材料科学新进展

《材料科学新进展》大作业

姓名：王伟

学号：1111103108

磁光材料

1.磁光效应的发现及磁光效应

1845 年，英国物理学家 Faraday首次发现了磁致旋光效应。其后一百多年，人们又不断发现了新的磁光效应和建立了磁光理论，但磁光效应并未获得广泛应用。直到 1950年代，磁光效应才被广泛应用于磁性材料磁畴结构的观察和研究。近年来，随着激光、计算机、信息、光纤通信等新技术的发展，人们对磁光效应的研究和应用不断向深度和广度发展，从而涌现出许多崭新的磁光材料和磁光器件。各种磁光材料——磁光玻璃、磁光薄膜、磁性液体、磁性光子晶体和磁光液晶等发展极为迅速，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。有些物质，如顺磁性、磁铁性、反铁磁性和亚铁磁性物质的内部，具有原子或离子磁矩。这些具有固有磁矩的物质在外磁场的作用下，电磁特性会发生变化，因而使光波在其内部的传输特性也发生变化，这种现象称为磁光效应。

磁光效应，包括法拉第效应、克尔效应、磁线振双拆射(科顿一穆顿效应和瓦格特效应)、磁圆振二向色性、磁线振二向色性，塞曼效应和磁激发光散射等，其中最为人们所熟悉，而且亦最有用的是法拉第效应。

法拉第效应是指一束线偏振光沿外加磁场方向（磁化强度矢量的方向）通过置于磁场中的介质时，由于左、右旋圆偏振光（线偏振光分解来的，透射后存在相位差、仍合成为线偏振光）在铁磁体中的折射率不同，透射光的偏振化方向相对于入射光的偏振化方向转过一定角度（法拉第转角）的现象。

2.磁光材料

磁光材料是在可见和红外波段具有磁光效应的光信息功能材料，它是随着激光和光电子学技术的兴起与需要而发展起来的。和磁光材料同时发展、相互促进的，还有相应的磁光器件。应用最广泛的磁光材料有磁光玻璃、各种稀土元素掺杂的石榴石、稀土-过渡金属合金薄膜、磁性液体、磁性光子晶体和磁光液晶等材料。

磁光玻璃因其在可见光和红外区具有很好的透光性，且能够形成各种复杂的形状、拉制成光纤因而在磁光隔离器、磁光调制器和光纤电流传感器等磁光器件中有广泛的应用前景，并随着光纤通信和光纤传感的迅速发展越来越受人们重视。按其转角偏转方向的不同，磁光玻璃分两类：一类是含有Tb3+、Dy3+和Pr3+等稀土离子的顺磁玻璃；一类是含有极化率高的 Bi3+、Pb2+、Sb3+等离子的逆磁玻璃。

自1960 年代以来，伴随着光纤通讯技术的发展，各国科研工作者对磁光玻

璃进行了广泛而深入的研究，从揭示磁光效应的本质到寻求最大 Verdet 常数的玻璃系统，均已取得了显著成果。

1970 年代初液相外延石榴石薄膜的问世，标志磁光材料从块状晶体发展到薄膜材料，使磁光材料的应用领域扩展到磁泡存储、光纤通讯、激光陀螺、磁光传感器等尖端技术领域，开始了磁光材料与器件发展的新阶段。1980 年代末，日本学者Gomi等发现Ce:YIG单晶薄膜具有巨磁光法拉第效应，再次为磁光器件发展打下了坚实的基础。近年来，掺 Bi和掺Ce 系列稀土石榴石磁光薄膜是研究的热点。此类薄膜材料具有巨大的磁光效应、低的光吸收损耗及高的磁光优值，被广泛应用于光录像、光复制、光存储和光信息处理的磁光显示器。

磁性光子晶体材料因其磁光效应强、Verdet常数大、体积小，满足系统集成化的要求而得到广泛的关注。一维磁性光子晶体的磁光效应较普通连续分布的磁光材料有明显的提高。为进一步提高材料的磁光效应，人们在一维磁性光子晶体的周期性结构中引入缺陷，相继提出了三明治结构和多缺陷结构等。这类材料磁光效应的增大源于不同介质周期性排列的人工结构有很强的光局域效应。

张浩等应用状态方程分析了一维磁性光子晶体结构的磁光特性，发现选择适当的材料结构可以使得材料的法拉第旋转角大幅度增加。Yoshifumi Ikezawa等利用多孔铝作为模板制作出了二维磁性光子晶体。张守业等用高温熔盐法制备两种质量较好的 Bi替代稀土铁石榴石单晶 Bi:HoYbIG和Bi:GdYIG，法拉第旋转角较大，温度系数较小，磁光性能优异。此外，他们采用助熔剂高温溶液法成功地生长出块状 Ce:YIG单晶，与 GdBiIG，YIG等旋光材料相比，具有更大法拉第转角、小的温度系数和低廉成本等特点，广泛应用于磁致旋光-塞曼双频激光器、磁敏光纤和波导光隔离器等。

磁性液体（简称磁液）是由磁性纳米微粒均匀弥散于某种液体基液中所构成的高分子稳定胶体系统，可长期保持均匀状态。磁液的磁光特性包括法拉第效应、圆双色性、双折射效应和线二向色性等。文献报道，1982年，Llewellyn 教授研究了 Co、Fe2O3两种磁液在波长为0.3~0.7µm内磁光效应的光谱特性，发现其磁致双折射系数不像普通的磁光材料（如YIG）与波长成反比关系，而是呈上升趋势。1983 年，日本的 Taketomi 等研究了浓磁液薄膜的磁光效应，发现其磁致双折射系数比硝基苯等高 107倍，与 YIG晶体的旋光系数相当。并从理论上明确提出：磁粒沿外磁场方向链化是引起其磁光效应的根本原因。近年来，有关磁液磁光特性的研究正在不断地深入，如开展其低温磁光特性及磁液液晶合成物的研究等。

磁液具有良好的磁光特性，可用于制作磁光调制器、衰减器、隔离器、传感器等。此外，它还具有良好的红外透过特性，可用作新型红外磁光材料。

液晶是介于完全规则的晶体和各向同性的液体之间中间态的一种物质。在外磁场作用下，液晶分子的排列会发生变化，即光轴发生旋转（旋转方向与磁场的

方向无关），从而产生磁致旋光效应。利用液晶的这些性质，可以制成光偏转器和光调制器等器件，同时为更好的研究液晶的特性以及为液晶器件的设计提供了有力的参考。

3.磁光器件

磁光器件是指利用材料的磁光效应制作的各类光信息功能器件。以磁光材料为研究背景的磁光器件是一种非互易性旋光器件，在光信息处理、光纤通信、共用天线光缆电视系统和计算机技术，以及工业、国防、宇航和医学等领域有广泛的应用。目前已研制出来的磁光器件有：磁光偏转器、磁光开关和调制器、隔离器、环行器、显示器、旋光器、磁强计、磁光盘存储器(可擦除光盘)以及各类磁光传感器等。