磁光效应的各向异性和非线性特性
磁性测量原理篇-5-磁光效应pdf
9.
10. “Spin Dynamics in Confined Magnetic Structures III”, by Burkard Hillebrands (Editor), Andre Thiaville (Editor), $225.00, 350 pages, Springer-Verlag; (September 15, 2004), ISBN: 3540201084
2c
Re(n− − n+ ) ≈
ω
2c ε
⋅ z0 ⋅ B
α F = V ⋅ l0 ⋅ B αF = K ⋅ l0 ⋅ M
V：Verdet constant，非磁性介质 K：Kundt constant，磁性介质
线偏振
M
O/E 椭圆偏振 光电转换 YIG
l0 石英玻璃 4.35 2.39 苯 9.25 5.06
右旋圆偏振光
1 E0 e − iω t 2
tan 2α =
' 1 E0 e − iω (t − n+l / c ) 2
2 Ex 0 E y 0 E −E
2 x0 2 y0
cos δ
E+ =
α= δ
1 2
磁光Faraday效应
Faraday旋转角αF：（l0为样品厚度 ）α =
F
法拉第效应2
ω z0
法拉第效应3
α F = V ⋅ l0 ⋅ B αF = K ⋅ l0 ⋅ M
磁光Kerr效应
Magnetic Optical Kerr Effect (MOKE)
1876年，Reverend J. C. Kerr Kerr J. C., J. Rep. Brit. Assoc. 5, (1876) 所有介质
磁光效应的各向异性和非线性特性
第17卷 第10期光 学 学 报V ol.17,No.10 1997年10月ACT A O PT ICA SIN IC A O ctober,1997磁光效应的各向异性和非线性特性刘公强 梁 波(上海交通大学应用物理系,上海200030)卫邦达(上海工程技术大学基础部,上海200335)摘 要 应用经典电磁场理论和(间接)交换作用有效场概念,推导了顺磁性、铁磁性、反铁磁性和亚铁磁性介质中的磁光效应及其温度特性。
理论分析表明,法拉第磁光效应具有各向异性特性;法拉第旋转不仅与顺磁性和铁磁性介质中的磁化强度M或反铁磁性和亚铁磁性介质中的次晶格磁化强度M i的线性项有关,而且还应与M或M i的高次项有关。
(间接)交换作用是导致磁光效应、磁光效应各向异性以及它们的复杂温度特性的重要原因。
理论较为圆满地解释了实验结果。
关键词 磁光各向异性, 法拉第旋转, 交换作用, 经典理论。
1 引 言随着磁光测量技术不断提高和新型磁光材料的大量涌现,一些新的磁光性质被相继发现。
80年代以来,在一些顺磁性、铁磁性和亚铁磁性介质中发现了磁光效应的各向异性[1]和非线性现象[2]。
迄今为止,磁光经典理论还无法解释这些新的磁光性质。
众所周知,在顺磁性、铁磁性和亚铁磁性介质中存在着(间接)交换作用。
作者认为,这种电子间的电相互作用对磁光效应有着极为重要的贡献。
基于这一点,应用经典和量子理论较为成功地解释了上述各种磁性介质中的磁光效应及其复杂温度特性[3～5]。
本文将应用经典场论和(间接)交换作用有效场概念,进一步解释各种介质中磁光效应的各向异性和非线性性质。
计算表明,(间接)交换作用亦是导致这些磁光性质的重要因素。
2 磁光效应的基本关系式在弱磁性介质中,电子运动方程为m r=-m k20r+e(E+P/3ε0)-ζr+e_0H i r×h(1)等式右边第一项为正电中心对电子的作用力,k0为电子运动的固有频率,第二项为介质中电子受区域电场的作用力。
磁光效应简介
法拉第反射是光在磁场中反射时，偏振面发生旋转的现象。这种现象是由于光 在磁场中反射时，磁场所引起的偏振面旋转角与光反射距离成正比。
磁光克尔效应
总结词
磁光克尔效应是磁光效应的一种 ，在光学测量和光学通信等领域 有重要应用。
详细描述
磁光克尔效应是指在外加磁场作 用下，某些非中心对称晶体或各 向异性媒质中，由于光偏振方向 改变而引起折射率变化的现象。
光学数据加密
利用磁光效应可以对数据进行加密和解密，提高数据的安全性。
光学检测领域的应用
光学传感
利用磁光效应可以设计出各种光学传感器，用于测量物理量的变化，如磁场、温度、压力等。
非线性光学效应
磁光效应可以增强非线性光学效应，如光学倍频、光学参量放大等，为光学检测提供了新的手段。
其他领域的应用
激光雷达
2. Phelan, T. W., & Ritz, T. (2007). Magneto-optic effects in semiconductor quantum dots. Journal of applied physics, 101(6), 063102.
3. Sivak, D. A., & Zhang, X. (2012). Magneto-optic effects in thin film garnets. Journal of magnetism and magnetic materials, 324(20), 3395-3400.
磁光效应的实验研究
近年来，实验研究主要集中在利用磁光效应进行 光学通信、光学传感、光学信息处理等领域。
3
磁光效应的理论模型
理论模型主要基于经典电磁理论和量子力学理论 进行描述。
名词解释
⑶ 铁磁性：Fe，Co，Ni，Gd，Tb 等 ⑷ 反铁磁性：过度族的盐类化合物 ⑸ 亚铁磁性：铁氧体（如 TbFe2 ， PrFe2） 3. 磁畴的分类及观察方法 分类：⑴磁通开放式：单轴磁晶各向异性磁体（片形畴，波纹畴，棋盘畴，蜂窝畴） ⑵磁通封闭式：多轴磁晶各向异性磁体（树枝畴，匕首畴） ⑶磁通旋转式：磁晶各向异性常数 K≈0 观察方法：⒈粉纹法 ⒉磁光克尔效应法 ⒊磁力显微镜法 ⒋X 射线衍射法 ⒌电镜法 4. 畴壁的分类 第一种：根据畴壁两侧磁畴的自发磁化强度方向之间的关系可将畴壁划分为 180°畴壁 和 90°畴壁 第二种：根据畴壁中磁的国度方式可将畴壁划分为布洛赫壁和奈尔壁 180°畴壁： 畴壁两侧磁畴的自发磁化强度的方向成 180°， 这样两刺手的畴壁称为 180° 畴壁。 90°畴壁：畴壁两侧磁畴的自发磁化方向不为 180°，而是 90°，109°或 71°等一律 称为 90°畴壁。 布洛赫壁：在铁磁材料中，大块晶体材料内的畴壁属于布洛赫壁，在布洛赫壁中，磁矩 的过度方式是始终保持平行畴壁平面，因而在畴壁面上无自由磁极出现，这 样就保证了畴壁不会产生退磁场，也能保持畴壁能量为极小，但是在晶体的 上下表面却会出现磁极。 奈尔壁:在极薄的磁性薄膜中，存在一种不同于布洛赫壁的畴壁模型，在这种畴壁中，磁 矩围绕薄膜平面的法线改变方向，并且是平行于薄膜表面而逐渐过渡的。 5. 铁磁材料的基本特征： ⒈ 铁磁性物质内存在按磁畴分布的自发磁化 ⒉ 铁磁性物质的磁化率很强 ⒊ 铁磁性物质的磁化强度与磁化磁场强度间不是单值函数关系，显示磁滞现象具有剩 余磁化强度其磁化率是磁场强度的函数 ⒋ 铁磁性物质有一个磁性转变温度—居里温度，以 Tc 表示 ⒌ 铁磁性物质在磁化过程中，表现出磁晶各向异性，磁致伸缩和具有静磁能量现象 6．磁畴结构形成原因 铁磁体内有五种相互作用能:FH Fd Fex FK 根据热力学平衡原理， ，稳定的磁状态，其总自由能 必定极小，产生磁畴也就是 Ms 平衡分布要满足此条件的结果，若无 H 作用时，Ms 应分布 在由 Fd Fex FK，三者所决定的总自由能极小的方向，但由于铁磁体有一定的几何尺寸，Ms 的 一直均匀分布必将导致表面磁极的出现而产生 Hd ，从而使总能量增大，不再处于能量极小 的状态，因此必须降低 Fd ，故只有改变其 Ms 矢量分布方向，从而形成多磁畴，因此 Fd 最 小要求是形成磁畴的根本原因 6. 技术磁化 技术磁化阐述的是关于铁磁质在整个磁化过程中磁化行为的机理，即阐明了在 外磁场作用下，磁畴是通过何种机制逐渐趋向外磁场方向的。 技术磁化的过程可分为三个阶段：起始磁化阶段，急剧磁化阶段以及缓慢磁化并 趋于磁饱和阶段。 8．磁性起源
磁光效应实验报告
轴不够重合，检偏棱镜，透镜聚焦位置不好，抑或是测量时噪音过大，影像数据的读取。
四、
参考文献
[1]. Qiu Z Q , Bader S D. Surface magneto-optic Kerreffect [J ] . Journal of Magnetism and Magnetic Materials , 1999 ,200 :664～678. [2]. 赵凯华. 新概念物理教程·光学[M] . 北京:高等教育出版社,2004. [3]. 刘公强，乐志强，沈德芳。磁光学。 上海科学技术出版社，2002. [4]. 廖延彪. 偏振光学[M] . 北京:科学出版社,2005. [5]. 吴思诚 王祖铨. 近代物理实验 高等教育出版社，2005. [6]. M. Faraday, Trans. Roy. Soc. (London) 5 (1846) 592. [7]. J. Kerr, Philos. Mag. 3 (1877) 339. [8]. J. Kerr, Philos. Mag. 5 (1878) 161. [9]. E.R. Moog, S.D. Bader, Superlattices Microstruct. 1 (1985) [10]. 543. [11]. S.D. Bader, E.R. Moog, P. GruK nberg, J. Magn. Magn. [12]. Mater. 53 (1986) L295. [13]. S.D. Bader, J. Magn. Magn. Mater. 100 (1991) 440. [14]. J.C. Maxwell, A Treatise on Electricity and Magnetism, [15]. Vol. II, chap. XXI, Clarendon Press, Oxford, 1873, pp.399-417. [16]. Z.Q. Qiu, S.D. Bader / Journal of Magnetism and Magnetic Materials 200 (1999) 664}678 677
磁光电效应的原理和应用
磁光电效应的原理和应用1. 原理介绍磁光电效应是指材料在外界磁场作用下，光的传播速度和光的偏振方向发生变化的现象。
它是磁场与光场相互作用的结果，具有重要的科学意义和广泛的应用价值。
磁光电效应的原理可归结为克尔效应和磁各向异性效应两个方面。
1.1 克尔效应克尔效应是指材料在外界磁场作用下，光线传播方向发生弯曲的现象。
当光线通过垂直于磁场方向的材料时，由于磁场对光的折射率产生影响，光线会被偏折。
这种现象被称为纵向克尔效应。
当光线通过与磁场平行的材料时，光线传播方向也会发生偏转，这种现象被称为横向克尔效应。
1.2 磁各向异性效应磁各向异性效应是指材料在外界磁场作用下，光的偏振方向发生旋转的现象。
在没有外界磁场的情况下，自然光会以相等的强度沿着所有方向传播。
但是在磁场的作用下，材料会对不同偏振方向的光产生不同的消光或吸收。
这就导致了光的线偏振方向发生旋转。
2. 应用介绍磁光电效应具有广泛的应用价值，在光电通信、光存储、光调制和传感器等领域发挥着重要作用。
2.1 光电通信在光纤通信中，磁光电效应可以用于光纤中光的相位调制和光开关。
通过利用磁光效应使光线偏振方向旋转，可以实现信号的调制和切换。
这种相位调制技术可以提高通信速率和信息传输量。
2.2 光存储磁光电效应可应用于光存储设备中的信息读取和写入。
通过磁场的作用，可以实现光存储介质中的位信息的非破坏性读取，并且能够在存储介质中写入新的信息。
2.3 光调制磁光电效应可以用于光调制器，实现光信号的调制。
利用磁光效应使光线偏振方向发生旋转，可以改变光信号的强度和相位，从而对光信号进行调制。
2.4 传感器磁光电效应在传感器领域也有广泛的应用。
通过测量外界磁场对光电材料产生的影响，可以实现磁场传感器的设计。
利用磁光电效应可以制造出高灵敏度、线性度好的磁场传感器，用于测量磁场的大小和方向。
3. 总结磁光电效应是材料在外界磁场作用下，光的传播速度和偏振方向发生变化的现象。
实验题目磁光克尔效应测量磁各向异性
实验题目：磁光克尔效应测量磁各向异性
指导老师：吴义政
一、实验目的、意义和要求
利用磁光克尔效应测量磁性薄膜的磁信号和磁滞回线，同时确定磁性薄膜的磁各向异性随薄膜厚度的影响。
希望通过实验，学生能够了解磁光效应的原理以及实验装置，同时掌握测量各向异性的方法，对特定材料体系了解决定磁各向异性的因素。
二、参考书籍与材料
1 《凝聚态磁性物理》，姜寿亭等，科学出版社
三、实验前需了解的相关知识
原理方面的问题：
1 检偏器，1/4波片等光学元件的原理。
2法拉第效应和磁光克尔效应的原理。
实验方面的问题：
1光学光路搭建
2 光探测器原理。
四、实验室可提供的器材
磁光测量所属的光学元件、磁铁和计算机。
五、实验内容和要求
1 原理上，了解磁光测量的三种配置，了解利用磁光效应测量各向异性的原理。
2. 实验上能够搭建磁光克尔效应所用的光路，并能够调试实验到最佳状态，并探索
提高实验精度的方法。
3. 能够分析不同方向的磁矩对于磁光克尔效应的影响。
六、实验报告的要求
1实验原理；
2 介绍所组装仪器的实验原理及实验方法；
3 记录实验中出现的各种实验现象，对其进行分析、讨论；
4 记录实验数据，并对结果进行分析讨论；
5 写出本实验的总结、收获和体会。
磁光效应简介及其应用
磁光效应简介及其应用作者：陈俊如来源：《科技风》2018年第04期摘要：磁光效应是电磁波在被施加准静态磁场物体中传播的种种现象。
在这些旋磁材料中，左旋和右旋椭圆偏振光可以以不同速率在介质中传播，导致一些很重要的效应。
当光线经过一层磁光物质后，会导致法拉第效应：光线的偏振面可以被旋转，成为法拉第旋光器。
当光线被磁光物质反射后，会产生磁光克尔效应。
在最近的数十年里，光电技术日益在高新领域获得广泛应用，而在同时，以磁光效应为原理的各种器件也展现出了非常独特的性质和极其光明的应用未来。
关键词：磁光效应；法拉第效应；磁光克尔效应；塞曼效应一、法拉第效应法拉第效应又称法拉第旋转，它是一种磁光效应。
他的机理是，在传播介质中，光——可见的电磁波与介质中的磁场会有相互作用。
这个相互作用的结果就是能导致偏振平面的旋转，同时，旋转幅度与磁场沿着光传播方向的投影分量成正比。
对于透明物质，偏振的旋转角弧与磁场的关系为β=γBd在这个公式中，β是旋转的角度，即光波被磁场作用弯折的程度。
而B则是磁场沿光传播方向的投影。
至于d则是光与磁场相互作用的距离。
γ称为韦尔代常数，与材料的本身性质、光波的波长和周围环境温度有密切的关系。
我们先假定韦尔代常数是正数，那么当光的传播的方向和磁场的方向一致的时候，顺着光的传播方向，光波的偏振就会沿着顺时针。
同理，当光的传播的方向和磁场的方向相反时，偏振就是逆时针旋转。
如果存在反射的现象，即光通过介质后，再被反射回来再次穿过介质，那么相当于作用了两次，也就是说旋转角度就会加倍。
二、磁光克尔效应磁光克爾效应是偏振光从有磁畴的铁磁体反射后，偏振面变化；进而引起光的强度变化的现象，称为磁光克尔效应。
这是约翰·克尔于1877年发现的。
磁光克尔效应的原理是：从铁磁体表面反射的极化光，变成了椭圆偏振光；并且其长轴发生转动；转动的大小与表面磁畴的磁化向量成分成正比。
它的物理根源是磁圆二向色性；在磁性材料中，光和自旋轨道偶合，导致对左，右旋的极化光吸收不同的缘故。
磁光效应
目录
磁光效应原理
• 法拉第效应基本概述
磁光材料介电常数各向异性
• 对各向同性材料外加磁场 • 材料本身的铁磁性
磁光效应当今具体应用
• 光纤电流传感器优点 • 具体的操作
引言
自然界中存在一些物质，当线偏振光沿光轴方向通过这些物质后，其偏振面会 发生旋转，即发生旋光现象，称之为自然旋光。 旋光现象最早由阿拉果在石英晶体中发现，随后毕奥发现一些各向同性的气体 和液体也具备该特性；而一些不具备自然旋光本领的晶体在磁场的作用下，偏 振面产生偏转的现象称为磁光效应，该现象由法拉第首次发现，也称为法拉第 效应。
将各向同性吸收体放入磁场：
光纤式电流传感器（OFCT） 主要由传感头 、输送与接收光纤 、电子回路 等三部分组成 , 如图 1 所示 ：
各向异性吸收体的磁光第效应：
H1是金 H2是连续的电介质层，介电常数为2 H3是掺铋钇铁石榴石Bi-substituted yttrium iron garnet M是玻璃，介电常数为2.13
参考文献——张昊. 环形结构全光纤电流传感器研究[D]. 福建师范大学, 2014.
在自然旋光晶体中,对应左右旋圆偏振光的折射率不同，而光在磁场的作用下， 同样也会有这样的效应产生。磁场作用下，经过一定长度的传播后,两种圆偏 振光转过的角度将大小不同，如图2.3。
二、磁光效应介电常数
一般的，在没有外加磁场的情况下，二氧化硅为各向同性吸收材料，相对介电 常数值取一个常数：
谢谢！
参考文献——Lei C, Li D, Chen L, et al. Enhancement of magneto-optical Faraday effects and extraordinary optical transmission in a tri-layer structure with rectangular annular arrays[J]. Optics Letters, 2016, 41(4):729.
磁光效应
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• 法拉第旋转效应的应用
法拉第效应可以应用于测量 仪器。例如，法拉第效应被用于 测量旋光度、或光波的振幅调变 、或磁场的遥感。在自旋电子学 里，法拉第效应被用于研究半导 体内部的电子自旋的极化。法拉 第旋转器（Faraday rotator）可 以用于光波的调幅，是光隔离器 与光循环器（optical circulator ）的基础组件，在光通讯与其它 激光领域必备组件。
克尔磁光效应的应用
克尔磁光效应主要应 用与磁光光盘存储系统中。 人们很早就知道光信息的记 录和再生技术----照相技术 。激束发明后，照相技术有 了很大的发展。光盘就是用 激光非接触式高密度地记录 图像，声音，数据等信息的 圆板状媒体。
参考资料
李国栋 -《 磁性材料及器件》 都有为 - 《功能材料》 牛永宾，许丽萍等 - 《红外与激光工程》
• 克尔磁光效应
线偏振光入射到磁化媒
质表面反射出去时，偏振面
发生旋转的现象。也叫克尔
磁光效应或克尔磁光旋转。
这是继法拉第效应发现
后，英国科学家J.克尔于
图一
1876年发现的第二个重要
的磁光效应。
按磁化强度和入射面的相对取向，克尔磁光效应分极向 克尔磁光效应、横向克尔磁光效应和纵向克尔磁光效应 （图一）。极向和纵向克尔磁光旋转都正比于样品的磁 化强度。通常极向克尔旋转最大、纵向次之。
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(完整版)光电子技术题目与答案
6)光电二极管是指以光导模式工作的结型光伏探测器常见的光电二极管有Si光电二极管、PIN光电二极管、雪崩光电二极管等类型（写出两种）。
7)光热探测器由热敏元件、热链回路、大热容量的散热器三部分构成，常见的光热探测器有热敏电阻、热释电探测器（写出两种）。
缺点：显示视角小 响应速度慢 非主动发光
7)比较TN－LCD和STN－LCD的特点。
答：TN-LCD利用扭曲向列相液晶的旋光特性，液晶分子的扭曲角为90度，电光特性曲线不够陡峻，由于交叉效应，在采用无源矩阵驱动时，限制了其多路驱动能力。
STN-LCD的扭曲角在180-240度范围内，曲线陡度的提高允许器件工作在较多的扫描行数下，利用了超扭曲和双折射两个效应，是基于光学干涉的显示器件。
3)等离子体是以电子、离子及未电离的中性粒子的集合组成，整体呈中性的物质形态，是固、液、气外，物质的第4态。
4)试说明注入电致发光和高场电致发光的基本原理。
答：注入：利用少数载流子流入PN结直接将电能转换为光能
高场：将发光材料粉末与介质的混合体或单晶薄膜夹持于透明电极板之间，外施电压，由电场直接激励电子与空穴复合而发光。
4)光纤色散的主要危害是使脉冲信号展宽，限制了光纤的宽带或传输容量，多模光纤的色散主要有模色散、材料色散、波导色散
1)光束调制按其调制的性质可分为调幅，调频，调相，强度调制。要实现脉冲编码调制，必须进行三个过程：抽样、量化、编码。
2)光束扫描根据其应用的目的来可以分为模拟扫描、数字扫描两种；前者主要应用各种显示，后者主要应用于光存储。
2)磁光效应是指外加磁场作用所引起的材料光学各项异性，法拉第磁光效应的规律（1）对于给定的介质，光振动面的旋转角与样品的长度和外加的磁感应强度成正比（2）光的传播方向反转时，法拉第旋转的左右方向互换。
稀土材料的磁光性质与光存储应用研究
稀土材料的磁光性质与光存储应用研究1. 磁光性质的概述磁光性质是指磁场对材料的光学性质产生影响的现象。
稀土材料是一类特殊的材料，具有良好的磁光性质。
磁光性质的研究对于光存储应用具有重要意义。
本文将介绍稀土材料的磁光效应及其在光存储应用中的研究进展。
2. 稀土材料的磁光效应稀土材料具有丰富的磁光性质，包括法拉第效应、克尔效应、光学各向异性等。
其中，法拉第效应是指材料在外加磁场作用下产生的旋光现象。
克尔效应是指材料在外加磁场作用下的双折射现象。
光学各向异性是指材料在外加磁场作用下的吸收、透射和反射等光学性质发生变化。
这些磁光效应为稀土材料在光存储应用中的研究提供了丰富的可能性。
3. 稀土材料在光存储应用中的研究进展稀土材料在光存储应用中的研究主要集中在以下几个方面：3.1 磁光记录介质磁光记录介质是一种利用磁光效应记录信息的介质。
稀土材料作为磁光记录介质具有较高的灵敏度和稳定性，可以实现高密度的信息存储。
研究人员通过调控稀土材料的组成和结构，提高了磁光存储介质的性能，并取得了一系列突破性的成果。
3.2 磁光传感器磁光传感器是通过测量磁场对材料的光学性质的影响来实现磁场的探测和测量的装置。
稀土材料作为磁光传感器具有较高的灵敏度和动态范围，可以用于磁场的高精度测量。
研究人员通过对稀土材料的制备和调控，提高了磁光传感器的性能，并成功应用于磁场测量领域。
3.3 磁光信息处理稀土材料的磁光性质也被应用于磁光信息处理领域。
研究人员利用稀土材料的磁光非线性效应，开发了一系列磁光逻辑门、磁光计算单元等器件，实现了光与磁场的交互转换和信息处理。
这为光存储和光计算等领域的应用提供了新的思路和方法。
4. 结论稀土材料具有丰富的磁光性质，包括法拉第效应、克尔效应、光学各向异性等。
这些磁光效应为稀土材料在光存储应用中的研究提供了丰富的可能性。
研究人员通过对稀土材料的制备和调控，提高了磁光存储介质、磁光传感器和磁光信息处理器件的性能，并取得了一系列突破性的成果。
磁光晶体原理(3篇)
第1篇一、引言磁光晶体是一种具有特殊磁光性质的晶体材料，近年来在光电子领域得到了广泛关注。
磁光晶体利用晶体内部的光学和磁学相互作用，实现光波在晶体中的传播和调制。
本文将详细介绍磁光晶体的原理、特性及其应用。
二、磁光晶体原理1. 磁光效应磁光效应是指当晶体受到外磁场作用时，其折射率发生变化的现象。
这种现象是由晶体内部电子的磁矩在外磁场作用下发生进动所引起的。
根据磁光效应的机理，磁光晶体可以分为两类：一类是法拉第磁光效应，另一类是磁光克尔效应。
2. 法拉第磁光效应法拉第磁光效应是指当线偏振光通过具有磁光性质的晶体时，其偏振面发生旋转的现象。
这种现象是由晶体内部电子的磁矩在外磁场作用下发生进动所引起的。
法拉第磁光效应的原理可以用以下公式表示：Δn = (1/2)γBv其中，Δn表示折射率的变化量，γ表示电子的旋磁比，B表示外磁场强度，v表示光波在晶体中的传播速度。
3. 磁光克尔效应磁光克尔效应是指当线偏振光通过具有磁光性质的晶体时，光波在晶体中传播过程中，部分光波被分解为正交的两个偏振分量，其中一个分量在晶体中传播速度减慢，另一个分量传播速度加快。
这种现象是由晶体内部电子的磁矩在外磁场作用下发生进动所引起的。
磁光克尔效应的原理可以用以下公式表示：Δn = (1/2)γB^2v其中，Δn表示折射率的变化量，γ表示电子的旋磁比，B表示外磁场强度，v表示光波在晶体中的传播速度。
三、磁光晶体的特性1. 磁光克尔效应的强度与外磁场强度、晶体厚度、光波波长等因素有关。
2. 磁光克尔效应具有方向性，即只有当外磁场方向与光波传播方向一致时，磁光克尔效应才明显。
3. 磁光克尔效应具有非线性特性，即当外磁场强度增大时，磁光克尔效应的强度也随之增大。
4. 磁光克尔效应具有温度依赖性，即当温度升高时，磁光克尔效应的强度降低。
四、磁光晶体的应用1. 光通信：磁光晶体可用于光通信系统中，实现光信号的调制、解调、放大等功能。
2. 光存储：磁光晶体可用于光存储系统中，实现数据的高速读写。
第六讲-光在磁光介质中传播
φ = αL
π πδ α = (n+ − n− ) ≈ λ0 n0 λ0
这就是法拉第旋转现象， 为磁致旋光率。 这就是法拉第旋转现象，α 为磁致旋光率。
(2.4-12) (2.4-13)
当磁化强度较弱， 与 为线性关系 为线性关系， 为常量。因而旋 当磁化强度较弱，B与H为线性关系，即µ=µ0为常量。因而旋 光率α 与外加磁场强度成正比, 可写成: 与外加磁场强度成正比 可写成
χ ( z ) = tan (α z )
(2.4-7)
即z处的线偏振光相对初始位置旋转了一个角度：
ϕ = αz
α即为磁致旋光率，与磁感应强度B成正比。 同样的：
α =V ⋅H
(2.4-8)
V称为韦尔德（Verdet）常数。 有关V的讨论： 有关 的讨论： 的讨论 （1）一般物质的维尔德常数都很小 液体中V （2）液体中V 较大的有 CS 2 ，V = 0.042' / cm ⋅ Gs （3）固体中的某些重火石玻璃可达 V = 0.09' / cm ⋅ Gs
=
χ (0) cos sz − i
∆k ω δ sin sz + A2 (0 )sin sz 2s c 2n2 s ∆k ω δ cos sz + i sin sz − χ (0 ) sin sz 2s c 2n1s
A2 (0 ) χ (0 ) = A1 (0 )
(2.4-5)
v v δ ( B ) = −δ ( − B )
(2.4-4)
假设磁场沿z轴方向， 假设磁场沿 轴方向，取磁光介质中传播的平面波为 : 轴方向
v v v v v E ( r , t ) = E exp[ i (ω t − k ⋅ r )] v = E{i[ω t − k 0 n (l x x + l y y + l z z )]}
《材料物理性能》测试题汇总
《材料物理性能》测试题1、利用热膨胀曲线确定组织转变临界点通常采取的两种方法是： 、2、列举三种你所知道的热分析方法： 、 、3、磁各向异性一般包括 、 、 等。
4、热电效应包括 效应、 效应、 效应，半导体制冷利用的是 效应。
5、产生非线性光学现象的三个条件是 、 、 。
6、激光材料由 和 组成，前者的主要作用是为后者提供一个合适的晶格场。
7、压电功能材料一般利用压电材料的 功能、 功能、 功能、 功能或 功能。
8、拉伸时弹性比功的计算式为 ，从该式看，提高弹性比功的途径有二： 或 ，作为减振或储能元件，应具有 弹性比功。
9、粘着磨损的形貌特征是 ，磨粒磨损的形貌特征是 。
10、材料在恒变形的条件下，随着时间的延长，弹性应力逐渐 的现象称为应力松弛，材料抵抗应力松弛的能力称为 。
1、导温系数反映的是温度变化过程中材料各部分温度趋于一致的能力。
（ ）2、只有在高温且材料透明、半透明时，才有必要考虑光子热导的贡献。
（ ）3、原子磁距不为零的必要条件是存在未排满的电子层。
（ ）4、量子自由电子理论和能带理论均认为电子随能量的分布服从FD 分布。
（ ）5、由于晶格热振动的加剧，金属和半导体的电阻率均随温度的升高而增大。
（ ）6、直流电位差计法和四点探针法测量电阻率均可以消除接触电阻的影响。
（ ）7、 由于严格的对应关系，材料的发射光谱等于其吸收光谱。
（ ）8、 凡是铁电体一定同时具备压电效应和热释电效应。
（ ）9、 硬度数值的物理意义取决于所采用的硬度实验方法。
（ ）10、对于高温力学性能，所谓温度高低仅具有相对的意义。
（ ）1、关于材料热容的影响因素，下列说法中不正确的是 （ ）A 热容是一个与温度相关的物理量，因此需要用微分来精确定义。
B 实验证明，高温下化合物的热容可由柯普定律描述。
C 德拜热容模型已经能够精确描述材料热容随温度的变化。
D 材料热容与温度的精确关系一般由实验来确定。
磁光效应及其应用
录、存储及分析的领域， 特别是对于集音、像、通讯、 数据计算、分析、处理和存储于一体的多媒体计算机
图 １ 法拉第效应 １７ 卷 ５ 期（总 １０１ 期）
法拉第效应可分为右旋和左旋两种： 当线偏振 光沿着磁场方向传播时， 振动面向左旋； 当光束逆着 磁场方向传播时， 振动面将向右旋。
磁光克尔效应 磁光克尔效应指的是一束线偏 振光在磁化了的介质表面反射时， 反射光将是椭圆 偏振光， 而以椭圆的长轴为标志的“偏振面”相对于 入射偏振光的偏振面旋转了一定的角度。这个角度 通常被称为克尔转角， 记作 "ｋ， 如图 ２ 所示。
塞曼效应 １８８６ 年， 塞曼（ Ｚｅｅｍａｎ） 发现当光源 放在足够强的磁场中时， 原来的一条谱线分裂为几 条具有完全偏振态的谱线， 分裂的条数随能级的类 别而不同， 后人称此现象为塞曼效应。
塞曼效应证实了原子具有磁矩和在磁场空间取 向量子化， 从塞曼效应的实验结果可以推断能级分 裂的情况， 根据光谱线分裂的数目可以知道量子数 Ｊ 的数值， 根据光谱线分裂的间隔可以测量 ｇ 因子 的数值， 因此， 塞曼效应是研究原子结构的重要方法 之一。
来说， 磁光存储系统的作用是其他存储方式无法代 替的。 磁光纪录的主
要过程大致可分 为： 信息的写入和 擦除， 信息的读取 两部分。
具有垂直各向
图 ６ 信息写入
异性的磁性薄膜为 记录介质， 采用数
字信号存储。记录时， 在外磁场作用下热磁写入。根
磁光克尔效应研究
磁光克尔效应研究摘要当光电子技术日益在新兴高科技领域获得广泛应用的同时，以磁光效应原理为背景的磁光器件显示了其独特的性能和广阔的应用前景，引起了人们的浓厚兴趣。
表面磁光克尔效应，作为测量材料磁光特性特别是薄膜材料的物性的一种有效方法，已被广泛应用于磁有序、磁各向异性、多层膜中的层间耦合以及磁性超薄膜的相变行为等问题的研究。
本文简单介绍了什么是磁光克尔效应、磁光克尔效应的发展、以及表面磁光克尔效应作为一种测量方法的原理、实验装置和发展。
关键词磁光克尔效应磁光特性表面磁光克尔效应一、引言1845年，Michael Faraday发现当给玻璃样品加一磁场时，透射光的偏振面将发生旋转，首次发现磁光效应。
随后他在处于外加磁场中的金属表面做反射实验，但由于他所谓的表面不够平整，因而实验结果不能使人信服。
1877年John Kerr在观察偏振光从抛光过的电磁铁磁极反射出来时，发现了磁光克尔效应(magneto-optic Kerr effect)[]1。
1985年Moog和Bade r两位学者对铁超薄膜磊晶成长在金单晶(100)面上的磁光克尔效应做了大量实验，成功得到一原子层厚度磁性物质的磁滞回线，并提出SMOKE作为表面磁光克尔效应(surface magneto-optic Kerr effect)的缩写，用以表示应用磁光克尔效应在表面磁学上的研究。
由于此方法磁性测量灵敏度达一原子层厚度，且此装置可配置于超高真空系统上面工作，所以成为表面磁学的重要研究方法。
二、光学中的磁光克尔效应当一束单色线偏振光照射在磁光介质薄膜表面时，透射光线的偏振面与入射θ)[]2。
反射光线的光的偏振面相比有一转角，这个转角被称作磁光法拉第转角(F偏振面与入射光线的偏振面相比也有一转角，这个转角被叫做磁光克尔转角θ)，这种效应叫做磁光克尔效应。
(K磁光克尔效应包括三种情况[]3：(1)纵向磁光克尔效应，即磁化强度方向即平行于介质表面又平行于光线的入射面时的磁光克尔效应；(2)极向磁光克尔效应，即磁化强度方向与介质表面垂直时发生的磁光克尔效应；(3)横向磁光克尔效应，即磁化强度方向与介质表面平行与反射面垂直时的磁光克尔效应。
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。
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。
磁光效应
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.笔者认为这些磁光效应实验进一步说明光子具有电磁质量.（一）、“法拉第效应”1845年M.法拉第发现，当线偏振光在介质中传播时，若在平行于光的传播方向上加一强磁场，则光振动方向将发生偏转，偏转角度ψ与磁感应强度B和光穿越介质的长度l的乘积成正比，即ψ＝VBl，比例系数V称为费尔德常数，与介质性质及光波频率有关.偏转方向取决于介质性质和磁场方向.上述现象称为法拉第效应或磁致旋光效应.该效应可用来分析碳氢化合物，因每种碳氢化合物有各自的磁致旋光特性；在光谱研究中，可借以得到关于激发能级的有关知识；在激光技术中可用来隔离反射光，也可作为调制光波的手段.因为磁场下电子的运动总附加有右旋的拉穆尔进动﹐当光的传播方向相反时﹐偏振面旋转角方向不倒转﹐所以法拉第效应是非互易效应.这种非互易的本质在微波和光的通信中是很重要的.许多微波﹑光的隔离器﹑环行器﹑开关就是用旋转角大的磁性材料制作的.“法拉第是很熟悉借助于偏振光来研究产生在透明固体中的协变的方法的.他作了许多实验，希望发现偏振光在通过内部存在着电解导电或介电感应的媒质时所受到的某种作用.然而他并没有能找到任何这种作用，尽管实验是用按照最适宜发现拉力的效应的方式装置起来的－－电力或电流和光线相垂直，并和偏振平面成45度角.法拉第用各种方式改变了实验，但是没有发现由电解电流或静电感应引起的对光的任何作用.然而他在确立光和磁之间的关系方面却取得了成功，而他作到这一点的那些实验则描述在他的《实验研究》的第十九组中.我们将把法拉第的发现取作我们有关磁的本性的进一步探索的出发点.从而我们将描述一下他所观察到的现象.一条平面偏振的光线从一种透明的抗磁性媒质中通过；当从媒质中出来时，用一个检偏器截断它的路程，以测定它的偏振面.然后加上一个磁力，使透明媒质中的磁力方向和光线的方向相重合.于是光立即重新出现，但是如果把检偏器转过某一角度，光就又被截断.这就表明，磁力的效应就是使偏振面以光线方向为轴而转过一个确定的角度，这个角度为了截断光线而必须使检偏器转过的那个角度来描述.偏振面转过的角度和下列各量成正比：（1）光线在媒质中超过的距离.因此偏振面是从它的原始位置开始而连续变化的.（2）磁力在光线方向上的分量.（3）转动角的大小依赖于媒质的种类.当媒质是空气或任何其他气体时，还没有观察到任何的转动.这三点说法被包括在一个更普遍的叙述中，那就是，旋转角在数值上等于光线从进入媒质的一点到离开媒质的一点的矢势增量乘以一个系数，而对抗磁性媒质来说，这个系数通常是正的.在抗磁性物质中，偏振面被转向的方向（一般说来）和一个电流的正方向相同，那个电流就是为了产生和实际存在的磁力同方向的磁力而必须绕着光线运行的.然而外尔代特却发现，在某些铁磁性媒质中，例如在一种高氯化铁在木精或乙醚的浓溶液中，旋转方向却和将会产生磁力的电流运行方向相反.这就表明，铁磁性物质和抗磁性物质的区别不仅仅起源于“磁导率”在前一事例中大于而在后一事例中小于空气的磁导率，而这两类物体确实性质相反.一种物质在磁力作用下获得的使光的偏振面发生施转的能力，并不是恰好正比于它的抗磁的或铁磁的磁化率.事实上，抗磁性物质中的旋转为正而铁磁性物质中的旋转为负这一法则.是有例外情况的，因为中性的铬酸钾是抗磁性的，但它却引起负旋转.也存在另外一些物质，他们不依赖于磁力的施加就能在光线通过物质时使偏振面向左或向右旋转.在某些这种物质中，性质依赖于一个轴，例如在石英的事例中就是如此.在另一些物质中，性质并不依赖于光线在媒质中的方向，例如在松节油、糖溶液等等中就是如此.然而，在所有这些物质中，如果任何一条光线的偏振面在媒质中是像一个右手螺旋那样地扭转的，则当光线沿相反方向通过媒质时偏振面仍将像右手螺旋似的扭转.当把媒质放在光线的路程上时，观察者为了截断光线就必须旋转他的检偏器，而不论光线是从南或从北向他射来，旋转的方向相对于观察者来说都是相同的.当光线的方向反向时，旋转在空间中的方向当然也会反向.但是当旋转是由磁作用引起的时，它在空间中的方向却不论光是向南还是向北传播都是相同的.如果媒质属于正类，则旋转方向总是和产生或将会产生实际的磁场状态的电流的方向相同，而如果媒质属于负类则旋转方向总是和该电流的方向相反.由此可以推知，如果光线在从北向南通过了媒质以后受到一个镜面的反射而从南向北返回媒质中，则当旋转是由磁作用引起的时，旋转就会加倍.当旋转只依赖于媒质的种类（而不依赖于光线的方向），就像在松节油等等中那样时，光线在被反射而回到媒质中再从媒质中出来时，它的偏振将是入射时在相同的平面上的，第一次通过时的旋转将在第二次通过时被恰好倒了回来.现象的物质解释带来了相当大的困难.不论是在磁致旋转方向，还是在某些媒质的表现方面，这些困难还几乎不能说已经解决.然而我们可以通过分析已经观察到的事实来给一种解释作些准备.运动学中的一个众所周知的定理就是，两个振幅相同、振动周期相同、在同一平面上但沿相反方向转运的匀速圆周振动，当合成在一起时是和一个直线振动相等价的.这一振动的周期等于圆周振动的周期，它的振幅等于圆周振动的振幅的两部，它的方向是两个点的连线，那就是在同一圆周上沿不同方向描述圆周运动的两个质点即将相遇的两个点.因此，如果一个圆周运动的周相被加速，则直线振动的方向将沿着圆周运动的方向转过一个等于周相加速度的二分之一的角.也可以通过直接的光学实验来证明，两条沿相反方向而圆偏振的强度相同的光线，当合并在一起时就变成一条平面偏振的光线，而且，如果其中一条圆偏振光线的周相由于任何原因被加速了，则全光线的偏振平面会转过一个等于周相加速度之一半的角度.因此我们可以表示偏振面的旋转现象如下：有一条平面偏振光线射在媒质上.这条光线和两条圆偏振光线相等价，其中一条是右手圆偏振的，而另一条是左手圆偏振的（对观察者而言）.通过了媒质以后，光线仍然是平面偏振的，但在两条圆偏振光线中，右手圆偏振的那一条的周相一定是在通过媒质时相对于另一条而被加速了.换句话说，右手圆偏振的光线曾经完成了更多次数的振动，从而在媒质内部比周期相同的左手圆偏振的光线具有较小的波长.现象的这种叙述方式是和任何光的学说都无关的，因为虽然我们使用了波长、圆偏振等等的在我们头脑中可能和某种形式的波动学说相联系的术语，但是推理过程却和这种联系无关而只依赖于被实验证明了的事实.其次让我们考虑其中一条光线在某一给定时刻的位形.每时刻的运动都是圆周运动的任何波动，都可以用一个螺纹线或螺旋来代表.如果让螺旋绕着它的轴线旋转而并不发生任何纵向运动，则每一个粒子都会描述一个圆，而与此同时，波动的传播则将由螺旋纹路上位置相似的各部分的表现纵向运动来代表.很容易看到，如果螺旋是右手的，而观察者是位于波动所传向的一端的，则在他看来螺旋的运动将显得是左手的，也就是说，运动将显得是逆时针的.因此，这样的一条光线曾经被称为一条左手圆偏振的光线；这名称最初起源于一些法国作者，现在已经在整个的科学界都通行了.一条右手圆偏振的光线可以按相似的方式用一个左手螺旋来表示.右侧的右手螺旋线A 表示一条左手圆偏振的光线，而左侧的左手螺旋线B则表示一条右手圆偏振的光线.现在让我们考虑在媒质内部具有相同波长的两条这样的光线.他们在一切方面都是几何地相似的，只除了其中一条是另一条的“反演”，即有如另一条在镜子里的像一样.然而，其中一条，譬如说是A，却比另一条具有较短的旋转周期.如果运动完全起源于由位移所引起的力，那么这就表明，当位形像A那样时，由相同的位移引起的力要比位形像B那样时大一些.因此，在这一事例中，左手光线将相对于右手光线而被加速，而且不论各光线是从北向南还是从南向北行进，情况都将是这样的.因此这就是松节油等等引起的那种现象的解释.在这些媒质中，当位形像A那样时，由一条圆偏振光线所造成的位移将比位形像B那样时引起较大的恢复力.于是这些力就只依赖于位形，而不依赖于运动的方向.”“但是，各物体的性质是可以定量地测量的.因此我们就得到媒质的数据，例如一种扰动通过媒质而传播的那一速度的数值，而这一速度是可以根据电磁实验来算出的，也是在光的事例中可以直接观测的.如果居然发现电磁扰动的传播速度和光的速度相同，而且这不但在空气中是如此，在别的透明媒质中也是如此，则我们将有很强的理由相信光是一种电磁现象，而且光学资料和电学资料的组合也将产生一种关于媒质之实在性的信念，和我们在其他种类的物质的事例中通过感官资料的组合而得到那种信念相似.”[见《电磁通论》第二十章，光的电磁学说的第三自然段.]（二）、克尔磁光效应1876年由J.克尔发现，入射的线偏振光在已磁化的物质表面反射时，振动面发生旋转的现象，克尔磁光效应分极向、纵向和横向三种，分别对应物质的磁化强度与反射表面垂直、与表面和入射面平行、与表面平行而与入射面垂直三种情形.极向和纵向克尔磁光效应的磁致旋光都正比于磁化强度，一般极向的效应最强，纵向次之，横向则无明显的磁致旋光.克尔磁光效应的最重要应用是观察铁磁体的磁畴.不同的磁畴有不同的自发磁化方向，引起反射光振动面的不同旋转，通过偏振片观察反射光时，将观察到与各磁畴对应的明暗不同的区域.用此方法还可对磁畴变化作动态观察.（三）、科顿-穆顿效应1907年A.科顿和H.穆顿首先在液体中发现，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.W.佛克脱在气体中也发现了同样效应，称佛克脱效应，它比前者要弱得多.当介质对两种互相垂直的振动有不同吸收系数时，就表现出二向色性的性质，称为磁二向色性效应.（四）刘武青旋光效应早在20世纪初，人们就已经有了圆偏振光能够输运角动量以致引起旋转的概念.坡印亭(J.H.Poynting)于1909年将光与力学系统进行类比后，认为圆偏振光具有角动量.5年后，爱泼斯坦(P.S.Epstein)通过计算波作用在各向异性介质中感应电偶极子上的力，精确地得到引起旋转的力偶.如果假设引起光偏振的系统由波和起偏晶片组成，这个系统当然应符合角动量守恒这一普遍规律，所以，必须承认电磁波也具有角动量，而且它的变化与晶片的角动量变化相反.具体地说，光有三类：不旋转的、左向旋转的和右向旋转的光.1936年，首先是美国人贝思(Beth)，紧接着美国人霍尔朋(Holbourn)从实验上证明了上述结论的正确性.他们设计了一个圆筒型的暗箱，用一根极细的石英丝将一系列的波片和平面镜悬挂在暗箱中.将一束圆偏振光射入暗箱，结果发现波片发生了偏转.上述实验虽然验证了光线具有角动量，但是由于可见光和近红外光的频率大于1014赫，所以合力矩极小.即使在实验中采用扭转系数很小的扭丝，如石英细丝，这个偏转角也只不10-3弧度.对这么小的变化进行定量测量，在当时几乎是不可能的.增大作用力矩的有效办法之一就是增大光线的波长，也就是必须提供频率相对低的电磁波.20世纪40年代，随着雷达技术的发展，射频波成为了理想的光源.它的波长要比我们眼睛能看到的可见光波长要大上千倍，作为有别于以前的新光源相当理想.意大利科学家卡拉拉(Carrara)于1949年利用射频波很容易地完成了定量测量光角动量的实验，他采用的装置类似于贝思的，只不过将波片替换成能吸收射频波的器件.当然，我们今天已经清楚地知道，光的能量传播以光子形式进行，能量P=h w/2π(h为普朗克常量)，因而它同时带有P/w=h /2π的角动量.我们采用右手螺旋法则，定义沿磁场方向右手旋进的光为+偏振，反之为-偏振，角动量为零的是π线偏振光.而在当初，得到这样定量的结果相当不容易.光具有角动量这一性质最终被应用于实际研究中，人们通过它得到原子、分子等的能级结构、能级寿命、电子的组态、分子的几何形状、化学键的性质、反应动力学等多方面物质结构的知识.中国的刘武青先生发现光通过旋转透明介质，对光电池产生的电流、比光通过静止的透明介质时的要大，同时光波长也会发生变化.这一现象称为刘武青旋光效应.早在20世纪初，人们就已经有了圆偏振光能够输运角动量以致引起旋转的概念.坡印亭(J.H.Poynting)于1909年将光与力学系统进行类比后，认为圆偏振光具有角动量.5年后，爱泼斯坦(P.S.Epstein)通过计算波作用在各向异性介质中感应电偶极子上的力，精确地得到引起旋转的力偶. 如果假设引起光偏振的系统由波和起偏晶片组成，这个系统当然应符合角动量守恒这一普遍规律，所以，必须承认电磁波也具有角动量，而且它的变化与晶片的角动量变化相反.具体地说，光有三类：不旋转的、左向旋转的和右向旋转的光. 1936年，首先是美国人贝思(Beth)，紧接着美国人霍尔朋(Holbourn)从实验上证明了上述结论的正确性.他们设计了一个圆筒型的暗箱，用一根极细的石英丝将一系列的波片和平面镜悬挂在暗箱中.将一束圆偏振光射入暗箱，结果发现波片发生了偏转. 上述实验虽然验证了光线具有角动量，但是由于可见光和近红外光的频率大于1014赫，所以合力矩极小.即使在实验中采用扭转系数很小的扭丝，如石英细丝，这个偏转角也只不10-3弧度.对这么小的变化进行定量测量，在当时几乎是不可能的. 增大作用力矩的有效办法之一就是增大光线的波长，也就是必须提供频率相对低的电磁波.20世纪40年代，随着雷达技术的发展，射频波成为了理想的光源.它的波长要比我们眼睛能看到的可见光波长要大上千倍，作为有别于以前的新光源相当理想.意大利科学家卡拉拉(Carrara)于1949年利用射频波很容易地完成了定量测量光角动量的实验，他采用的装置类似于贝思的，只不过将波片替换成能吸收射频波的器件.-偏振，角动量为零的是π线偏振光.而在当初，得到这样定量的结果相当不容易.+偏振，反之为 当然，我们今天已经清楚地知道，光的能量传播以光子形式进行，能量P=h w/2π(h 为普朗克常量)，因而它同时带有P/w=h /2π的角动量.我们采用右手螺旋法则，定义沿磁场方向右手旋进的光为 光具有角动量这一性质最终被应用于实际研究中，人们通过它得到原子、分子等的能级结构、能级寿命、电子的组态、分子的几何形状、化学键的性质、反应动力学等多方面物质结构的知识.（五）塞曼效应塞曼效应实验是物理学史上一个著名的实验，在1896年，塞曼（Zeeman ）发现把产生光谱的光源置于足够强的磁场中，磁场作用于发光体，使其光谱发生变化，一条谱线即会分裂成几条偏振化的谱线，这种现象称为塞曼效应，塞曼效应的实验证实了原子具有磁矩和空间取向的量子化，并得到洛伦兹理论的解释.1902年塞曼因这一发现与洛伦兹（H.A.Lorentz ）共享诺贝尔物理学奖金.至今，塞曼效应仍然是研究原子内部能级结构的重要方法.本实验通过观察并拍摄Hg （546.1nm ）谱线在磁场中的分裂情况，测量其裂距并计算荷质比m e.由于外磁场对电子的轨道磁矩和自旋磁矩的作用﹐或使能级分裂才产生的.其中谱线分裂为2条(顺磁场方向观察)或3条(垂直于磁场方向观察)的叫正常塞曼效应﹔3条以上的叫反常塞曼效应.在定强度的磁场中﹐分裂后谱线的间隔与磁场强度成正比﹔谱线成分沿磁场方向观察是左﹑右圆偏振光﹐而沿垂直磁场方向观察是互相垂直的两种线偏振光.塞曼效应的经典理论解释是H.A.洛仑兹首先提出的.历史上将符合洛仑兹理论的谱线分裂现象称为正常塞曼效应﹐而将其它不符合洛仑兹理论的谱线分裂现象称为反常塞曼效应.量子力学理论能够全面地解释塞曼效应.实验原理1．谱线在磁场中的能级分裂对于多电子原子，角动量之间的相互作用有LS 耦合模型和JJ 耦合某型.对于LS 耦合，电子之间的轨道与轨道角动量的耦合作用及电子间自旋与自旋角动量的耦合作用强，而每个电子的轨道与自旋角动量耦合作用弱.原子中电子的轨道磁矩和自旋磁矩合成为原子的总磁矩.总磁矩在磁场中受到力矩的作用而绕磁场方向旋进，可以证明旋进所引起的附加能量为B Mg E B μ=∆（1），其中M 为磁量子数，μB 为玻尔磁子，B 为磁感应强度，g 是朗德因子.朗德因子g 表征原子的总磁矩和总角动量的关系，定义为)1(2)1()1()1(1++++-++=J J S S L L J J g （2），其中L 为总轨道角动量量子数，S 为总自旋角动量量子数，J 为总角动量量子数.磁量子数M 只能取J ，J-1，J-2，…，-J ，共（2J+1）个值，也即E ∆有（2J+1）个可能值.这就是说，无磁场时的一个能级，在外磁场的作用下将分裂成（2J+1）个能级.由式（1）还可以看到，分裂的能级是等间隔的，且能级间隔正比于外磁场B 以及朗德因子g.能级E 1和E 2之间的跃迁产生频率为v 的光，12E E hv -=，在磁场中，若上、下能级都发生分裂，新谱线的频率v’与能级的关系为B g M g M hv E E E E E E E E hv B μ)()()()()('112212121122-+=∆-∆+-=∆+-∆+= 分裂后谱线与原谱线的频率差为 h B g M g M v v v B μ)('1122-=-=∆ （3） 代入玻尔磁子m ehB πμ4=，得到 B m e g M g M v π4)(1122-=∆ （4） 等式两边同除以c ，可将式（4）表示为波数差的形式 B mc e g M g M πσ4)(1122-=∆ （5） 令mc eBL π4= 则 L g M g M )(1122-=∆σ （6） L 称为洛伦兹单位，117.46--⋅⨯=T m B L （7）塞曼跃迁的选择定则为：0=∆M ，为π成为，是振动方向平行于磁场的线偏振光，只在垂直于磁场的方向上才能观察到，平行于磁场的方向上观察不到，但当0=∆J 时，02=M 到01=M 的跃迁被禁止；1±=∆M ，为σ成分，垂直于磁场观察时为振动垂直于磁场的线偏振光，沿磁场正向观察时，1+=∆M 为右旋圆偏振光，1-=∆M 为左旋圆偏振光.以汞的546.1nm 谱线为例，说明谱线分裂情况.波长546.1nm 的谱线是汞原子从{6S7S}3S 1到{6S 6P}3P 2能级跃迁时产生的，其上下能级有关的量子数值列在表2.1.1-1中.在磁场作用下能级分裂如图2.1.1-1所示.可见，546.1nm 一条谱线在磁场中分裂成九条线，垂直于磁场观察，中间三条谱线为π成分，两边各三条谱线为σ成分；沿着磁场方向观察，π成分不出现，对应的六条σ线分别为右旋圆偏振光和左旋圆偏振光.若原谱线的强度为100，其他各谱线的强度分别约为75、37.5和12.5.在塞曼效应中有一种特殊情况，上下能级的自旋量子数S 都等于零，塞曼效应发生在单重态间的跃迁.此时，无磁场时的一条谱线在磁场中分裂成三条谱线.其中1±=∆M 对应的仍然是σ态，0=∆M 对应的是π态，分裂后的谱线与原谱线的波数差B mc e L πσ4==∆.由于历史的原因，称这种现象为正常塞曼效应，而前面介绍的称为反常塞曼效应.1． 2． 实验方法（1） （1） 观察塞曼分裂的方法塞曼分裂的波长差很小，波长和波数的关系为σλλ∆=∆2.波长m 7105-⨯=λ的谱线，在B=1T 的磁场中，分裂谱线的波长差只有10-11m.要观察如此小的波长差，用一般的棱镜摄谱仪是不可能的，需采用高分辨率的仪器如法布里-玻罗标准具（简称F-P 标准具）.F-P 标准具是由平行放置的两块平面玻璃或石英板组成的，在两板相对的平面上镀有较高反射率的薄膜，为消除两平板背面反射光的干涉，每块板都作成楔形.两平行的镀膜平面中间夹有一个间隔圈，用热胀系数很小的石英或铟钢精加工而成，用以保证两块平面玻璃之间的间距不变.玻璃板上带有三个螺丝，可精确调节两玻璃板内表面之间的平行度.标准具的光路如图2.1.1-2所示.自扩展光源S 上任一点发出的单色光，射到标准具板的平行平面上，经过M 1和M 2表面的多次反射和透射，分别形成一系列相互平行的反射光束1，2，3，4，…和透射光速1’，2’，3’，4’，…在透射的诸光束中，相邻两光束的光程差为θcos 2nd =∆，这一系列平行并有确定光程差的光束在无穷远处或透镜的焦平面上成干涉像.当光程差为波长的整数倍时产生干涉极大值.一般情况下标准具反射膜间是空气介质，1≈n ，因此，干涉极大值为λθK d =cos 2 （8） K 为整数，称为干涉级.由于标准具的间隔d 是固定的，在波长λ不变的条件下，不同的干涉级对应不同的入射角θ，因此，在使用扩展光源时，F-P 标准具产生等倾干涉，其干涉条纹是一组同心圆环.中心处θ=0，cos θ=1，级次K 最大，λd K 2max =.其他同心圆亮环依次为K-1级，K-2级等.标准具有两个特征参量：自由光谱范围和分辨本领，分别说明如下.1） 1） 自由光谱范围。
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第17卷 第10期光 学 学 报V ol.17,No.10 1997年10月ACT A O PT ICA SIN IC A O ctober,1997磁光效应的各向异性和非线性特性刘公强 梁 波(上海交通大学应用物理系,上海200030)卫邦达(上海工程技术大学基础部,上海200335)摘 要 应用经典电磁场理论和(间接)交换作用有效场概念,推导了顺磁性、铁磁性、反铁磁性和亚铁磁性介质中的磁光效应及其温度特性。
理论分析表明,法拉第磁光效应具有各向异性特性;法拉第旋转不仅与顺磁性和铁磁性介质中的磁化强度M或反铁磁性和亚铁磁性介质中的次晶格磁化强度M i的线性项有关,而且还应与M或M i的高次项有关。
(间接)交换作用是导致磁光效应、磁光效应各向异性以及它们的复杂温度特性的重要原因。
理论较为圆满地解释了实验结果。
关键词 磁光各向异性, 法拉第旋转, 交换作用, 经典理论。
1 引 言随着磁光测量技术不断提高和新型磁光材料的大量涌现,一些新的磁光性质被相继发现。
80年代以来,在一些顺磁性、铁磁性和亚铁磁性介质中发现了磁光效应的各向异性[1]和非线性现象[2]。
迄今为止,磁光经典理论还无法解释这些新的磁光性质。
众所周知,在顺磁性、铁磁性和亚铁磁性介质中存在着(间接)交换作用。
作者认为,这种电子间的电相互作用对磁光效应有着极为重要的贡献。
基于这一点,应用经典和量子理论较为成功地解释了上述各种磁性介质中的磁光效应及其复杂温度特性[3～5]。
本文将应用经典场论和(间接)交换作用有效场概念,进一步解释各种介质中磁光效应的各向异性和非线性性质。
计算表明,(间接)交换作用亦是导致这些磁光性质的重要因素。
2 磁光效应的基本关系式在弱磁性介质中,电子运动方程为m r=-m k20r+e(E+P/3ε0)-ζr+e_0H i r×h(1)等式右边第一项为正电中心对电子的作用力,k0为电子运动的固有频率,第二项为介质中电子受区域电场的作用力。
第三项为电子加速运动中受到的阻尼力。
第四项为有效场H i对电子的作用力,H i=H e+H v(2) 收稿日期:1996年1月24日式中H e为外磁场,H v为与(间接)交换作用,即与分子场有关的有效场,h为H i方向的单位矢量。
用Ne/m乘以(1)式,并注意到电极化矢量p=Ne r,则得P+k20P+V P-e_0H imP×h=N e2m(E+13X0P)(3)式中V=Y/m,N为单位体积中的电子数。
设入射光为线偏振光E=E0exp[i(k r-k t)]=E0ex p[i k(n s r/c-t)],H=H0ex p[i(k r-k t)]=H0ex p[i k(n s r/c-t)],(4)式中波矢k=n k s/c,s为波矢方向的单位矢量。
介质的电极化矢量相应地为P=P0ex p[i k(n s r/c-t)](5)将(5)式代入(3)式得E=T P+i U P×h,T=k20-k2-i V kNe2/m-13X0, U=_0H i kN e,(6)再将(4)、(5)、(6)三式代入介质中光波所满足的麦克斯韦方程,由此可得S(T′P+i X0U P×h)=0, S H=0, T′=X0T+1 (n/_0c)[S×(T P+i U P×h)]=H, -(n/c)(S×H)=T′P+i X0U P×h(7)方程(7)为磁光效应的基本关系式,是处理各种磁光效应的理论基础。
3 法拉第磁光效应此时,S∥h,设h∥Z轴,则由(7)式的第四、五两式可得n T_0c(-P y i+P x j)+in U_0c(P x i+P y j)=H x i+H y j(a)n c (H y i-H x j)=T′(P x i+P y j)+i X0U(P y i-P x j)(b)(8)由(8)式可以解得A P x+iBP y=0, -iB P x+AP y=0(9)A=T n2/_0c2-T′, B=U(n2/_0c2-X0)(10) (9)式有非零解的条件为系数行列式等于零,由此得A=±B(11) 1)当A=-B时,由(9)式可得P y=-iP x(12)将(12)式代入(6)式得E y=-iE x(13)这是右旋圆偏振光,相应的折射率为n+。
由(6)、(7)、(10)和(11)式得n2+-1=_0N e2c2/mk20-k2-i V k-N e2/3X0m+e_0H i k/m(14) 2)当A=B时,同理可得P y=iP x, E y=iE x(15)n2--1=_0N e2c2/mk20-k2-i V k-N e2/3X0m-e_0H i k/m(16)1301 10期刘公强等: 磁光效应的各向异性和非线性特性(15)式为左旋圆偏振光,n -为其相应的折射率。
若忽略阻尼项,不难算得n 2+-1n 2++2=_0Ne 2c 2/3k 20-k 2+e _0H i k /m(17)n 2--1n 2-+2=_0Ne 2c 2/3k 20-k 2-e _0H i k /m (18)3.1 顺磁性介质情形在一些顺磁性介质中,近邻电子之间存在着较为微弱的交换作用。
在经典理论中,可将交换作用等效为外斯分子场H ′v =v ′M ,M 为介质中的磁化强度。
则H ν可写为H ν=νM =νi H e(19)式中ν为与分子场系数ν′有关的系数,i 为磁化率,通常i ≈10-6～10-2。
i 与温度T 的关系服从居里-外斯定理i =_0cT -T p (20)式中_0、c 和T p 分别是真空中的磁化率、居里常数和顺磁居里点。
基于(H e +H ν)～(106/4c )-(107/4c )(A /m )(103～104O e ),(17)、(18)两式分母中的k L =e _0H i /2m 为绕有效场H i =H e +H v 方向作拉莫进动的角频率,k L ≈1010～1011。
介质中光波角频率k ≈1015,k L k ,因此(17)、(18)两式可改写为n 2+-1n 2++2=_0Ne 2c 2/3k 20-(k -k L )2(21)n 2--1n 2-+2=_0Ne 2c 2/3k 20-(k +kL )2(22)由于n ±为(k k L )的函数,(n +-n -)可展开成n +-n -=n 0+d n d k (-k L )+d 2n d k 2(-k L )22!+d 3n d k 3(-k L )33!+……-n 0-d n d k k L -d 2n d k 2k 22!-d 3n d k 3k 3L 3!-......=-d n d k 2k L -d 3n d k 3k 3L 3-d 3n d k 3k 3L 60- (23)光在介质中传播时的法拉第旋转θ为[6]θ=c L λ(n +-n -)(24)式中λ为真空中的光波波长,L 为光在介质中通过的距离,将(23)式代入(24)式,忽略高次项,并注意到k d n /d k -λd n /d λ,可得θ=V L H i =VL (H e +νM )(25)V =(e _0λ/2mc )(d n /d λ)(26)(27)1302光 学 学 报17卷 式中θi 、H ei 和M i (i =x ,y ,z )分别表示法拉第旋转θ、外磁场H e 和磁化强度M 在直角坐标系中的各个分量,νij 为交换作用系数张量元。
根据(25)和(27)式,讨论如下:1)由于磁化强度M =i H e ,故(25)式可改写为θ=V p L H e (28)式中V p =V (1+νi )为顺磁性介质的费尔德常数,它是介质磁化率i 的函数,从而也是温度T 的函数。
这表明,在一些顺磁性介质中,费尔德常数V p 应与温度T 有关,而并非以往理论所说的与温度无关。
这一结论已被实验所证实[7]。
2)一般地说,在顺磁性介质中,法拉第旋转θ与外磁场H e 或磁化强度M 成正比。
这已被大量实验所证实。
但是,在M 为各向同性的介质中,θ是否亦一定是各向同性的?Guillot 等人已从实验上发现,在顺磁性的镨镓石榴石(Pr Ga IG )单晶中,M 在整个温度范围内都是各向同性的,且θ～H e 成线性关系,但在λ=0.6328μm 和T =6K 时,介质[111]向的法拉第旋转θ或费尔德常数V p 为[100]向的1.5倍;而在λ= 1.15μm、T <30K 时,θ或V p 的易向变为[110]向。
从(27)式可以明显看出,当ν为张量,即交换作用存在各向异性时,即使介质磁化强度M 是各向同性的,磁光效应仍可能存在各向异性。
而且考虑到V 为光波长λ的函数和交换作用系数ν为温度T 的函数,根据(27)式,θ和V p 的易向随温度变化就不难看出了。
3.2 磁性介质情形3.2.1 铁磁性介质铁磁性介质中存在着强烈的交换作用,其交换作用有效场H ν≈108～109Am -1,H ν H e 。
由此算得k L ≈1013→1014,此时k L k ,从而(21)式和(22)式仍然适用。
考虑到铁磁性介质中的磁光效应远大于弱磁性介质情形,因此(23)式中的高次项不能忽略。
由此得到比法拉第旋转θF 为θF =θ/L ≈V 1(k )νM +V 3(k )(νM )3+V 5(w )(νM )5+……(29)3.2.2 反铁磁性和亚铁磁性介质在反铁磁性和亚铁磁性介质中,通常存在l 个次晶格,l ≥2。
第i 次晶格中的间接交换作用有效场H νi 为:H ν1=ν11M 1+ν12M 2+……+ν1l M l H ν2=ν21M 1+ν22M 2+……+ν2l M l ……H νl =νl 1M 1+νl 2M 2+……+νll M l (30)式中νij (i ,j =1,2,3…l )为i 与j 次晶格之间与间接交换作用有关的相互作用系数。
介质中任一位置上的间接交换作用有效场H v 为H ν=T 1H v 1+T 2H v 2+……+T l H vl= l i =1T i νi 1M 1+ l i =1T i νi 2M 2+……+ li =1T i νil M l = l i =1νi M i (31)式中磁光系数νi 与次晶格晶格常数、晶体结构和间接交换作用系数(分子场系数)νi j 有关,从1303 10期刘公强等: 磁光效应的各向异性和非线性特性而νi应为温度T的函数。
在这两种磁性的介质中,同理可得k i L k,H v H e。
忽略外磁场H e,比法拉第旋转θF 为θF≈V1(k)li=1νi M i+V3(k)(li=1νi M i)3+V5(k)(li=1νi M i)5+ (32) 对于存在间接交换作用各向异性的反铁磁性和亚铁磁性介质情形,考虑到通常各向异性部分明显小于各向同性部分,为简单计,忽略(32)式中的高次项,可得θFxθF y θFz =V1(k)li=1νixxνix yνixzνiyxνi yyνi yzνizxνiz yνizzM ixM iyM iz(33)式中当l=1时,即相应于铁磁性介质情形。