稀土磁光材料

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❖ 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。
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。
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(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。
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。
结❖论若偿:晶,为体无了F中e得掺4+出入到现S最i,4+小则离晶子的体时光的,吸吸由收收于,将Si4减就+通小必P。b须一2+电严般荷每格补个控 制非分三子价式的中杂有0质.00C4个a,硅S原i子,的P浓b以度,及会P达t等到元最素小的。光
2、稀土磁光材料的发展概况
❖1. 稀土磁光材料的来源和作用
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。
光作为测量参考点的方法叫消光法,这是磁光旋转 的最基本测量方法。
2 )磁光克尔效应
❖ 当线偏振光被磁化了的铁磁体表面反射时, 发射光将是椭圆偏振的,并且椭圆长轴为标 志的偏振光相对于入射偏振光的偏振面旋转 了一个角度,即磁光克尔效应。
❖ 磁光克尔效应分为三种组态: 1. 极向磁光克尔效应 2.纵向磁光克尔效应 3.横向磁光克尔效应
❖ 当一束偏振态为A的线 偏振光沿磁化强度M方 向传播,即争相通过磁
旋光材料时,将产生一 法拉第旋转θ使光的偏 振态变为B。
❖ 当偏振态为B的偏振光 反响通过该磁旋光材料
时,其偏振态将不再变 为A,而继续旋转θ角变 为偏振态C。这样C的 偏振方向为A 的2 θ角。 这就是磁光效应的非互 易性。
❖ (2)磁光旋转的测量-消光法 ❖ 在不同波长下测量磁光旋转的简单示意如图。
❖其中,L为白光源,M为单色仪,P1为起偏器,S为待测样 品,P2为带有测角仪的检偏器,D为光电检测器.
❖ 由白光源发出的光,经单色仪后变为单色光,通过起 偏器后成单色线偏振光。待测样品置于绕有励磁线 圈的电磁铁中,光顺着或逆着磁场方向透过样品。 当励磁线圈中没有电流时,调节检偏器的方向与起 偏器的偏振方向正交,此时发生消光现象,光电检 测器不到光信号。通入励磁电流产生磁场后,由于 磁光旋转,一部分光将透过检偏器进入光电检测, 再次调节检偏器的方向直至消光,测得检偏器转过 的角度θ即为待测样品的磁光旋转角。这种以消
束,一束与磁化强度矢量 平行,称为正常光波。另 一束与磁化强度矢量垂直, 称非正常光波。产生相位 差δ,两种光在铁磁体内 的折射率不同,产生双折 射现象。
4 )磁圆振、磁线振二向色性
❖ 磁圆振二向色性发生在光沿平行于磁化强度 Ms方向传播时,由于铁磁体对入射线偏振光 的两个圆偏振态的吸收不同,一个圆偏振态 的吸收大于另一个圆偏振态的吸收,结果造 成左、右圆偏振态的吸收有差异,此现象称 为磁圆二向色性。
❖ 2. 稀土磁光材料的发展概况
3、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
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。
5、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
2.9 稀土磁光材料
Rare Earth magnetooptical material
一、稀土磁光材料
❖ 磁光效应和磁光材料 ❖ 稀土磁光材料的来源及性能特点 ❖ 稀土铁石榴石磁光材料 ❖ 钆镓石榴石磁光材料
❖ 磁光材料:
在紫外到红外波段,具有磁光效应的光 信息功能材料。
稀土磁光材料是一种新型的光信息功能 材料,利用这类材料的磁光特性以及光,电, 磁的相互作用和转换,可制成具有各种功能 的光学器件。
• 克尔效应
某些各向同性的透明介质(如非晶体和液体),在外电场 的作用下,显示出双折射现象,称为克尔效应。
M
c
- c'
光轴沿电场强度的方向
当外电场撤消时,这种性质立即消失, 因此,也称为电致双折射现象。
3 )科顿-穆顿效应 (磁双折射效应)
❖ 当线偏振光垂直于磁化强 度矢量方向透通铁磁晶体 时,光波的电矢量分成 两
1 )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。
(1)磁旋光效应及其非互易性 法拉第效应又称磁旋光效应。当偏振光通过 一个处于磁场大小为H的顺磁性或逆磁性材料 后,透射光偏振方向的旋转角θ正比于磁场大 小H和材料的厚度L,
❖ 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。
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。
1.光的偏振性
❖ 振动方向对于传播方向的不 对称性叫做偏振,它是横波
区别于其他纵波的一个最明 显的标志,只有横波才有偏
振现象。光波是电磁波,因 此,光波的传播方向就是电 磁波的传播方向。光波中的 电振动矢量E和磁振动矢量H 都与传播速度v垂直,因此
光波是横波,它具有偏振性。
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(1)自然光
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❖ 在垂直于光传播方向的平面上,光矢量在各 个可能方向上的取向是均匀的,光矢量的大
小、方向具有无规律性变化,这种光称为自 然光,也称为非偏振光。
自然光可以沿着与光传播方向垂直的任意
方向上分解成两束振动方向相互垂直、振幅 相等、无固定相位差的非相干光。
个角度 ,实验表明: VHl
V叫做费尔德(Verdet)系数。
称为磁致旋光现象。
磁光物质
❖ 一束线偏振光沿光轴通过石英时,其偏振面 会旋转一个角度,但当这束光反响通过石英 时,其偏振面再次旋转并与入射偏振光的偏 振面重合,即正、反两个偏振面的旋转互相 抵消,这事一种互易性旋光特性,一般旋光 物质都具有这种特性。
VHL
费尔德常数
实验证明:振动面旋转的角度 与材料的厚度l、 浓度C 以及入射光的波长 有关。
对于固体: l 定义为旋光系数,它是入射光波长的函数 对于液体: Cl 式中C为溶液的浓度。
M
H
N
把磁性物质的样品,放在两个正交的偏振片之间,沿光传播 方向加磁场 H,则发现线偏光通过样品后,振动面旋转过一
❖ 拉曼散射(Raman scattering) 光通过介质时由于入射光与分子运动相
互作用而引起的频率发生变化的散射。又称 拉曼效应。
7)霍尔效应
❖ 通有电流的铁磁体置于均匀磁场中,如果磁 场的方向与电流的方向垂直,载流子在磁场 中受洛伦兹力的作用,它就会发生在垂直于 磁场和电流的两个方向的偏移,样品的两端 之间产生电场EH,这种现象称为霍尔效应。
❖主要应用:调制器、隔离器、环形 器、磁光开光、偏转器、相移器、 光信息处理机、显示器、存贮器、 激光陀螺偏频磁镜、磁强计,磁光 传感器,印刷机,录像机,模式识 别机,光数头,光盘,光波导等。
1、磁光效应及表征
❖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。
旋转,其大小不变,但方向随时间有规律地 变化。
(3)部分偏振光
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❖ 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。
❖ 2. 磁光效应及表征
1) 磁光法拉第(Farady)效应 2)科顿-穆顿效应 3 )磁圆振、磁线振二向色性 4 )塞曼效应(Zeeman) 5 ) 磁激发光散射 6 ) 磁光克尔效应 7 ) 霍尔效应
❖ 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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