磁光材料
磁性材料有哪些分类
磁性材料有哪些分类磁性材料具有磁有序的强磁性物质,广义还包括可应用其磁性和磁效应的弱磁性及反铁磁性物质。
磁性是物质的一种基本属性。
物质按照其内部结构及其在外磁场中的性状可分为抗磁性、顺磁性、铁磁性、反铁磁性和亚铁磁性物质。
铁磁性和亚铁磁性物质为强磁性物质，抗磁性和顺磁性物质为弱磁性物质。
磁性材料按性质分为金属和非金属两类，前者主要有电工钢、银基合金和稀土合金等,后者主要是铁氧体材料。
按使用又分为软磁材料、永磁材料和功能磁性材料。
功能磁性材料主要有磁致伸缩材料、磁记录材料、磁电阻材料、磁泡材料、磁光材料，旋磁材料以及磁性薄膜材料等，反映磁性材料基本磁性能的有磁化曲线、磁滞回线和磁损耗等。
永磁材料,经外磁场磁化以后，即使在相当大的反向磁场作用下，仍能保持一部或大部原磁化方向的磁性。
对这类材料的要求是剩余磁感应强度Br高，矫顽力BHC(即抗退磁能力)强，磁能积(BH)即给空间提供的磁场能量)大。
相对于软磁材料而言，它亦称为硬磁材料。
永磁材料有合金、铁氧析口金属间化合物三类。
①合金类：包括铸造、烧结和可加工合金。
铸造合金的主要品种有:A1Ni(Co)、FeCr(Co)x FeCrMo x FeAIC x FeCo(V)(W);烧结合金有：Re-Co(Re代表稀土元素)、Re-Fe以及AINi(Co),FeCrCo等；可加工合金有：FeCrCo s PtCo s MnAIC.CuNiFe和AIMnAg等，后两种中BHC较低者亦称半永磁材料。
②铁氧体类：主要成分为MO6Fe2O3,M代表Ba、SnPb或SrCa、1aCa等复合组分。
③金属间化合物类：主要以MnBi为代表。
永磁材料有多种用途。
①基于电磁力作用原理的应用主要有：扬声器、话筒、电表、按键、电机、继电器、传感器、开关等。
②基于磁电作用原理的应用主要有：磁控管和行波管等微波电子管、显像管、钛泵、微波铁氧体器件、磁阻器件、霍尔器件等。
③基于磁力作用原理的应用主要有：磁轴承、选矿机、磁力分离器、磁性吸盘、磁密封、磁黑板、玩具、标牌、密码锁、复印机、控温计等。
磁光实验中的实验技巧与注意事项
磁光实验中的实验技巧与注意事项磁光实验作为一种重要的实验方法，广泛应用于物理、化学等学科中。
在进行磁光实验时，我们需要掌握一些实验技巧和注意事项，以确保实验结果的准确性和可靠性。
首先，选择合适的实验装置和材料非常重要。
磁光实验需要通过光束经过磁场的作用而发生偏振旋转的现象，因此我们需要选择具有磁光效应的物质作为实验材料。
常用的磁光材料包括铁磁体、磁性液体等。
在选择实验装置时，要考虑到实验目的和要求，选择适当的光源、偏光镜等，以确保实验条件的稳定性和可控性。
其次，进行磁光实验时，我们需要严格控制实验环境。
光的强度、入射角度等因素都会对实验结果产生影响，所以我们要保持实验室的光线稳定，并尽量减少干扰因素的影响。
特别是要注意防止光源的震动和实验装置的振动，这会对实验结果产生不可忽视的干扰。
在实验操作上，我们需要注意一些细节。
首先是对实验样品的处理。
样品的准备要精确，尽量避免污染和损坏。
特别是对于液体样品，要保持其纯净度，并在实验前进行充分的搅拌和均匀混合，以消除浓度分布的影响。
其次是对光路的调整。
光的偏振旋转可以通过调整入射角度和旋转光源等方法来实现，因此我们需要仔细调整实验装置，确保光路畅通，并尽量减少传播过程中的反射和散射。
此外，磁光实验中还需要注意测量的准确性。
我们应该根据实验需要选择合适的测量方法和仪器，并进行有效的校准和调试。
在进行数据处理时，要注意排除偶然误差和系统误差，并进行恰当的统计分析。
只有在准确测量的基础上，我们才能得到可靠的实验结果，并进行科学的推断和分析。
最后，我们还需要认识到磁光实验的一些局限性。
由于实验条件的限制和技术手段的不完善，磁光实验可能存在一些误差和偏差。
这些误差可能来自于实验装置、材料的特性、测量仪器的精度等方面。
因此，我们在进行磁光实验时，要谨慎对待实验结果，并结合理论知识来综合分析和判断。
总之，磁光实验作为一种重要的实验方法，既需要我们掌握实验技巧，又需要我们注意实验细节和环境控制。
磁光材料的典型效应及其应用
随着激光、 计算机、信息、光纤通信等新技术的发
展 ， 们对磁 光效应 的研 究和应用 不断 向深度和广 人 度 发展 ， 从而 涌现 出许多崭 新 的磁 光材料 和磁 光器 件 。磁 光 材料 及 器件 的研 究从 此 进入 空 前 发展 时
期 ，并 在许 多高新技术 领域 获得 了广 泛 的应用 。近
Ｓ ｉ ｎ ｅａｎ ｅ ｈｎ ｌｇ ， ＇ｎ ７ ０ ２ ，Ｃｈｉａ ｃ ｅ ｃ ｄＴ ｃ ｏ ｏ ｙ Ｘｉａ １ ０ １ ｎ
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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
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
插入内容
插入内容
❖ （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。
光纤磁传感
光纤磁传感
光纤磁传感器是一种特殊类型的光纤传感器，用于测量磁场强度。
其基本原理是通过探测光纤中光波的波长、频率、相位、强度以及偏振态等参数随外界被测参量的改变而产生的变化量，实现对磁场等物理量的测量。
在光纤结构中引入磁敏材料是实现光纤传感器对磁场信号感知功能的关键。
常见的磁敏材料包括磁致伸缩材料和磁光材料。
磁致伸缩材料在外加磁场的作用下，其长度在磁化方向会发生伸长或缩短，这种尺寸变化取决于磁通量密度的大小及方向。
磁光材料则是利用磁光效应，即处于磁化状态的物质与光之间发生相互作用而引起的光学现象。
光纤磁传感器具有多种应用领域。
在军事国防领域，磁场传感器可用于磁性扫雷、地磁导航等，并可以在国防“反隐身”技术中实现探测海底低噪声潜艇。
在医学上，磁场传感技术可用于检测人体器官产生的微弱磁场变化，据此实现病情的诊断。
在地质勘探领域，磁场传感器可以通过岩石等物质的磁异常显示地质构造和资源分布，为资源合理利用提供向导。
此外，光纤磁传感器还广泛应用于汽车、洗衣机等电子产品中，同时在考古、空间磁场探测、地震预测以及工业智能化的发展中也发挥着重要作用。
磁性材料分类
磁性材料分类磁性材料是一类具有磁性的材料，广泛应用于电子、通讯、医疗、汽车等领域。
根据其磁性特性和组成成分的不同，磁性材料可以分为多种类型。
本文将对磁性材料的分类进行介绍，以便读者更好地了解和应用这一类材料。
1. 永磁材料。
永磁材料是一种具有永久磁性的材料，能够在外加磁场的作用下保持一定的磁性。
永磁材料按其组成和性能可分为金属永磁材料和非金属永磁材料两大类。
金属永磁材料主要包括铁氧体、钕铁硼、钴磁体等；非金属永磁材料主要包括铁氮合金、铁碳合金等。
永磁材料具有高矫顽力、高矫顽温度、良好的抗腐蚀性能等特点，被广泛应用于电机、传感器、磁性存储等领域。
2. 软磁材料。
软磁材料是一种在外加磁场下能够快速磁化和去磁化的材料，主要用于电力变压器、电感线圈、电子设备等场合。
软磁材料按其磁性能可分为高导磁材料和低导磁材料两大类。
高导磁材料主要包括硅钢片、镍铁合金等；低导磁材料主要包括铁氧体、铁硅铝合金等。
软磁材料具有低磁滞、低涡流损耗、高饱和磁感应强度等特点，能够有效地控制和利用磁场能量。
3. 硬磁材料。
硬磁材料是一种在外加磁场下能够保持较强磁性的材料，主要用于制造永磁体、磁记录材料等。
硬磁材料按其磁性能可分为高矫顽力材料和高矫顽温度材料两大类。
高矫顽力材料主要包括钴磁体、钕铁硼等；高矫顽温度材料主要包括铝镍钴、钴铁等。
硬磁材料具有良好的矫顽力、矫顽温度和磁能积，能够保持稳定的磁性能，被广泛应用于电机、传感器、磁记录等领域。
4. 磁性功能材料。
磁性功能材料是一种具有特定磁性功能的材料，主要用于磁传感器、磁存储器、磁耦合器等领域。
磁性功能材料按其功能可分为磁敏材料、磁光材料、磁阻变材料等。
磁性功能材料具有响应速度快、灵敏度高、能耗低等特点，能够满足不同领域对磁性功能的需求。
总结。
磁性材料是一类具有重要应用价值的材料，其分类主要基于磁性特性和组成成分。
不同类型的磁性材料具有不同的特点和应用领域，能够满足各种工程和科学需求。
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
磁光晶体
其主要优点：
TGG单晶具有大的磁光常数、高热导性、低的光损失和高激光损 TGG单晶具有大的磁光常数、高热导性、低的光损失和高激光损 伤阈值，广泛应用于YAG 、掺Ti蓝宝石等多级放大、环型、种子注入 伤阈值，广泛应用于YAG 、掺Ti蓝宝石等多级放大、环型、种子注入 激光器中。
提拉法
• 又称丘克拉斯基法，是丘克拉斯基(J.Czochralski) 又称丘克拉斯基法，是丘克拉斯基(J.Czochralski)
知识延伸——什么是 知识延伸——什么是
偏振光
• 光是一种电磁波，电磁波是横波。而振动 光是一种电磁波，电磁波是横波。而振动
方向和光波前进方向构成的平面叫做振动 面，光的振动面只限于某一固定方向的， 叫做平面偏振光或线偏振光。 叫做平面偏振光或线偏振光。
二、基本原理
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 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 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。
六、结论
磁光晶体材料的应用带给我们的财富是巨大 至今为止，随着晶体的研究与发展， 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， 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， 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。 能也将更优异，应用范围将更加广阔。 总而言之，晶体不仅是美丽的，而且也是有用 总而言之，晶体不仅是美丽的， 是人类的宝贵财富， 的。是人类的宝贵财富，我们现在的认知也还在 于冰山一角，还有很多领域需要我们去探索研究。 于冰山一角，还有很多领域需要我们去探索研究。
磁场调控技术在材料科学中的应用
磁场调控技术在材料科学中的应用随着科技的不断进步，磁场调控技术在材料科学中的应用越来越广泛，成为研究材料性质的重要手段。
磁场可以作用于物质中的自旋和轨道，从而影响材料的物理性质。
本文将介绍磁场调控技术在材料科学中的应用现状及前景。
一、磁场调控技术概述磁场调控技术是通过外部磁场来调控物质内部的自旋和轨道，从而影响物质的物理性质。
可以使用静电磁铁、超导磁铁、自然磁场等工具产生磁场。
磁场强度、方向和频率等参数可以进行精确控制。
通过磁场调控技术可以研究材料的磁性、电性、光学性等物理性质，并制备新型材料。
二、磁场调控技术在磁性材料中的应用磁场调控技术在磁性材料中的应用是最为广泛的。
磁场可以作用于材料中的自旋，改变材料的磁性质。
磁场调控技术可以用于制备高性能的硬磁材料、软磁材料和自旋电子学材料。
1、硬磁材料硬磁材料在电机、磁头和磁盘等领域有着广泛的应用。
硬磁材料需要具备高磁各向异性、高矫顽力和高饱和磁感应强度等性质。
磁场可以研究硬磁材料的磁结构、磁畴结构和磁各向异性。
磁场调控技术可以制备粒径均匀、形状规则的硬磁纳米材料，提高硬磁材料的磁性能。
2、软磁材料软磁材料在电力变压器、电子变压器等领域有着广泛的应用。
软磁材料需要具备低矫顽力、低饱和磁感应强度等性质。
磁场可以研究软磁材料的磁畴结构、铁磁共振、磁导率等性质。
磁场调控技术可以制备高纯度、低矫顽力的软磁材料。
3、自旋电子学材料自旋电子学材料是一种新型材料，可以被用于高速计算和信息存储。
磁场可以控制自旋的方向和能级，从而影响自旋电子学材料的性质。
磁场调控技术可以制备新型自旋电子学材料，探究自旋电子学材料的物理机制。
三、磁场调控技术在光学材料中的应用磁场调控技术在光学材料中的应用也有很大的潜力。
磁场可以改变材料的光学性质，产生新的光学现象，从而应用于激光、光学通信等领域。
1、非线性光学材料非线性光学材料可以用于调制激光的频率和相位。
磁场可以改变非线性光学材料的折射率、散射率等物理性质，从而控制光的传递。
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。
面向高功率激光隔离器的磁光材料(特邀)
第49卷第12期Vol.49No.12红外与激光工程I n f r a r e d a n d L a s e r E n g i n e e r i n g2020年12月Dec.2020面向高功率激光隔离器的磁光材料（特邀）陈杰周圣明1(1.中国科学院上海光学精密机械研究所微纳光电子功能材料实验室，上海201800;2.中国科学院大学材料与光电研究中心，北京100049)摘要：磁光材料作为激光隔离器中的核心部分，在激光系统尤其是高功率激光器中起到确保激光单向传输、保护种子源及前端系统、稳定激光输出的重要作用：介绍了目前近红外波段高功率隔离器中磁光材料的国内外研究现状，阐述了磁光材料在高功率条件下的关键磁光特性及其对器件性能的影响对比了常用的T G G单晶、铽玻璃与数种新型高功率磁光材料如T S A G单晶、T A G陶瓷和T G G陶瓷的高功率性能，重点讨论了掺杂离子和制备工艺对T A G陶瓷高功率磁光性能、热光性能的影响以及最近T A G陶瓷研究的新进展，及其重要应用需求，探讨了仍处于起步阶段的3〜5 p m‘‘大气窗口”中红外波段磁光材料的发展方向及前景关键词：激光隔离器；磁光材料；T A G磁光透明陶瓷；高功率热退偏效应；磁光品质因子；3〜5 p m中红外磁光材料中图分类号：0734 文献标志码：A DOI：10.3788/I R L A20201072Review of magneto-optic materials for high powerlaser isolators {Invited)Chen Jie1'2,Zhou Shengming1(1. L a b o r a t o r y o f M i c r o-N a n o O p t o e l e c t r o n i c M a t e r i a l s a n d D e v i c e s, K e y L a b o r a t o r y o f M a t e r i a l s f or H i g h-P o w e r L a s e r,S h a n g h a i Institute o f O p t i c s a n d F i n e M e c h a n i c s, C h i n e s e A c a d e m y o f S c i e n c e s, S h a n g h a i 201800, C h i n a;2. C e n t e r o f M a t e r i a l s S c i e n c e a n d O p t o e l e c t r o n i c s E n g i n e e r i n g, U n i v e r s i t y o f C h i n e s e A c a d e m y o f S c i e n c e s, B e i j i n g100049, C h i n a)Abstract: As the key component of optical isolators,magneto-optic(MO)materials play an important role especially in high power laser system to ensure one-way light propagation,protect the laser sources and stabilize the laser output.The recent research progress of the MO materials used in near-infrared high power optical isolators was introduced.The key thermal-optic characteristics of MO materials under high power laser conditions and their effects on device performance were illustrated in detail.The studies and high power performance of several newly developed MO material candidates like TSAG crystal,TAG ceramic,and TGG ceramic were reviewed and compared with the commonly used TGG single crystal and Tb-doped glasses on aspects of Verdet constant,thermal conductivity,magneto-optic figure of merit and so on.Among them,TAG ceramics were discussed emphatically including the effects of ions doping and synthesis technology on its magneto-optic and thermal-optic properties.At last,the newest progress on the study of TAG ceramics was introduced,as well as the收稿日期:2020-10-15;修订日期:2020-l l-19基金项目:中国科学院国际合作重点项目（丨8丨231K Y S B20160005)作者简介:陈杰（1996-)，男，博士生，主要从事高功率磁光材料，突光材料等方面的研究：E m a i l: c h e n j i e2@s i o m.a c.c n导师简介:周圣明（1964-)，男，研究员，博士生导师，主要从事新型磁光、荧光、倍半氧化物透明陶瓷，以及非极性G a N外延衬底铝酸锂晶体 等方面的研究E m a i l: z h o u s m@s i o m.a c.c n20201072-1第12期红外与激光工程第49卷application prospect and research trend of MO materials used in the3-5 [in\mid-infrared region.Key words: laser isolators;magneto-optic materials;TAG magneto-optic ceramics;high power thermal depolarization effect;magneto-optic figure of merit;3〜5 |im mid-infrared magnetooptic materials〇引言近年来，高功率全固态激光器和光纤激光器在激光医疗、信息产业、激光加工、空间探测、聚变能源和国防T业等领域的技术应用突飞猛进。
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。
光电信息存储材料及技术资料
磁光材料－具有显著磁光效应的磁性材料称 为磁光材料。主要为石榴石型铁氧体薄膜。 磁光效应－偏振光被磁性介质反射或透射后， 其偏振状态发生改变，偏振面发生旋转的现 象。由反射引起的偏振面旋转称为克尔效应； 由透射引起的偏振面旋转称为法拉第效应。
磁光存储的写入方式－利用热磁效应改变微小区域 的磁化矢量取向。磁光存储薄膜的磁化矢量必须垂 直于膜面。如果它的初始状态排列规则，如磁化方 向一致向下，当经光学物镜聚焦的激光束瞬时作用 于该薄膜的一点时，此点温度急剧上升，超过薄膜 的居里温度后，自发磁化强度消失。激光终止后温 度下降，低于居里温度后，磁矩逐渐长大，磁化方 向将和施加的外加偏置场方向一致。因为该偏置场 低于薄膜的矫顽力，因此偏场不会改变其它记录位 的磁化矢量方向。 磁光存储即有光存储的大容量及可自由插换的特点， 又有磁存储可擦写和存取速度快的优点。
磁记录材料先后经历了氧化物磁粉（γFe2O3）、金属合金磁粉（Fe－Co－Ni等合 金磁粉）和金属薄膜三个阶段。矫顽力和剩 磁都得到了很大的提升。
金属薄膜是高记录密度的理想介质。因为薄 膜介质是连续性介质，并具有高的矫顽力和 高的饱和磁化强度。后者可有效的减薄磁性 层的厚度。这些正是高记录密度介质所必备 的性能。
可擦重写光盘存储技术－
可擦重写光盘的存储介质能够在激光辐射下 起可逆的物理或化学变化。目前发展的主要 有两类，即磁光型和相变型。前者靠光热效 应使记录下来的磁畴方向发生可逆变化，不 同方向的磁畴使探测光的偏振面产生旋转 （即克尔角）作读出信号；后者靠光热效应 在晶态与非晶态之间产生可逆相变，因晶态 与非晶态的反射率不同而作为探测信号。
高密度磁性存储磁头材料－
磁记录的两种记录剩磁状态（±Mr）是由正、 负脉冲电流通过磁头反向磁化介质来完成的。 在读出记录信号时，磁头是磁记录的一种磁能 量转换器，即磁记录是通过磁头来实现电信号 和磁信号之间的相互转换。因此磁头同磁记录 介质一样是磁记录中的关键元件。
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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
（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。
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
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
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。
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。
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。
•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。
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
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。
•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。
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。
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。
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。
（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。