磁光效应

归属: 电力理论

磁光效应是指由于磁场的作用使某些介质具有旋光性的效应。它是光与具有磁矩的物质相互作用而产生的一系列现象。磁光效应包括法拉第效应、克尔效应、塞曼效应、磁线振双折射等。法拉第效应和克尔效应是研究最多、应用最广的磁光效应。

简介

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。

光与磁场中的物质,或光与具有自发磁化强度的物质之间相互作用所产生的各种现象,主要包括法拉第效应、科顿-穆顿效应、克尔磁光效应、塞曼效应和光磁效应,其中最为人所熟知的是磁光法拉第效应, 
它指的是一束线偏振光通过某种透明介质时,透射光的偏振化方向与入射光的偏振化方向相比,转过了一个角度,通常把这个角度叫做法拉第转角。

磁光存储技术是建立在磁光效应基础上的,与磁光存储技术直接相关的是磁光克尔效应。磁光信息记录在介质上以后,主要是利用磁光克尔效应读出信息。磁光克尔效应指的是一束线偏振光在磁化了的介质表面反射时,反射光将是椭圆偏振光,而以椭圆的长轴为标志的“ 偏振面” 相对于入射偏振光的偏振面旋转了一定的角度。这个角度通常被称为磁光克尔转角。

磁光效应的几种理论

法拉第效应

  • 一束偏振光沿外加磁场方向或磁化强度方向通过介质时偏振面发生旋转的现象称为法拉第效应。
  • 描述法拉第效应的物理量称为法拉第旋转,亦可称为磁光旋转。
  • 法拉第效应的宏观理论可以应用介电张量和麦克斯韦方程来描述法拉第磁光效应,这是一种常用的磁光效应的经典理论。
  • 法拉第偏转角度ψ还与磁感应强度B和光穿越介质的长度L的乘积成正比,即:ψ=VBL。

比例系数V成为费尔德常数,与介质性质及光波频率有关。偏转方向取决于介质性质和磁场方向。对于不同的介质,他们对光波的吸收情况也不相同,从而导致了光的偏转角度也有变化。要注意一点的是法拉第磁光效应与外加磁场没有联系,而只是与介质的磁化强度有关。

科尔效应

  • 一束偏振光入射到具有磁矩的介质界面上,反射后其偏振状态会发生变化,这个效应成为克尔效应。
  • 根据磁化强度矢量M与光入射面和界面的不同相对去向,克尔效应可分为三种类型:
    • 极向克尔效应——磁化强度矢量M与界面垂直
    • 横向克尔效应——M与界面平行且与光入射面垂直
    • 纵向克尔效应——M既与界面平行又与光入射面平行

下面简要介绍以下极向克尔效应。

极向克尔效应

  • 极向克尔效应的磁致效应最强,而且和纵向的克尔效应一样都与磁化强度成正比,因此极向克尔效应是目前应用最广泛的一种克尔效应。
  • 习惯上可以将极向克尔效应的旋转简称为克尔旋转。它与物质的折射率有关。而且和外磁场和磁化强度有关。

磁光材料

  • 磁光晶体是具有磁光效应的晶体材料。磁光效应与晶体材料的磁性,特别是材料的磁化强度密切相关,因此一些优良的磁性材料往往是磁光性能优良的材料。
  • 然而一些磁性能不十分突出的磁性材料可以具有十分优良的磁光性能,从而是一种优良的磁光材料。
  • 一般来说,磁光性能较好的晶体是铁磁性和亚铁磁性的晶体。目前应用最广泛的是这两类晶体,特别是亚铁磁性晶体。
  • 一些顺磁性晶体有一些独特的磁光性质,在学术上有一定的重要性,但不具备实用价值。
  • 现在应用最广泛的一种晶体是石榴石晶体。

下面就介绍一下石榴石单晶和其薄膜的磁光性能。

石榴石单晶

  • 石榴石单晶是一种非常常见的硅酸盐类矿物,YIG是一种典型的亚铁磁性石榴石材料。它能传递近红外光。
  • 石榴石铁氧体是一种极具代表性的强磁性物质,在近红外波段具有非常高的透过率。
  • 由于光是一种电磁波,当光透过透明的磁性物质或磁性物质表面反射时,会受到磁性物质内部磁矩的影响,产生磁光效应。
  • 而在YIG中铁离子是磁性离子。当用其它离子代替铁离子时,总磁矩或增加或减少。从而影响了他的磁光效应的效果。

石榴石单晶薄膜

  • 磁光薄膜有单晶、多晶、和非晶态等多种类型。
  • 常用的介质薄膜多为单晶和多晶薄膜。稀土石榴石在1000~6000nm的范围内有很低的光吸收,而在其它的光波区域,吸收则大大的增加。因此我们在其中掺入一些其它元素,抑制它对光波的吸收。例如:在其中掺入Pr,他的主要作用是使膜呈平面易磁化。从而增强磁光效应。

磁光器件

  • 磁光器件是指利用材料的磁光效应制作成具有各种光信息功能的器件。
  • 在激光应用中,除探索各种新型光器和接收器之外,激光束的参数,例如强度、方向、频率、偏振状态等的快速控制是很重要的问题,而利用磁光效应就可以构成各种控制激光束的器件。
  • 磁光器件主要有磁光调制器、磁光隔离器、磁光传感器、磁光环形器、磁光开关、磁光旋转器、磁光相移器和法拉第反射镜等各种磁光器件。
  • 由于光纤技术和集成光学的发展,又诞生了波导型的集成光学磁光器件。又由于计算机存储技术的发展,刺激人们把磁畴结构和热磁效应相结合,发展成了磁光存储技术。

磁光存储原理

  • 磁光存储的基本原理是利用热磁效应来改变微小区域的磁化矢量取向。
  • 它的记录原理是利用介质薄膜温度超过居里温度后磁化强度消失的特性来记录,被称为居里点记录。铁磁性物质只能利用这种方式记录。
  • 另一种记录方式是补偿温度记录。它是对亚铁磁性介质而言的。

磁光存储材料

  • 磁光存储的材料有很多种,其中现在用的最多的一种是稀土-过渡族金属非晶态材料,此外还有Mn-Bi多晶材料,铁氧体存储薄膜以及Pt-Co成分调制薄膜和合金薄膜。他们的热稳定性都比较好,而且都是抗氧化、抗腐蚀性能强的材料,而且大规模成膜比较容易。

磁光存储的优点

  • 磁光存储较之以往的存储方法有很多优点:
    • 光盘的记录读出光头与盘面不接触;
    • 光盘抗盘表面沾污能力强;
    • 光盘可以自由更换,重复擦鞋次数多,达到了1‘000’000次的要求。

所以目前能和硬盘相竞争的也只有磁光盘。

光磁效应

  • 光磁效应是指光照射到磁性物质表面时物质磁性会发生变化的现象。
  • 相比之下,对光磁现象的研究院没有磁光效应那样广泛和深入,迄今为止也没有什么应用。不过,近年来对于光磁效应的研究已有日趋活跃之势,一些新的光磁现象时有发现,其应用前景不可忽视。

磁光效应的应用

虽然法拉第早在1845年就发现了磁光效应,但在其后相当长的时间内并未获得实质性的应用,只是不断在发现新的磁光效应和建立初步的磁光理论。

直到1956年,贝尔实验室的狄龙等在偏光显微镜下,应用透射光观察到钇铁石榴石单晶材料中的磁畴结构,才使得磁光效应的研究向应用领域发展。特别是2O世纪6O年代初,由于激光的诞生及光电子技术的开发,对物质的磁性和磁光性能的研究才走上快速发展道路。钇铁石榴石晶体是美国的贝尔公司在1958年首先研究成功的新型磁光材料。1972年田炳耕用液相外延法研制成功单晶薄膜式磁光材料,这是磁光材料发展的一个重要的突破。随着磁光理论的逐步完善和大量的磁光材料被研究合成,许多磁光器件被研制出来,如磁光调制器、磁光隔离器、磁光传感器、磁光环行器和磁光盘存储器等。

磁光调制器

磁光调制器是利用偏振光通过磁光介质,透射光的偏振面发生旋转来调制光束。磁光调制器的应用非常广泛,可作红外检测器的斩波器,可制成红外辐射高温计、高灵敏度偏振计等。磁光调制器的原理是将电信号先转换成与之对应的交变磁场,由磁光效应改变在介质中传输的光波的偏振态,从而达到改变光强等参的目的。

磁光隔离器

随着光纤通信、光信息处理和磁光记录等技术的高速发展,光源的稳定性就显得至关重要。各种反射光都会严重干扰光源的正常输出,从而影响了整个系统的正常工作。磁光隔离器就是防止反向传输的干扰光对光源的影响,提高系统的工作稳定性。光隔离器的工作原理:当光正向入射时,通过起偏器后成为线偏振光,再通过磁光介质与外磁场使光的偏振方向右旋45度,并恰好能通过与起偏器成45度放置的检偏器。而对于反向光,由检偏器射入的线偏振光经过放置介质时,偏转方向也右旋转45度,从而使反向光的偏振方向与起偏器方向成9O度,无法通过起偏器,从而实现正向通过,反向隔离的目的。

磁光传感器

现代工业的高速发展,对电网的输送和检测的要求更高。如今电测技术日趋成熟,由于电测技术具有精度高、便于微机相连实现自动实时处理等优点,已经广泛应用在电气量和非电气量的测量中。光纤电流传感器具有很好的绝缘性和抗干扰能力以及较高的测量精度,容易小型化。磁光效应传感器就是利用激光技术发展而成的高性能传感器。光纤电流传感器是根据法拉第效应原理,当一束线偏振光通过置于磁场中的磁光材料时,光的偏振方向发生改变来实现传感器的功能。磁光效应传感器作为一种特定用途的传感器,能够在特定的环境中发挥自己的功能,也是一种非常重要的工业传感器。

磁光记录

磁光记录是近年来发展起来的高新技术,是存储技术的一大飞跃发展。磁光记录是目前最先进的信息存储技术,它兼有磁记录和光记录两者的优点,磁光记录兼有光记录的大容量和磁记录的可重写性。磁光存贮是通过激光的热效应,改变稀土非晶合金薄膜的磁化矢量的取向,产生磁化矢量垂直于膜面的磁畴,利用该磁畴进行信息的写入。改变施加的磁场方向,经过同一激光的作用后就可逐点擦除已被记录的信息。磁光记录的读出是利用磁光克尔效应对记录信号进行读出。

磁光环行器

随着光纤通信技术在通信领域的应用,具有光的非互易性和自光行进方向耦合端循环的磁光环行器被广泛应用于光纤通信技术中。利用环行器可在一根光纤内传输两个不同方向的信号,从而大大减小了系统的体积和成本。磁光环行器一般为四端环行器,光从端口1→2→3→4→1进行传输。四端环行器由一对偏振光分束器、全反射棱镜、45度石英旋转器、45度法拉第旋转器组成。随着时代的进步、科学技术的发展,对磁光特性的研究必将日益深入,新的磁光材料也会不断被发现,磁光学必将获得更大的发展,磁光材料、器件和测量技术将会展现出更广阔的应用空间。

目录
1.
简介
2.
磁光效应的几种理论
3.
磁光效应的应用
讨论