磁光材料简介
磁光材料简介
磁光材料的研究现状1. 综述磁光材料是具有磁光效应的材料，磁光效应包括法拉第效应、磁光克尔效应、塞曼效应和磁致线双折射效应（科顿-穆顿效应和瓦格特效应）等。
磁光材料需要同时具备一定的光学特性和磁学特性。
法拉第效应法拉第效应指偏振光通过磁场下的介质后，偏振面因磁场作用而发生偏转。
6 f = VBd|其中是沿着光线传播方向看去偏振面的旋转角，叫做法拉第转角；V是Verdet 常数，与材料性质有关；B是磁感应强度在光线传播方向上的投影；d是光在介质中传播的距离。
当磁感应强度投影B与光线传播方向同向时，偏振面右旋，|e t <0；反之，偏振面左旋，阡>0。
与普通旋光效应不同的是，光线通过介质后再反射，原路返回再次通过介质，偏振面会在原来的基础上再旋转角，而不是恢复原状。
这为利用法拉第效应的磁致旋光材料提供了一种新的应用空间，如磁光调制器、磁光隔离器等。
目前，对法拉第效应磁光材料的研究相对透彻，应用也相对广泛。
以钇铁石榴石（¥才忧0口，简称YIG）为代表的稀土铁石榴石（R材料是常见的法拉第效应磁光材料［1］。
磁光克尔效应磁光克尔效应指线偏振光在磁化的介质表面反射后，在磁场作用下偏振面发生偏转，偏转角度称为磁光克尔转角戸。
根据磁场强度方向的不同，磁光克尔效应分为三种：极向克尔效应：磁场方向垂直于介质表面，通常，° k随入射角的减小而增大；横向克尔效应：磁场方向平行与介质表面且垂直于入射面，光线的偏振方向不会发生变化，p偏振光入射时会发生微小的反射率变化；纵向克尔效应：磁场方向平行与介质表面且平行于入射面，随入射角的减小而减小，纵向克尔效应的强度比极向克尔效应小几个数量级，不易观察。
应用最广的是极向克尔效应，可用来进行磁光存储和观察磁体表面或磁性薄膜的磁畴分布。
塞曼效应塞曼效应指光源位于强磁场中时，分析其发光的谱线，发现原来的一条谱线分裂成三条或更多条。
原子位于强磁场中时，破坏自旋-轨道耦合，一个能级分裂成多个能级，而且新能级间有一定的间隔，能级的分裂导致了谱线的分裂。
磁光材料及其在磁光开关中的应用
Ｓ ｔ ａ ｔ ｅ Ｋ ｅ ｙＬ ａ ｂ ｏ ｒ ａ ￣ｒ ｙ ｏ ｆＥ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｎ ｉ ｃ Ｔ ｈ ｉ ｎ Ｆ ｉ ｌ ｍｓ ａ ｎ ｄＩ ｎ ｔ ｅ ｇ ｒ ａ ｔ ｅ ｄＤｅ ｖ ｉ ｃ ｅ ｓ ， Ｕ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ ｏ ｆ Ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｎ ｉ ｃ Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ ａ ｎ ｄ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ ｏ ｆＣ ｈ ｉ ｎ ａ ， Ｃ ｈ ｅ ｎ ｇ ｄ ｕ ６ １ ０ ０ ５ ４ ， Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ
关键词 ：磁光材料；磁光薄膜 ；磁 光开关；法拉 第旋转
中图分 类号 ：０ ４ ８ ２ ． ５ ５ 文献标识码 ：Ａ 文章编 号：１ ０ ０ １ — ３ ８ ３ ０ （ ２ ０ １ ３ ） ０ １ － ０ ０ ６ ８ ． ０ ５
Ｍａ ｇ ｎ ｅ ｔ ｏ － － ｏ ｐ ｔ ｉ ｃ ａ ｌ ｍａ ｔ ｅ ｒ ｉ ａ ｌ ｓ ａ ｎ ｄ ｔ ｈ ｅ ｉ ｒ ａ ｐ ｐ ｌ ｉ ｃ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓ ｉ ｎ ｍａ ｇ ｎ ｅ ｔ ｏ ・ — ｏ ｐ ｔ ｉ ｃ ａ ｌ ｓ ｗｉ ｔ ｃ ｈ
等。
传输或在物质界面反射时， 光波的传播特性 ， 如偏
振面 、相 位或 散射特 性会 发 生变化 ， 这 个物 理现 象 称 为磁 光 效应 。 磁 光材 料就 是指 在紫 外到 红外波 段 具有 磁光 效 应 的光信 息功 能材 料 。 １ ８ ４ ５年 法拉 第 首次 发现 磁致 旋光 效应 ， 其 后 陆续发现 了磁光 克尔 效应 、塞曼 效 应和 科 顿． 穆顿 效 应等 ，建立 了基 本
个人小论文——磁光晶体的介绍
第一章磁光晶体的介绍1.1 磁光晶体材料的发现历史上对光和磁的关系的探索也是一个很重要的问题, 虽则这个问题没有电磁现象那样突出, 但是就其所达到的理论高度和为之所付出的努力而言, 前者是不逊于后者的。
人类对光磁的关系的认识, 是从晶体的自然旋光性现象开始的。
阿喇戈发现的偏振光通过石英晶体时的旋转现象(1811年)和法拉第发现的电磁旋转现象(1821年)是一组类似的现象。
后来经过一系列的实验与实践，磁光材料被开始应用于器件的制作，磁光晶体也在其中逐渐发现并加以应用。
1.2 磁光晶体的定义晶体在外磁场的作用下，线偏振光通过该晶体时光的偏振面发生旋转的现象称为法拉第效应。
此种晶体称为磁旋光晶体，简称磁光晶体。
1.3 磁光晶体的性质磁光晶体具有较大纯法拉第效应并有实用价值的磁光材料都具有磁光效应，而且多种磁光效应会同时存在。
有些晶体效应太复杂，而另一些效应则太小，没有实用价值。
特性在常温下有大而纯的法拉第效应，对使用波长的低吸收系数、大的磁化强度和高的磁导率是磁光晶体的主要性能要求。
这些要求与晶体的组成、结构和磁性能密切相关。
磁光晶体主要应用在光纤通信与集成光学器件、计算机存储、逻辑运算和传输功能、磁光显示、磁光记录、微波新型器件及激光陀螺等领域。
各种器件需要的磁光晶体材料都不同，随着磁光晶体材料的不断发现，可用以器件的范围也在不断扩大。
第二章基本性质的原理2.1 磁光效应磁光效应是指处于磁化状态的物质与光之间发生相互作用而引起的各种光学现象。
包括法拉第效应、克尔磁光效应、塞曼效应和科顿-穆顿效应等。
这些效应均起源于物质的磁化，反映了光与物质磁性间的联系。
本论文着重介绍法拉第效应和克尔磁光效应。
2.1.1 法拉第效应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。
法拉第效应第一次显示了光和电磁现象之间的联系。
稀土磁光材料
❖ 熔剂法——最常用的助熔剂是以PbO为基的 PbO-B2O3或PbO-B2O3-PbF2系列。
4、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。
插入内容
（2）完全偏振光
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❖ （a）线偏振光 光矢量端点的轨迹为直线，即光矢量只沿
着一个确定的方向振动，其大小、方向不变， 称为线偏振光。
（b）椭圆偏振光 光矢量端点的轨迹为一椭圆，即光矢量不 断旋转，其大小、方向随时间有规律的变化。 （c）圆偏振光 光矢量端点的轨迹为一园，即光矢量不断
6 ）磁激发光散射
❖ 在Z轴方向施加一恒磁场，磁化强度Ms绕Z 轴进动，Ms在OZ轴的分量Mz＝常数，在 YOZ平面里的旋转分量为mk(ωk)为本征进动 频率的自旋波磁振子。当沿OY轴有光传播， 则沿OX轴有电厂强度分量Ex（ ω ）并与 mk(ωk)发生相互作用，结果是在OZ轴方向产 生电极化强度分量Pz(ω ±ωk)的辐射就构成 一级拉曼散射。
❖ 磁线振二向色性发生在光沿着垂直于磁化强 度Ms方向传播时，铁磁体对两个偏振态的吸 收不同，两个偏振态以不同的衰减通过铁磁 体，这种现象称为磁线振二向色性。
5 ）塞曼效应
❖ 光源在强磁场（105~106A/m）中发射 的谱线，受到磁场的影响而分裂为几 条，分裂的各谱线间的间隔大小与磁 场强度成正比的现象，称为塞曼效应。
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。
磁光晶体材料的研究现状与发展趋势
在其他领域的应用实例
总结词
磁光晶体材料在其他领域的应用不断拓展，如生物医学 、环境监测和能源领域等。
详细描述
在生物医学领域，磁光晶体材料可以用于制作生物探针 和药物载体，实现疾病的诊断和治疗。此外，磁光晶体 材料还可以应用于环境监测领域，如制作磁场传感器和 污染气体检测器等。在能源领域，磁光晶体材料可以应 用于太阳能电池和光电转换器件中，提高光电转换效率 。
03
磁光晶体材料的应用领域 与实例
在光学通信领域的应用
总结词
磁光晶体材料在光学通信领域具有重要应 用价值，尤其在高速、高精度、低损耗的 光纤通信系统方面具有显著优势。
详细描述
磁光晶体材料由于其独特的磁光效应，可 以实现光信号的调制与转换，提高通信系 统的传输效率和精度。典型应用包括利用 磁光晶体材料制作光隔离器、光环形器、 光调制器等关键器件，以及在量子通信和 光子计算机中作为光逻辑元件和光存储元 件等。
在光学传感领域的应用
要点一
总结词
磁光晶体材料在光学传感领域的应用不断拓展，尤其在 生物传感、化学传感和物理传感方面具有重要应用潜力 。
要点二
详细描述
由于磁光晶体材料的磁光效应对环境中的磁场变化具有 高度敏感性，因此可以用于制作高灵敏度的磁场传感器 和磁力计。此外，磁光晶体材料还可以用于制作光波导 器件、光纤陀螺仪等精密测量仪器，广泛应用于航空航 天、航海、地球物理等领域的测量与检测。
04
磁光晶体材料的研究现状 与挑战
磁光晶体材料的制备技术
01
熔体生长法
通过熔化磁光晶体材料，再缓慢冷却至结晶的方法进行制备。该方法
制备的晶体纯度高、缺陷较少，但生长速度慢，难以制备大尺寸晶体
电光材料与磁光材料
常用的优质磁致旋光玻璃，主要是一些重要的原子铅的氧化物玻璃， 砷的三硫化物玻璃等。
（3）.磁光液体
主要是一些呈现科顿-蒙顿效应的液体，如水，丙酮，氯仿，苯等。
22
磁光材料的应用
光隔离器
当激光束通过起偏镜成为线偏振光，经过磁光晶体后偏振面 旋转一角度（45°）则可通过与其偏振反向相同的检偏镜， 若此光被反射回来，则再次旋转45°两次旋转90°不可能再 通过起偏器 ，从而达到反射光与激光器隔离的目的。
13
电光材料的主要应用
②光强度的电调制: 在类似上述电光开关的装置 中，透过光强与外加电压的关 系可用贝赛尔函数展开， 这是一种平方律光强度调制器。 如果在外加调制电压同 时加上半波电压一半的直流偏压， 或用一个四分之一波 片插入光路以提供预置四分之一程差， 那么在调制电压 低于0.383矶(风为约化半波电压)时，可 获得近似线 性的光强调制，由此可制成光强度的线性调制 器。
3
电光材料的原理
• 基于线性电光效应（普克耳斯效应），线性电光 效应的特点是感应折射率变化正比于外界电场强 度的一次方，△n =b E • 另一种基于二次电光效应（光学克尔效应）。克 尔效应的特点是感应折射率变化正比于外加电场 强度的二次方，其规律是折射率改变量么n 和所 施加电场的强度E 的二次方成正比, 即:△n =b E²
12
① 电控光开关:
原理：将电光晶体置于互成正交的一对偏 振器之间，并使晶体的电感生特征模 方向与偏振器方位 成45度角，则一定幅度(相当于半波电压矶)的外加电 压就能 使晶体中两个偏振模程差改变半个波长，从而实 现对透过光的开关控制。这种 电光效应的响应可达 10一’。秒，可制作超快速电光快门。 应用： 光分组交换（OPS） 光快速切换（OBS） 光交叉连接 光交换接入网络 光学互联网络（数据中心网络，服务器底板） 开关延迟线（相控阵列天线，光学缓冲） 特性：该光开关具有高效的电-光性能和高折射率，因其独特的 PLZT 晶体材料 （锆钛酸铅镧陶瓷( PLZT) 是属PZT锆钛酸铅系压电陶瓷）和完全没有任何机械 运动的部件，该产品有着非常高的可靠性及环境适应性。
磁光晶体概念板块
磁光晶体概念板块
磁光晶体是一种具有磁性和光学特性的材料，它可以通过外加磁场来改变光的传播行为。
磁光晶体在光通信、光存储、光传感等领域具有重要应用。
磁光晶体的概念板块可以从以下几个方面来介绍：
1. 磁光效应：磁光效应是磁光晶体的重要特性，它指的是磁场对光的传播行为的影响。
通过外加磁场，可以改变磁光晶体中的光的偏振状态、折射率和吸收特性等。
常见的磁光效应包括Faraday效应和Kerr效应。
2. 磁光晶体的结构：磁光晶体一般由含有过渡金属离子的晶体构成，这些离子的磁矩可以通过外加磁场进行定向或翻转，从而改变光的传播行为。
常见的磁光晶体材料包括铁镁锌铌酸盐、钛酸锶铋等。
3. 磁光晶体的应用：磁光晶体具有重要的应用价值。
在光通信领域，磁光晶体可以用于构建光纤光学开关、光学调制器等设备，实现高速光信号的调控和传输。
在光存储领域，磁光晶体可以作为存储介质，通过磁场调控光的信息的读写和擦除。
在光传感领域，磁光晶体可以用于构建高灵敏度的光学传感器，检测磁场强度或其它环境参数。
总之，磁光晶体是一种具有磁性和光学特性的材料，可以通过外加磁场来调控光的传播行为，具有广泛的应用前景。
磁光材料概述
透射的法拉第效应
偏振光
磁场H
发生旋转的 偏振光
入射光
透射
光 旋转角与薄膜厚度成比例
克尔效应
发射光的偏振面发生旋转
光盘利用磁克尔效应进行光磁记录的原理
激光照 射
记录位反向磁化
磁距
记录层
直线偏 振光
非记录位
• 磁光材料(MO)将二进制信息存储为磁化向上和向下两个状态。 最常用的MO介质是锰铋(MnBi)合金薄膜，所记录的数据用 线偏振激光束读出，该激光束会因法拉第效应或克尔效应产 生一个小的旋转，光束偏振态是左旋还是右旋取决于磁化是 向上还是向下。
铁磁性材料是某些物质的一种属性，在撤出外部磁化场时， 这种物质仍能保持磁化强度。在铁磁材料中，原子的磁矩沿 相同方向排列。
记录位
非接触式、大容量记录介质
磁光材料
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。
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＝1～5µ m之 间是完全透明的，这一个光波区常被称为YIG 的窗口。
（3）部分偏振光
在垂直于光传播方向的平面上，含有各种 振动方向的光矢量，但光振动在某一方向更 显著，不难看出，部分偏振光是自然光和完 全偏振光的叠加。
磁光法拉第效应
当线偏振光沿着磁场方向或磁化强度矢量 方向传播时，由于左、右圆偏振光在铁磁 体中的折射率不同，使偏振面发生偏转角 度，此现象称为法拉第效应。
磁光调制
法拉第效应
VBL
B θ
费尔德常数
入射光 检偏器 V
出射光
起偏器
磁光法拉第效应
•法拉第效应的简单解释是：线偏振光总可分解为左旋和右旋的两个圆偏 振光，无外磁场时，介质对这两种圆偏振光具有相同的折射率和传播速 度，通过l距离的介质后，对每种圆偏振光引起了相同的相位移，因此透 过介质叠加后的振动面不发生偏转；当有外磁场存在时，由于磁场与物 质的相互作用，改变了物质的光特性，这时介质对右旋和左旋圆偏振光 表现出不同的折射率和传播速度。二者在介质中通过同样的距离后引起 了不同的相位移，叠加后的振动面相对于入射光的振动面发生了旋转。
磁光效应
磁光效应：
在外加磁场的作用下，物质的电磁特性 （如磁导率，介电常数，磁化强度，磁畴结 构，磁化方向等）会发生变化，因而使通向 该物质的光的传输性（如偏振状态，光强， 相位，频率，传输方向等）也会随着发生变 化。 光通向磁场或磁矩作用下的物质时，其传 输特性发生的变化称为磁光效应。
磁光材料的磁光波导特性分析
磁光材料的磁光波导特性分析磁光材料是一类具有磁性和光学性质的特殊材料，可以在磁场作用下改变光的传播特性。
磁光波导是基于磁光效应的光学器件，利用磁光材料的特殊性质，实现对光的控制和调制。
本文将对磁光材料的磁光波导特性进行详细分析。
磁光波导是利用磁场引起磁光材料折射率变化的原理，通过设计特定结构，使光可以在其中传播。
磁光波导可以分为单模和多模两种类型。
单模磁光波导是指只允许一种模式的光在其中传播，而多模磁光波导可以支持多种模式的光传播。
磁光波导的性能主要由其折射率、传输损耗和模式耦合等方面决定。
首先，折射率决定了光在波导中的传播速度和路径。
磁光材料的折射率会随着磁场的变化而发生变化，从而实现对光的调控。
其次，传输损耗是衡量磁光波导效能的重要指标。
传输损耗的大小与波导材料的吸收和散射相关，设计优化波导结构和选择合适的磁光材料可以降低损耗。
最后，模式耦合是指将光从一个波导传递到另一个波导的过程，正确设计和调整波导的几何结构可以实现高效的模式耦合。
磁光材料的选择对于磁光波导的性能有着至关重要的影响。
常见的磁光材料包括氧化铁、铁镍合金、铁硼硅玻璃等。
磁光材料的特点是在磁场作用下产生磁光效应，即折射率随磁场变化。
不同的磁光材料具有不同的磁光常数，即折射率的变化程度，可以根据具体需求选择合适的材料。
此外，磁光材料的稳定性、磁场响应时间等性能也是需要考虑的因素。
在实际应用中，磁光波导常用于集成光学器件和光通信领域。
光通信是指利用光作为信息传输的媒介，具有传输速率快、带宽大、抗干扰能力强等优点。
而磁光波导作为一种光调制器件，可以实现对光信号的调制和控制，提高光通信的传输效率和容量。
此外，磁光波导还可以应用于光存储器件、光探测器件等方面。
从性能分析到实际应用，磁光波导的发展与研究对于光学技术的推进有着重要意义。
磁光波导的性能分析可以通过理论模拟和实验测试相结合的方式进行。
理论模拟可以根据波导的结构和光的传播模式，计算出波导的光学性能。
磁光材料简介
磁光材料的研究现状1.综述磁光材料是具有磁光效应的材料，磁光效应包括法拉第效应、磁光克尔效应、塞曼效应和磁致线双折射效应（科顿-穆顿效应和瓦格特效应）等。
磁光材料需要同时具备一定的光学特性和磁学特性。
法拉第效应法拉第效应指偏振光通过磁场下的介质后，偏振面因磁场作用而发生偏转。
其中是沿着光线传播方向看去偏振面的旋转角，叫做法拉第转角；V是Verdet 常数，与材料性质有关；B是磁感应强度在光线传播方向上的投影；d是光在介质中传播的距离。
当磁感应强度投影B与光线传播方向同向时，偏振面右旋，<0；反之，偏振面左旋，>0。
与普通旋光效应不同的是，光线通过介质后再反射，原路返回再次通过介质，偏振面会在原来的基础上再旋转角，而不是恢复原状。
这为利用法拉第效应的磁致旋光材料提供了一种新的应用空间，如磁光调制器、磁光隔离器等。
目前，对法拉第效应磁光材料的研究相对透彻，应用也相对广泛。
以钇铁石榴石（，简称YIG）为代表的稀土铁石榴石（）材料是常见的法拉第效应磁光材料[1]。
磁光克尔效应磁光克尔效应指线偏振光在磁化的介质表面反射后，在磁场作用下偏振面发生偏转，偏转角度称为磁光克尔转角。
根据磁场强度方向的不同，磁光克尔效应分为三种：极向克尔效应：磁场方向垂直于介质表面，通常，随入射角的减小而增大；横向克尔效应：磁场方向平行与介质表面且垂直于入射面，光线的偏振方向不会发生变化，p偏振光入射时会发生微小的反射率变化；纵向克尔效应：磁场方向平行与介质表面且平行于入射面，随入射角的减小而减小，纵向克尔效应的强度比极向克尔效应小几个数量级，不易观察。
应用最广的是极向克尔效应，可用来进行磁光存储和观察磁体表面或磁性薄膜的磁畴分布。
塞曼效应塞曼效应指光源位于强磁场中时，分析其发光的谱线，发现原来的一条谱线分裂成三条或更多条。
原子位于强磁场中时，破坏自旋-轨道耦合，一个能级分裂成多个能级，而且新能级间有一定的间隔，能级的分裂导致了谱线的分裂。
磁光材料
磁光材料一、磁光效应磁光效应是指处于磁化状态的物质与光之间发生相互作用而引起的各种光学现象。
包括法拉第效应、克尔磁光效应、塞曼效应和科顿-穆顿效应等。
这些效应均起源于物质的磁化，反映了光与物质磁性间的联系。
（1）法拉第效应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。
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。
表1中几种物质的费尔德常数(用λ=0.589 3μm的偏振光照明)实验表明，法拉第效应的旋光方向决定于外加磁场方向，与光的传播方向无关，即法拉第效应具有不可逆性，这与具有可逆性的自然旋光效应不同。
例如，线偏振光通过天然右旋介质时，迎着光看去，振动面总是向右旋转，所以，当从天然右旋介质出来的透射光沿原路返回时，振动面将回到初始位置。
但线偏振光通过磁光介质时，如果沿磁场方向传播，迎着光线看，振动面向右旋转角度θ，而当光束沿反方向传播时，振动面仍沿原方向旋转，即迎着光线看振动面向左旋转角度θ，所以光束沿原路返回，一来一去两次通过磁光介质，振动面与初始位置相比，转过了角度2θ图2 法拉第光隔离器应用示意图（2）克尔效应法拉第效应表明了与光传播方向平行的磁场如何引起透射光偏振状态变化。
而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。
磁光记录材料
图12-9 擦去过程
磁光盘的构造： 磁光盘的构造如图12-10 所示。
图12-10 磁光盘的构造
1.纹间，纹间存贮信息， 2.导向纹路，寻址用 3. 基片一般为聚碳酸脂， 4.保护膜，常用SiN、SiO， 作用使磁光薄膜性能稳定，不被氧化。 5. 磁光薄膜，30微米 6.反射层，常用铝,作用使入射光产生多次反射，从
（3）巨磁电阻产生机理 磁场ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ电子自旋的散射。
（4）需要控制的参数 铁磁性颗粒的平均直径、形状分布及
平均间距； 电子在非磁性相中的平均自由程； 合金成分。
三. 金属多层膜巨磁电阻材料 1. 金属多层膜的结构
2. 图12-15 多层膜巨磁电阻材料示意图
2．性能
图12-16 Fe/Cr,Co/Cu多层膜的电阻比与外磁场的关系曲 线
（2）合金系 磁性相：Fe、Co 非磁性相：Ag、Cu
5．Co系纳米颗粒薄膜 合金成分 Co -Cu Co-Ag
MR比与Co含量的关系，见图12－13
图12-13 Co-Ag颗粒薄膜的磁电阻效应与Co含量 的关系
（3）微观结构
图12-14 Co –Cu的微观结构
(2)制备方法 共蒸发、共溅射、离子注入、快淬， 块体－机械合金法
b. 多层膜 电阻变化率: 10～100％
（ 3 ） 庞 磁 电 阻 材 料 (CMR, colossal magnetoresistance)
电阻变化率: 105～108 ％
MR效应与材料进展见图12-12
图12-12 MR效应与材料进展
二. 纳米颗粒巨磁电阻材料 1．纳米颗粒
直径小于100nm的颗粒称为纳米颗粒。
但如果积层为下述的三明治结构：铁 磁性A/非铁磁性绝缘层/铁磁性B，则隧 道电子的自旋将受到铁磁性A、铁磁性B 自发磁化Ms的影响。换言之，由于两层 铁磁性层自发的作用，右旋自旋和左旋 自旋电子穿过隧道的几率不同，并由此 产生了巨磁电阻效应。
磁光材料
磁光效应及其应用王伟1111103108摘要：描述了几种磁光效应和详细介绍了一种典型的磁光效应，以及具有磁光效应的功能材料即磁光材料的应用，最后简述了几种磁光器件。
关键词：磁光效应；法拉第效应；磁光材料；磁光器件Magneto-optical Effect and Its ApplicationsAbstract: Describes several kinds of Magneto-optical Effect, a kind of typical magneto-optic effect be introduced in detail, and has the function of magneto-optic effect material namely the application of magneto-optic material. Finally introduced several kinds of magneto optical devices.Keywords：Magneto-optical Effect; Faraday effect; agneto-optic material; magneto optical devices1845 年，英国物理学家 Faraday首次发现了磁致旋光效应。
其后一百多年，人们又不断发现了新的磁光效应和建立了磁光理论，但磁光效应并未获得广泛应用。
直到 1950年代，磁光效应才被广泛应用于磁性材料磁畴结构的观察和研究。
近年来，随着激光、计算机、信息、光纤通信等新技术的发展，人们对磁光效应的研究和应用不断向深度和广度发展，从而涌现出许多崭新的磁光材料和磁光器件[1]。
1 磁光效应及法拉第效应1.1磁光效应磁光效应指的是具有固有磁矩的物质在外磁场的作用下电磁特性(如磁导率、磁化强度、磁畴结构等)会发生变化，使光波在其内部的传输特性(如偏振状态、光强、相位、传输方向等)也随之发生变化的现象。
磁光效应材料
磁光效应材料
磁光效应材料是指在外加磁场作用下，其光学性质会发生变化的材料。
常见的磁光效应材料主要包括磁光晶体和磁光薄膜。
磁光晶体是具有磁光效应的晶体材料，其中最常见的是铁磁性材料，如铁、钴和镍等。
磁光晶体通常表现为磁场对光学旋光性质的影响，即被磁场激发后，晶体中的光波会发生偏转。
磁光薄膜是将磁光晶体材料制备成薄膜形式。
薄膜形式的磁光材料不仅具有磁光效应，而且还具有可调节的光学性质，如透明度和反射率等。
这种材料常应用于液晶显示器、磁光存储器和光学调制器等领域。
除了上述常见的磁光效应材料外，还有一些非常规材料也具有磁光效应，如磁性离子液体、聚合物和无机纳米结构材料等。
这些材料的研究和应用为光磁存储、光学通信和光学传感器等领域提供了新的可能性。
磁光效应与磁光材料
若入射的椭圆偏振光强为 I
0
旋转偏振片P一周，透射光强的变化为：
I I I I M m M
即每隔90度透射光强从极大变为极小，再由极小变为极大,但 没有消光位置。
I
M
与I
m
的振动方向垂直。
c. 圆偏振光
(1)圆偏振光 在垂直光传播方向的平面上，只有单一的振动 矢量，振动矢量的大小不变，振动方向匀速转 动，振动矢量(电矢量)的端点描绘成一个圆形 轨迹。
2. 光的五种偏振态
光是横波，才有不同的偏振状态
光波的五种偏振态：自然光、线偏振光、部分 偏振光、圆偏振光和椭圆偏振光。
a 自然光
(1) 自然光 自然光：在垂直光传播方向的平面上，所有方向均有横 振动，各个方向的振动幅度均相等，形成如图所示的轴对称振幅分 布。 （2）自然光通过偏振片后的光强度
自然光通过偏振片后透射光强为入射光强的一半。任何光线通过 偏振片后剩下的只是振动沿其透振方向的分量，透射光的强度等 于这分量的平方，由于自然光中各振动的对称分布，它们沿任何 方向的分量造成的强度I都一样，它等于总强度I0的一半。所以当 我们转动P的透振方向时，透射光的强度I并不改变。
直线方程
结论： （1）线偏振光可以分解为两个互相垂直 的相位差为 0 或 的线偏振光， （2）可以由这两束线偏振光代替这束线偏振光。
(2)振动面与平面偏振光 振动面： 线偏振光的传播方向与 振动方向构成的平面。 同一波线上的线偏振光的光振动均处于同一 振动面上，又称线偏振光为平面偏振光。 线偏振光是偏振程度最强的光，又称线偏振 光为全偏振光。
随着p2向不同透射光的强度发生变化当p2处于某一位置时透射光的强度最大由此位置转过90透射光的强度减为零即光线完全被p2偏振片的起偏和检偏性能行时被吸收得较少光可以较多地通过图a振动的电矢量与光轴垂直时被吸收得较多光通过得较少图b偏振片对入射光具有消光和透过的功能偏振片上能透过的振动方向称为透振方向区别于光的传播方向
稀土磁光材料
稀土磁光材料
稀土磁光材料是一类具有特殊光学和磁学性质的材料，其在信息存储、传感器、激光器等领域具有广泛的应用前景。
本文将介绍稀土磁光材料的基本特性、制备方法以及应用前景。
首先，稀土磁光材料具有较强的磁光效应，即在外加磁场的作用下，材料的光
学性质会发生变化。
这种特性使得稀土磁光材料在光存储领域具有重要的应用，可以实现高密度、高速度的信息存储。
同时，稀土元素的特殊能级结构也赋予了这类材料良好的荧光性能，使其在激光器、传感器等领域有着广泛的应用前景。
其次，稀土磁光材料的制备方法多样，常见的包括溶胶-凝胶法、溶剂热法、
共沉淀法等。
这些方法可以制备出不同形貌、不同性能的稀土磁光材料，满足不同领域的需求。
此外，通过控制材料的组成、结构和形貌等参数，还可以调控稀土磁光材料的光学和磁学性质，拓展其在各个领域的应用。
最后，稀土磁光材料在信息存储、传感器、激光器等领域有着广泛的应用前景。
在信息存储方面，稀土磁光材料可以实现超高密度、超快速度的信息存储，有望成为下一代存储介质。
在传感器方面，稀土磁光材料的磁光效应可以实现对微弱磁场的高灵敏度检测，具有重要的应用价值。
在激光器方面，稀土磁光材料的荧光性能使其成为优秀的激光材料，可以应用于激光显示、激光通信等领域。
综上所述，稀土磁光材料具有独特的光学和磁学性质，制备方法多样，应用前
景广阔。
随着科学技术的不断发展，相信稀土磁光材料将会在更多领域展现出其重要的作用，为人类社会的发展做出更大的贡献。
稀土磁光材料
稀土磁光材料
稀土磁光材料是一种具有特殊磁光性质的材料。
它是由稀土元素和过渡金属组成的合金，这些元素的特殊结构和电子状态使得这种材料具有磁性、光学和电学等多种性质。
稀土磁光材料具有广泛的应用前景，尤其在光存储、光通信和光计算等领域有着重要的应用。
稀土磁光材料具有非常强的磁光效应。
当外加磁场作用于这种材料时，它会发生磁各向异性，从而改变光线的传播方向和偏振状态。
这种磁光效应可以用来实现光存储、光开关和光调制等功能。
此外，稀土磁光材料还具有较高的抗辐照性能，因此可以在高辐照条件下使用。
稀土磁光材料的制备方法主要包括物理气相沉积、化学气相沉积、溶胶凝胶法和电化学沉积等。
其中溶胶凝胶法是一种较为常用的方法。
该方法使用稀土盐和过渡金属盐作为原料，在一定条件下通过水解和缩合反应形成胶体，然后通过热处理得到稀土磁光材料。
这种方法具有制备简单、成本低廉、控制性好等优点。
稀土磁光材料在光存储领域有着广泛的应用。
由于其具有优异的磁光效应和高抗辐照性能，可以用来实现高密度、高速度、长寿命的光存储器件。
在光通信领域，稀土磁光材料可以作为光开关和光调制器件的关键材料，用来实现光信号的传输和控制。
在光计算领域，稀土磁光材料可以用来实现光控制的逻辑运算和量子计算等功能。
稀土磁光材料是一种具有特殊磁光性质的材料，具有广泛的应用前景。
随着科技的发展和需求的增加，稀土磁光材料必将在光电子领域发挥更加重要的作用。
第十章 磁光材料
当 E0 x =E0 y =A, ϕ = mπ / 2 ( m = ±1, ±3, ±5,…) 时，式（10-2）成 为： 2 2 2 Ex + E y = A （10-4） 如果 ϕ = 2nπ + π / 2 ( n = 0, ±1, ±2,…) 代表左旋椭圆偏振光 如果ϕ = 2nπ -π / 2 ( n = 0, ±1, ±2,…) 代表右旋椭圆偏振光
I + − I − T+ − T− S= = I + + I − T+ + T−
(10-29)
(10-30)
(10-31)
10.3.2 磁光材料非互易性的应用
（1）磁光隔离 1、偏振相关磁光隔离器 2、偏振无关近红外磁光隔离器 （2）磁光环行 1、三端口不完全光环行器 2、四端口完全环行器
10.3.3 磁光存储材料的应用
(
)
（2）磁光开关 （3）磁光传感
根据法拉第效应原理，当一束线偏振光通过置于磁场中的逆 磁性或顺磁性磁光材料时，偏振方向将发生一定的旋转。法拉第 旋转θ可表示为 θ = V ∫ H id l （10-18） 式中 Ｖ——材料的费尔德常数； Ｈ——磁场强度； ｌ——光在磁光材料中通过的长度。
设光源光强为 I 0，起偏器与检偏器偏振轴夹角为45 ，则马吕 斯定律可得： I0 2 I = I 0 cos 45 − θ = (1 + sin 2θ ) (10-19) 2
设一单色平面波沿ｚ轴方向传播，根据光的横波性，可将其电 矢量Ｅ写成： 2π
E x = E 0 x co s z − ωt λ 2π E y = E 0 y co s z − ωt + ϕ λ Ez = 0
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磁光材料的研究现状1.综述磁光材料是具有磁光效应的材料，磁光效应包括法拉第效应、磁光克尔效应、塞曼效应和磁致线双折射效应（科顿-穆顿效应和瓦格特效应）等。
磁光材料需要同时具备一定的光学特性和磁学特性。
1.1法拉第效应法拉第效应指偏振光通过磁场下的介质后，偏振面因磁场作用而发生偏转。
θf=VBd其中θf是沿着光线传播方向看去偏振面的旋转角，叫做法拉第转角；V是Verdet 常数，与材料性质有关；B是磁感应强度在光线传播方向上的投影；d是光在介质中传播的距离。
当磁感应强度投影B与光线传播方向同向时，偏振面右旋，θf<0；反之，偏振面左旋，θf>0。
与普通旋光效应不同的是，光线通过介质后再反射，原路返回再次通过介质，偏振面会在原来的基础上再旋转θf角，而不是恢复原状。
这为利用法拉第效应的磁致旋光材料提供了一种新的应用空间，如磁光调制器、磁光隔离器等。
目前，对法拉第效应磁光材料的研究相对透彻，应用也相对广泛。
以钇铁石榴石（Y3Fe5O12，简称YIG）为代表的稀土铁石榴石（Re3Fe5O12）材料是常见的法拉第效应磁光材料[1]。
1.2磁光克尔效应磁光克尔效应指线偏振光在磁化的介质表面反射后，在磁场作用下偏振面发生偏转，偏转角度称为磁光克尔转角θk。
根据磁场强度方向的不同，磁光克尔效应分为三种：极向克尔效应：磁场方向垂直于介质表面，通常，θk随入射角的减小而增大；横向克尔效应：磁场方向平行与介质表面且垂直于入射面，光线的偏振方向不会发生变化，p偏振光入射时会发生微小的反射率变化；纵向克尔效应：磁场方向平行与介质表面且平行于入射面，θk随入射角的减小而减小，纵向克尔效应的强度比极向克尔效应小几个数量级，不易观察。
1/ 8应用最广的是极向克尔效应，可用来进行磁光存储和观察磁体表面或磁性薄膜的磁畴分布。
1.3塞曼效应塞曼效应指光源位于强磁场中时，分析其发光的谱线，发现原来的一条谱线分裂成三条或更多条。
原子位于强磁场中时，破坏自旋-轨道耦合，一个能级分裂成多个能级，而且新能级间有一定的间隔，能级的分裂导致了谱线的分裂。
能级分裂的方式与角量子数J和朗德因子g有关。
塞曼效应证明了原子具有磁矩，而且磁矩的空间取向量子化。
塞曼效应可应用于测定角量子数和朗德因子，还可分析物质的元素组成。
1.4磁致线双折射效应磁致线双折射效应指透明介质处于磁场中时，表现出单轴晶体的性质，光线入射能产生两条折射线。
在铁磁和亚铁磁体中的磁致线双折射效应称作科顿-穆顿效应，反铁磁体中的磁致线双折射效应称作瓦格特效应[2].磁致线双折射效应可用于测量物质能级结构，研究单原子层磁性的微弱变化等2.研究现状本章将介绍多种磁光材料的前沿应用和理论研究，并结合本人所学知识给出相应的评价和启发。
个人评价用加粗字体给出。
2.1利用法拉第效应进行焊接检测[3]根据法拉第效应，偏振光通过磁场中的介质后，偏振面转过一定角度，通过偏振角一定的偏振片后，就会表现为不同的亮度。
工作时，将光源、起偏器、反射镜、直流电磁铁、光反射面、磁光薄膜、检偏器、CMOS成像装置和焊件按图1组装。
2/ 8图 1 焊接缺陷磁光成像原理图其中磁光薄膜应具有以下特性：透光性好，色散强，具有顺磁性，磁化率较大。
这样能在磁光薄膜处准确地反应焊件的磁化状态，并获得较高的Verdet常数和较大的法拉第转角。
若被检测处没有缺陷，焊件连为一体，与直流电磁铁组成完整磁路，由于焊件较薄，焊件的磁化方向是由N极指向S极，与焊件表面水平，这样磁光薄膜中，在光线方向上磁场的投影为0，透过检偏器后成像时光强度是均匀的，I0=I cos2φ；若被检测处有缺陷，则焊件在缺陷两侧分为两个独立部分，无法连成完整磁路，这样就出现了不均匀的磁化，即N极、S极附近的焊件被垂直磁化，不闭合的焊缝处存在水平磁场，同样的磁场分布体现在磁光薄膜中，N极上的焊件反射光偏振面转过θ角（实际在入射和反射过程中都发生了法拉第效应，若薄膜厚度为d，应有θ=2VBd），S极上的焊件反射光偏振面转过-θ角，缺陷处不发生偏振面转动。
透过检偏器后，将得到不同的光强：I1=I cos2(φ−θ)I2=I cos2(φ+θ)I0=I cos2φ3/ 8控制φ>θ，则有I1>I0>I2，成像后得到明暗不等的区域，如图2图 2 焊件磁光成像可见，磁光成像技术可明显显示焊件中的微小缺陷，系统容易接入自动化控制，可在焊接同时进行检测，大大提高了作业效率。
同理，磁光成像技术还可用于其他金属件的无损探伤。
与其他无损探伤方式[4]相比，磁光成像具有易读、明显和数字化的特点，在无损探伤领域由广泛的应用前景。
2.2磁光隔离器磁光隔离器是保证光单向传播的器件[1]，一般用来保护激光光源，防止其激发受到反射光的干扰，对光纤通信和激光技术由重要意义。
磁光隔离器由一个45°法拉第旋光器和一对Glan-Thompson棱镜[5]组成，并按照图3的方式组装。
4/ 8图 3 磁光隔离器示意图设置起偏器角度以使偏振光能完全透过第一个Glan-Thompson棱镜。
之后偏振光透过法拉第旋光器，偏振角增大45°，由于Glan-Thompson棱镜的组装方式为相互错开45°，通过法拉第旋光器的偏振光刚好能透过第二个Glan-Thompson棱镜，反射光也如此。
之后反射光也通过法拉第旋光器，由于法拉第效应的特性，偏振面会向相同方向再转45°，得到与入射光偏振面夹角为90°的偏振光，这样的偏振光不能通过第一个Glan-Thompson棱镜，因而防止反射光干扰光源的激发。
磁光隔离器应注重改良磁光材料的光学性能，减少透过旋光器时的强度损耗。
为了实现设备的小型化，材料应有较大的Verdet常数，以在介质长度较小的条件下实现45°法拉第转角。
目前已发现掺Bi稀土石榴石有较强的法拉第效应[1]，日本实现了Bi3Fe5O12单晶的制取[6]，Verdet常数非常高，可在薄膜尺度实现45°法拉第转角，为集成磁光隔离器的制造提供了条件。
2.3基于磁光克尔效应的磁畴成像磁光克尔效应指线偏振光在磁化的介质表面反射后，在磁场作用下偏振面发生偏转的现象。
根据磁场方向不同分为极向、横向和纵向克尔效应，常用的是效果较为明显的极向克尔效应和纵向克尔效应。
偏振光在磁性材料表面反射时，由于入射角和磁场强度和方向的差别，偏振角会产生不同的变化，经过偏振片后成像体现为不同的亮度。
铁磁体中原子磁矩自发磁化5/ 8排列成多个磁畴，每个磁畴都有特定的磁化方向，用偏振光照射材料表面，就会发生不同程度的磁光克尔效应，处理后就能观察到不同亮度的磁畴。
磁光克尔成像系统主要有两种[7]，如图4图4磁光克尔成像系统示意图(a)具有较宽视场，适合观测大块磁畴；(b)具有显微光路，能在高分辨率下观察磁畴的显微结构。
根据样品的实际情况选择适当的成像系统，可以方便而准确地观察到理想的磁畴结构。
2.4电光-磁光互补电传感器电光效应指各向同性材料置于电场中时变为各向异性，其光学性质随之改变，产生线性双折射；磁光效应在这里指法拉第效应。
某些晶体同时具有电光效应和磁光效应，如闪烁锗酸铋（Bi4Ge3O12）、闪烁硅酸铋（Bi4Si3O12）、锗酸铋（Bi12GeO20）、硅酸铋（Bi12SiO20）和石英（Si O2）等[8]。
将螺线管通电流，就产生了与电流成正比的磁场；在极板两极加电压，就产生了与电压成正比的电场。
将螺线管、极板和上述晶体组合起来，晶体同时受电场和磁场的作用，同时且独立地发生电光效应和磁光效应，经过晶体的偏振光在经过检偏器，呈现出一定的强度，研究光强、磁场和电场的关系，发现其图像是一个三维曲面，自由度为2，也就是说，确定光强、磁场和电场之中任意两个量，就可以求得第三个量。
由于磁场与电流、电场与电压是一一对应关系，而光强需要严格处理和控制，不6/ 8适宜作为待测量，所以一般选用电压补偿控制光强恒定来测定电流，或电流补偿控制光强恒定来测定电压。
实验装置如图5。
图5 电光补偿型光学电流传感器实验装置示意图该装置可以测量直流电流、电压，交流电流、电压有效值和波形等电学量，量程灵活，适宜多种情况下的测量。
应当注意的是，测量交流电时，电光-磁光晶体需要尽量减小其矫顽力和损耗，选用软磁材料，以提高测量精度。
2.5磁光金属非金属磁光晶体往往透光性较好，但Verdet常数较小，不适宜制作小型器件。
后来人们发现某些金属也具有法拉第效应，但由于厚金属透光性太差，无法投入应用。
研究发现，不透光的两种单负特异材料组合在一起可以产生光隧穿效应[9]，制成的器件可以透光。
金属通常是电单负材料，全介质光子晶体通常是磁单负材料。
Ag是一种透光率低但Verdet常数极大的磁光金属，为了利用Ag强大的磁光效应，研究提出了一种三明治膜结构，即一层Ag薄膜两侧匹配全介质光子晶体薄膜。
这样不仅获得了良好的透光性，还获得了很大的Verdet常数，纳米尺度的此种薄膜就可以产生45°法拉第转角[10]。
这为磁光设备小型化提供了条件，有很好的研究和应用前景。
7/ 83.参考文献[1]张溪文,董博,洪炜,娄骁,张守业,韩高荣.光隔离器及其相关的磁光材料[J].材料科学与工程,2002(03):438-440.[2]周静,王选章,谢文广.磁光效应及其应用[J].现代物理知识,2005(05):45-47.[3]高向东,李国华,萧振林,陈晓辉.焊接缺陷的磁光成像小波多尺度识别及分类[J].光学精密工程,2016,24(04):930-936.[4]沈功田.中国无损检测与评价技术的进展[J].无损检测,2008(11):787-793.[5]吴福全,许晓平,李国华.光学介质膜在短型格兰·汤普逊棱镜中的应用[J].曲阜师范大学学报(自然科学版),1995(01):48-52.[6]N. Yahya et al., "Synthesis and Characterization of Single CrystalsY3Fe5O12 and Bi3Fe5O12 Prepared via Sol Gel Technique", Defect andDiffusion Forum, Vols. 283-286, pp. 406-412, 2009[7]李蒙蒙. 基于磁光克尔效应的磁光材料表征方法[D].山东大学,2017.[8]李长胜.电光与磁光效应的互补特性及其传感应用[J].物理学报,2015,64(04):324-333.[9]邓新华. 含特异材料的光子晶体光学传输特性研究[D].南昌大学,2008.[10]董丽娟,杜桂强,杨成全,石云龙.厚金属Ag膜的磁光法拉第旋转效应的增强[J].物理学报,2012,61(16):262-266.8/ 8。