。YIG 的法拉第旋转角大，在近红外波段透明，晶体物理化学性能优良。稀 土石榴石单晶的生长YIG及其掺杂的单晶是最典型的磁光材料，它们 在磁光器件和微波器件中获得广泛应用。这类材料在空气中达到 1550℃时才熔化，因而必须寻找一种较低温度下生长单晶的办法。熔 剂法——最常用的助熔剂是以PbO为基的PbO-B2O3或PbO-B2O3-PbF2系 列。
四、科顿-穆顿效应
a.定义
科顿-穆顿效应（Cotton-mouton）又称磁 双折射效应，简记为MLB。光在透明介质中传播 时，若在垂直于光的传播方向上加一外磁场，则 介质表现出单轴晶体的性质，光轴沿磁场方向， 主折射率之差正比于磁感应强度的平方。此效应 也称磁致双折射。 当光的传播方向与外磁场方向垂直时，媒质 对偏振方向不同的两种光的吸收系数也可不同。 这就是磁的线偏振光的二向色性，称磁线二向色 性效应，简记为MLD。
光隔离器的特性是：正 向插入损耗低，反向隔 离度高，回波损耗高。 光隔离器是允许光向一 个方向通过而阻止向相 反方向通过的无源器件 ，作用是对光的方向进 行限制，使光只能单方 向传输，通过光纤回波 反射的光能够被光隔离 器很好的隔离，提高光 波传输效率。
• 光线电流传感器
• 现代工业的高速发展，对 电网的输送和检测提出了 更高的要求，传统的高压 大电流的测量手段将面临 严峻的考验．随着光纤技 术和材料科学的发展而发 展起来的光纤电流传感系 统，因具有很好的绝缘性 和抗干扰能力，较高的测 量精度，容易小型化，没 有潜在的爆炸危险等一系 列优越性，而受到人们的 广泛重视． • 光纤电流传感器的主要原 理是利用磁光晶体的法拉 第效应．根据F=V。lHL， 通过对法拉第旋转角0F的 测量，可得到电流所产生 的磁场强度，从而可以计 算出电流大小．由于光纤 具有抗电磁干扰能力强、 绝缘性能好、信号衰减小 的优点，因而在法拉弟电 流传感器研究中，一般均 采用光纤作为传输介质。
第二部分 磁光材料的应用
光大电流，利用已 费尔德常数的法拉第玻璃 根据偏振面的旋转角度 可以测定磁场强度；反之 根据高压线周围产 场，也可以测定高 的大小
调制激光
• 光隔离器
光隔离器是一种 只允许单向光通过的 无源光器件，其工作 原理是基于法拉第旋 转的非互易性。通过 光纤回波发射的光能 够被光隔离器很好的 隔离。光隔离器主要 利用磁光晶体的法拉 第效应。