磁光材料

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 结论：为了得到最小的光吸收，就必须严格控制非三价的杂 吸收。 质Ca ，Si，Pb以及Pt等元素。 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。
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。
磁光材料

磁旋光材料

磁光存储材料
磁旋光材料
（1）磁光晶体 1、石榴石单晶 2、尖晶石晶体 （2）磁光薄膜 1、石榴石单晶薄膜 2、合金薄膜

（3）磁光玻璃
磁光存储材料

（1）MnBi多晶材料

（2）非晶态材料

（3）石榴石薄膜
稀土磁光材料的发展概况
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原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。

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。
（2）完全偏振光

（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 旋转，其大小不变，但方向随时间有规律地 变化。
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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。

有些物质:具有顺磁性、铁磁性、反铁磁性和亚铁 磁性，其内部的原子或离子具有内禀磁矩
1.

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。


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 反向通过该磁旋光材料 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。
对给定的物质光振动面的旋转方向仅由磁场Ｈ的方向决定，与光的传播
•有些物质，如抗磁物质，其内部的原子或离子没有 固有磁矩，但处于外磁场中，电子轨道会产生附加 的拉莫进动，这进动也会产生相应的角动量和磁矩， 有微弱的磁光效应。 •通过磁光效应能了解涉及磁化的能级结构，观察磁 畴、磁化强度的分布；利用磁光效应可以制成光调 制器、光隔离器、光开关、光存储、光复制等磁光 功能器件，与激光技术相结合，在尖端科技中发挥 出越来越大的作用。
方向与Ｈ同向或反向无关。这是法拉第效应与固有旋光物质旋光效应的重 要区别，利用这一特点，可使光在介质中往返数次而使旋转角度加大。
磁光物质

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。 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。

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。

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。
•法拉第效应发现后100多年，并未获得应用，直到6０年代，由于激光和光电子 技术的兴起，法拉第效应找到了用武之地。用它作成的功能器件主要有：磁光 调制器，磁光隔离器、磁光开关、磁光环行器等。

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，但当这束光反向通过石英 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，这是一种互易性旋光特性，一般旋光 物质都具有这种特性。

2. 稀土磁光材料的发展概况
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
（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。
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。
（1）自然光

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。