磁光晶体材料的研究现状与发展趋势的概况

磁光晶体材料的研究现状与发展趋势

δ1.1磁光晶体的定义

晶体在外磁场的作用下，线偏振光通过该晶体时光的偏振面发生旋转的现象称为法拉弟效应．此种晶体称为磁旋光晶体，简称磁光晶体。

δ1.2磁光晶体材料的发现

历史上对光和磁的关系的探索也是一个很重要的问题, 虽则这个问题没有电磁现象那样突出, 但是就其所达到的理论高度和为之所付出的努力而言, 前者是不逊于后者的。

人类对光磁的关系的认识, 是从晶体的自然旋光性现象开始的。阿喇戈发现的偏振光通过石英晶体时的旋转现象( 1811年 ) 和法拉第发现的电磁旋转现象( 1821年 ) 是一组类似的现象。〔1 〕后来经过一系列的实验与实践，磁光材料被开始应用于器件的制作，磁光晶体也在其中逐渐发现并加以应用。

δ1.3磁光晶体材料的应用

磁光晶体主要应用在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、微波新型器件及激光陀螺等领域。各种器件需要的磁光晶体材料都不同，随着磁光晶体材料的不断发现，可用以器件的范围也在不断扩大。

б2 基本原理

δ2.1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。

δ2.2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。

法拉第效应第一次显示了光和电磁现象之间的联系。促进了对光本性的研究。之后费尔德（Verdet）对许多介质的磁致旋转进行了研究，发现法拉第效应在固体、液体和气体中都存在。大部分物质的法拉第效应很弱，掺稀土离子玻璃的费尔德常数稍大。近年来研究的YIG等晶体的费尔德常数较大，从而大大提高了实用价值。法拉第效应有许多重用的应用，尤其在激光技术发展后，其应用价值倍增。如用于光纤通讯系统中的磁光隔离器，因为偏振面的磁致旋转取决于磁场的方向，与光的传播方向无关，由此可设计成光隔离器，使光沿规定的方向通过同时阻挡反向传播的光，从而减少光纤中器件表面反射光对光源的干扰；磁光隔离器也被广泛用于激光多级放大技术和高分辨的激光光谱技术，激光选模等技术中。法拉第效应的弛豫时间不大于10-10秒量级。在激光通讯，激光雷达等技术中已发展成类似微波器件的光频环行器、调制器等，利用法拉第效应的调制器（磁光调制器）在1m～5m的红外波段将起重用作用。且磁光调制器需要的驱动功率较电光调制器小的多。对温度稳定性的要求也较低。所以磁光调制是激光调制技术的重用组成之一，也常用于激光强度的稳定装置。又如作为重要的传感机理应用于电工测量技术中。在磁场测量方面，利用它弛豫时间短（约10-10秒）的特点制成的磁光效应磁强计可测量脉冲强磁场、交变强磁场；利用它对温度不敏感的特点，磁光效应磁强计可适用于较宽的温度范围，如等离子体中强磁场、低温超导磁场；在电流测量方面，利用电流的磁效应和光纤材料的法拉第效应，可测量几千个安培的大电流或几千KV的高压电流等。

法拉第效应示意图

其中θ是法拉第转角，L是样品长度，H是磁场强度

关系式：

θF = HLV

V 为Verdet 常数，是物质固有的比例系数。

δ2.3克尔磁光效应

克尔磁光效应就是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，1876年由J.克尔发现。

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（见磁介质、铁磁性）。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。

克尔磁光效应示意图塞曼效应示意图

δ2.4塞曼效应

塞曼效应是1896年由荷兰物理学家塞曼发现的.他发现，原子光谱线在外磁场发生了分裂。随后洛仑兹在理论上解释了谱线分裂成3条的原因。这种现象称为“塞曼效应”。

塞曼效应是继1845年法拉第效应和1875年克尔效应之后发现的第三个磁场对光有影响的实例。塞曼效应证实了原子磁矩的空间量子化，为研究原子结构提供了重要途径，被认为是19世纪末20世纪初物理学最重要的发现之一。利用塞曼效应可以测量电子的荷质比。在天体物理中，塞曼效应可以用来测量天体的磁场。

δ2.5科顿-穆顿效应

科顿-穆顿效应又称磁双折射效应，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。

科顿-穆顿效应示意图

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。

类似于电场的克尔效应，某些透明液体在磁场作用下变为各向异性，性质类似于单轴晶体，光轴平行磁场。

б3 分类

δ3.1晶体材料的分类

晶体的性能通常分为固有物性和功能物性．晶体常按功能物性进行分类，主要有以下9种:

①压电晶体：在外力作用下发生变形时，其表面产生电荷效应的晶体．可制成换能器、拾音器、振子以及传感器．最初采用酒石酸钾钠一类水溶性晶体，现已为性能优良的人工水晶、四硼酸锂(Li2B4O7)、铌酸锂(LiNbO3)、钽酸锂(LiTaO3)等取代。

②激光晶体：已获得有激光输出的晶体有数百种以上，但真正成为激光工作物质的主要是红宝石(Al2O3∶Cr，激光波长为0.6943μm)、钇铝石榴石(Y3Al5O12∶Nd．1.065μm)．对激光晶体的研究主要是向波长可调谐(如BeAlO4∶Cr，Al2O3∶Ti)、高效率和大功率(钇镓石榴石系列)、多功能(LiNbO3∶Mg、Fe等)的方向发展。

③电光晶体：在外加电场作用下折射率发生变化，从而使通过晶体的一束激光分解为两束偏振方向相互垂直的偏振光，并产生一相位差效应的晶体．适用于