磁光材料

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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。

以椭圆的长轴来标志反射光的“振动面”。

这振动面相对入射光的振动面,会旋转一定的角度。

转角与介质的磁化有关。

这就是磁光克尔(Kerr)效应。

这样,外磁场就可以通过改变介质磁化来引起反射光偏振状态的变化。

磁光克尔效应包括三种情况:
a:极向克尔效应。

磁化强度M与介质表面垂直时的克尔效应(图3-9a)。

b:横向克尔效应。

磁化强度M与介质表面平行,但垂直于光的入射面时的克尔效应(如图3-9(b)。

c:纵向克尔效应。

磁化强度M既平行于介质表面又平行于光入射面时的克尔效应(图3-9(c)。

(3) 塞曼效应
1896年塞曼(Peter Zeeman)发现,当把光源置于磁场中,每条谱线分裂成几条谱线,这称为塞曼效应。

光是原子中电子由高能级跃迁到低能级发射的。

高低能级差决定了发射光的频率,分裂成几条谱线即几个频率,说明施加磁场后,原子出现了新的能级,且能级差有了变化。

为什么会出现这些变化,应从磁场与物质相互作用去考虑。

假设把原子看作一个磁矩为μ的小磁
铁,这磁矩来自电子的轨道运动和自旋运动。

在没有外磁场时,假设原子处于允许的两个能级E1、E2中的一个,在确定的能量下,原子磁矩μ可以有不同的空间取向,不同取向对应原子不同空间状态。

一个确定能量所具有的状态数目称为简并度。

说某能级简并度为3,就是说在此能级允许有3个不同的量子态。

现在若在Z轴方向施加磁场B,如图3-1所示,B和μ之间就有相互作用能。

U=-μ·B=-μZ·B(3-1)
μZ是μ在Z方向的投影。

由此可见,施加磁场后,磁矩μ取向不同,能量也就不同,无磁场时具有多个量子态的一个能级在外磁场中分裂为许多能级,能级简并度被消除。

到底一个能级分裂成多少能级,这依赖于能级简并度和跃迁选择定则。

(4) 科顿-穆顿效应
科顿-穆顿效应(Cotton-mouton)又称磁双折射效应,简记为MLB。

是1907年A.科顿和H.穆顿在液体中发现。

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。

当光的传播方向与磁场垂直时,平行于磁场方向的线偏振光的相速不同于垂直于磁场方向的线偏振光的相速而产生的双折射现象。

其相位差正比于两种线偏振光的折射率之差,同磁场强度大小的二次方成正比,与分别是垂直和平行于外磁场的线偏振光的折射率,是样品厚度,是光波长,是科顿-穆顿常数。

墹=(np-ns)d/λ=DdH2, np与ns分别是垂直和平行于外磁场的线偏振光的折射率,d是样品厚度,λ是光波长,D是科顿-穆顿常数。

当光的传播方向与外磁场方向垂直时,媒质对偏振方向不同的两种光的吸收系数也可不同。

这就是磁的线偏振光的二向色性,称磁线二向色性效应,简记为MLD。

MCD、MLB、MLD的物理起因宏观表述及量子力学处理都与法拉第效应类同(实际上可同时完成)。

MLB和MLD通常比MCB和MCD要弱得多,但它们与磁场强度(磁化强度)的二次方成正比。

因此对这些效应的测量除能得到物质中能级结构的信息外,还能用于微弱磁性变化(单原子层的磁性)的研究。

二、磁光材料的应用
磁光晶体材料具有较大的纯法拉第效应,使用波长的吸收系数低,磁化强度和磁导率高。

主要应用于制作光隔离器、光非互易元件、磁光存储器及磁光调制器、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、激光陀螺等。

调制激光(光调制器、光隔离器、光开关)
测定磁场(或测定大电流,利用已知费尔德常数的法拉第玻璃,根据偏振面的旋转角度,可以测定磁场强度;反之,根据高压线周围产生的磁场,也可以测定高压电流的大小)。

例如:光隔离器
光隔离器是一种只允许单向光通过的无源光器件,其工作原理是基于法拉第旋转的非互易性。

通过光纤回波发射的光能够被光隔离器很好的隔离。

光隔离器主要利用磁光晶体的法拉第效应。

光隔离器的特性是:正向插入损耗低,反向隔离度高,回波损耗高。

光隔离器是允许光向一个方向通过而阻止向相反方向通过的无源器件,作用是对光的方向进行限制,使光只能单方向传输,通过光纤回波反射的光能够被光隔离器很好的隔离,提高光波传输效率。

光纤电流传感器
现代工业的高速发展,对电网的输送和检测提出了更高的要求,传统的高压大电流的测量手段将面临严峻的考验.随着光纤技术和材料科学的发展而发展起来的光纤电流传感系
统,因具有很好的绝缘性和抗干扰能力,较高的测量精度,容易小型化,没有潜在的爆炸危险等一系列优越性,而受到人们的广泛重视.光纤电流传感器的主要原理是利用磁光晶体的法拉第效应.根据F=V。

lHL,通过对法拉第旋转角0F的测量,可得到电流
所产生的磁场强度,从而可以计算出电流大小.由于光纤具有抗电磁干扰能力强、绝缘性能好、信号衰减小的优点,因而在法拉弟电流传感器研究中,一般均采用光纤作为传输介质,其工作原理如下图:
三、稀土磁光材料
(1).稀土磁光材料的发展概况
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。

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。


(2)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
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。

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。

(3)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。

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。

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。

四、磁光材料的发展趋势
磁光晶体材料的发展面临着一定的难题,主要在于新晶体的发现方面。

面对着种种的难题,我们主要的发展趋势就在于提高材料的本证法拉第旋转等磁光效应已增加器件效能。

尽可能降低材料的光损耗和波长温度敏感系数,扩展器件对环境的适应力,促进块状磁光晶体生长技术的突破,加快新晶体的发现等等。

随着世界范围内光纤通信网络的迅速普及, 小型化、高灵敏度、低损耗将成为我们前进的主要方向。

其稳定性、高效性也必将继续是我们研究的主要方向之一。

光晶体材料的应用带给我们的财富是巨大的。

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,并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。

我们应该朝着更加宽广的领域去探索磁光材料的奥妙!。

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