磁光效应与磁光材料

关于磁光效应与磁光材料第1页，课件共55页，创作于2023年2月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。近几十年来，一门新型分支学科——磁光学(包括磁光效应、磁光理论、磁光材料、磁光测量、磁光器件、磁光光谱学等)基本形成，以此为背景的各种磁光材料及器件也显示了其独特的性能和广阔的应用前景，并引起了人们浓厚的兴趣。引言第2页，课件共55页，创作于2023年2月有些物质，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。有些物质，如逆磁性物质内部，没有固有的原子或离子磁矩，但这种物质处于外磁场中时，将使其内部的电子轨道产生附加的拉莫进动。这一进动具有相应的角动量和相应的磁矩，从而亦能使光波在其内部传播的特性发生变化，但这种物质产生的磁光效应远较铁磁性和亚铁磁性物质的微弱。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。第3页，课件共55页，创作于2023年2月第一部分

光和磁的基础知识A光的横波性与五种偏振态光的干涉和衍射现象只表明光是一种波动，光的偏振现象才清楚地显示光是横波（振动方向与传播方向垂直）而不是纵波。1．光的偏振现象与光的横波性a机械波的横波性的检验如图，将橡皮绳的一端固定，上下抖动另一端，于是横波沿绳传播，在波的传播路径中放置两个栏杆G1、G2，若二者缝隙方向一致图(a)，则通过G1的振动可无阻碍地通过G2；若二者缝隙方向垂直图(b)，则通过G1的振动传到G2处就被挡住，在G2后不再有波动。这只可能是横波。第4页，课件共55页，创作于2023年2月c光的偏振的含义光波振动方向的不全面和振幅不均等的现象称为光的偏振现象。b光波的横波性的检验（光的偏振现象）阻挡（消光），若继续转过90度，透射光又变为最亮，再转过90度，又复消光，如此等等。结论：偏振片所起的作用反映了它上面存在一个特殊方向，使光波中的振动能顺利通过；该实验也反映了光波的振动方向与传播方向垂直即光波是横波。光的电磁理论建立以后，光的横波性才得以完满说明：在自由空间传播的光波是一种纯粹的横波，光波中沿横向振动着的物理量是电场矢量和磁场矢量，鉴于在光和物质的相互作用过程中主要是光波中的电矢量起作用，所以常以电矢量作为光波中振动矢量的代表。光的横波性只表明电矢量与光的传播方向垂直，在与传播方向垂直的二维空间里电矢量还可能有各式各样的振动状态，称之为光的偏振态或偏振结构。如图，让光线依次通过两个偏振片P1、P2，P1固定不动，以光线为轴转动P2，发现：随着P2的的取向不同，透射光的强度发生变化，当P2处于某一位置时透射光的强度最大，由此位置转过90度后，透射光的强度减为零，即光线完全被P2所第5页，课件共55页，创作于2023年2月d偏振片（1）晶体的二向色性（选择吸收性）（2）偏振片及其透振方向和消光方向（3）偏振片的起偏和检偏性能行时被吸收得较少，光可以较多地通过图（a），振动的电矢量与光轴垂直时被吸收得较多，光通过得较少图（b）。偏振片对入射光具有消光和透过的功能，偏振片上能透过的振动方向称为透振方向（区别于光的传播方向）。晶体对不同方向的电磁振动具有选择吸收的性质。如当光线射在电气石晶体表面上时，振动的电矢量与光轴平起偏器：任何偏振态的光通过后透射光都变为线偏振光的器件。检偏器：检查入射光偏振态的器件，线偏振光通过此器件后光强变为零。偏振片既是起偏器，又是检偏器。第6页，课件共55页，创作于2023年2月2.光的五种偏振态光是横波，才有不同的偏振状态光波的五种偏振态：自然光、线偏振光、部分偏振光、圆偏振光和椭圆偏振光。第7页，课件共55页，创作于2023年2月a自然光(1)自然光自然光：在垂直光传播方向的平面上，所有方向均有横振动，各个方向的振动幅度均相等，形成如图所示的轴对称振幅分布。（2）自然光通过偏振片后的光强度自然光通过偏振片后透射光强为入射光强的一半。任何光线通过偏振片后剩下的只是振动沿其透振方向的分量，透射光的强度等于这分量的平方，由于自然光中各振动的对称分布，它们沿任何方向的分量造成的强度I都一样，它等于总强度I0的一半。所以当我们转动P的透振方向时，透射光的强度I并不改变。第8页，课件共55页，创作于2023年2月b.椭圆偏振光(1)椭圆偏振光在垂直光传播方向的平面上，只有单一的振动矢量，振动矢量的大小和方向不断地改变，振动矢量（电矢量）的端点在波面内描绘的轨迹是一个椭圆。每一时刻的电矢量可分解为当或时若消去参量方程中的t椭圆方程椭圆长轴、短轴的大小和取向，与振幅Ax,Ay和位相差都有关系结论：(1)椭圆偏振光可以分解为两个互相垂直的振幅不相等的相位差固定、但不等于或0的线偏振光(2)可以由这两束线偏振光来代替这束椭圆偏振光。第9页，课件共55页，创作于2023年2月(2)左旋与右旋椭圆偏振光定义：迎着光线传播的方向观看，若振动矢量E顺时针旋转就称为右旋椭圆偏振光，若振动矢量E逆时针旋转就称为左旋椭圆偏振光。对应于左旋对应于右旋第10页，课件共55页，创作于2023年2月(3)椭圆偏振光通过偏振片后的光强度若入射的椭圆偏振光强为旋转偏振片P一周，透射光强的变化为：即每隔90度透射光强从极大变为极小，再由极小变为极大,但没有消光位置。与的振动方向垂直。第11页，课件共55页，创作于2023年2月c.圆偏振光(1)圆偏振光在垂直光传播方向的平面上，只有单一的振动矢量，振动矢量的大小不变，振动方向匀速转动，振动矢量(电矢量)的端点描绘成一个圆形轨迹。圆偏振光可看成是椭圆偏振光的特例，圆偏振光能够分解成两束互相垂直的线偏振光。消去参量t有：圆方程结论：1）圆偏振光可以分解为两个互相垂直的振幅相等、相位差为的线偏振光。2）可以由这两束线偏振光来代替这束圆偏振光。第12页，课件共55页，创作于2023年2月(2)左旋圆偏振光与右旋圆偏振光定义：迎着光线传播方向观看，若振动矢量E顺时针旋转就称为右旋圆偏振光，此时：若振动矢量E逆时针旋转就称为左旋圆偏振光，此时：(3)圆偏振光通过偏振片后的光强度若入射光强为：旋转偏振片P一周，透射光强不变化这是因为圆偏振光可沿任意一对相互垂直的方向分解成振幅相等的两个偏振光。其中一个分量通不过偏振器，另一个能通过。第13页，课件共55页，创作于2023年2月d线偏振光(1)线偏振光的定义：在垂直光传播方向的平面上，只有单一方向的振动矢量，随着时间的推移，振动矢量只改变大小、不改变方向。第14页，课件共55页，创作于2023年2月一束线偏振光可以分解为两束互相垂直的线偏振光第15页，课件共55页，创作于2023年2月消去参量t，有：直线方程结论：（1）线偏振光可以分解为两个互相垂直的相位差为0或的线偏振光，（2）可以由这两束线偏振光代替这束线偏振光。第16页，课件共55页，创作于2023年2月(2)振动面与平面偏振光振动面：线偏振光的传播方向与振动方向构成的平面。同一波线上的线偏振光的光振动均处于同一振动面上，又称线偏振光为平面偏振光。线偏振光是偏振程度最强的光，又称线偏振光为全偏振光。

第17页，课件共55页，创作于2023年2月(3)线偏振光通过偏振片后的光强度若入射的线偏振光强为：

旋转偏振片P一周，透射光强的变化为：

存在一个消光方向,在垂直P的透振方向上第18页，课件共55页，创作于2023年2月e．部分偏振光(1)部分偏振光在垂直光传播方向的平面上，所有方向均有横振动，但不同方向的振动幅度不相等，形成如图的振幅分布。(2)部分偏振光通过偏振片后的光强度

若入射的部分偏振光光强为旋转偏振片P一周，透射光强的变化为：与的振动方向互相垂直第19页，课件共55页，创作于2023年2月部分偏振光的总光强

偏振度：

时，，为自然光

时，，是线偏振光

注意：与是所有线偏振光在这两个互相垂直方向上的投影分量的非相干叠加。

第20页，课件共55页，创作于2023年2月B磁畴和磁化物质由原子、分子、离子组成，有些原子或离子，如Fe、Co、Ni、Fe2+、Fe3+、Tb3+、Sm3+、Pr3+等具有一定大小的磁矩，由这些磁性原子、离子组成的合金和化合物，通常具有很强的磁性。

具有强磁性的物质称为磁性物质。（铁磁性与亚铁磁性）2.在磁性物质内部，有许许多多小区域，在每一个小区域内，由于原于或离子之间具有很强的电的和磁的相互作用，所有的原子或离于磁矩都互相平行、整齐地排列起来，这种小区域即磁畴。因为各磁畴的磁矩方向是不相同的，因此对外作用互相抵消，宏观上并不显示出磁性(图a)。若沿物体的某一方向施加一个不大的磁场，物体内的各磁畴磁矩会从各个不同的方向，转到磁场方向或接近磁场方向，因而在磁场方向存在磁矩的联合分量，对外就显示出磁性(图b)，即物体被外磁场磁化了。单位体积内各个磁畴磁矩的矢量和叫磁化强度矢量（M）。当施加的外磁场足够大，以致所有的磁畴磁矩都沿外磁场方向排列(此时磁畴消失了(图c)，再增加外磁场也不能增强磁化，即物体磁化达到饱和，M→Ms，Ms称为饱和磁化强度。第21页，课件共55页，创作于2023年2月3.外加磁场的方向不同，有些物体沿不同方向磁化的情形是不同的，我们称这种现象为磁性的各向异性。这主要是由下列三种因素造成的。

(1)结构上的各向异性在晶体中，原子的排列是有规则的，在各个方向上排列的状况是不相同的。如在简单立方晶体中，沿[100]方向的原子排列比较紧密，而沿[111]方向的原子排列就比较稀疏。又如在两种以上原子构成的晶体中，在其一方向排成直线的是同一种原子，在另一方向排成直线的是两种以上的原子。这些状况属于结构上的各向异性。由于结构上的各向异性，磁性晶体磁化时，在磁性上亦会表现出各向异性，这种现象称为磁晶各向异性。例如：铁单晶属于立方晶系(如图)。在[100]方向加不大的磁场，磁化就会达到饱和，在[110]加同样大小的磁场，磁化就不如[100]方向强，而在[111]方向，磁化则更弱了。我们把最容易磁化的方向称为易磁化方向，如铁单晶中的[100]方向，最难磁化的方向称为难磁化方向，如铁单晶中的[111]方向。第22页，课件共55页，创作于2023年2月(2)形状上的各向异性磁性物体磁化后，在物体的端面会出现N、S两个磁极，如图a所示。这样，在物体内部就会产生一种磁场Hd，其方向与外磁场Ha方向相反或接近相反，因而有减退磁化的作用，故Hd称为退磁场。真正作用在物体内部的磁场强度Hi为Hi=Ha+Hd，在数值上．Hd越大，Hi就比Ha小得越多，这表明物体越难磁化。退磁场Hd一般是不均匀的。可是在椭球中，如果磁化均匀，其内部的Hd则是均匀的，且Hd大小与内部的磁化程度M成正比，方向与M相反。Hd＝—NM，N称为退磁因子。椭球在三个主轴上的退磁因子Nx，Ny和Nz有以下关系：Nx+Ny+Nz=1。N的数值决定于物体的几何形状。通常物体各方向上的退磁因子是不相同的。由此可知，同样大小的外磁场沿不同方向磁化时，各个方向上的退磁场是不相同的，因而内磁场Hi亦各不相同。这种因物体的几何形状所导致的沿不同方向磁化难易程度不同的现象称为形状各向异性．第23页，课件共55页，创作于2023年2月图b、c两种形状是椭球体的两个特殊情况。在无限长圆柱体情形，Nz＝0，Nx＝Ny＝1／2。由此不难看出，当外磁场Ha大小一定时，沿无限长圆柱体长轴方向(z方向)磁化时，Hi最大，即最易磁化。在无限大薄片情形Nx＝Ny≈0．Nz＝1。因此，沿垂直于无限大薄片方向(z方向)磁化时，薄片内的Hi最小，即最难磁化，而沿无限大薄片平面内磁化时，Hi最大，即最易磁化。如在集成光学器件中，常用到的稀土铁石榴石单晶薄膜的情形，如果单从形状各向异性考虑，则垂直于薄膜平面的方向是难磁化方向，薄膜平面内的任何方向都是易磁化方向，只要在薄膜平面内施加40—8000A／m（0.5~100Oe）的磁场，即可使石榴石膜磁化到饱和。第24页，课件共55页，创作于2023年2月(3)应力的各向异性，磁性物体被磁化时，要发生伸缩，如果受到限制而不能伸缩，则物体中就会产生应力。例如，在非磁性钆镓石榴石(Gd3Ga5O12简称GGG)上外延生长的钇铁石榴石(Y3Fe5O12简称YIG)单晶薄膜，被磁化后会发生伸缩，但由于受到GGG衬底的牵制会在薄膜内产生应力。有时候人为地使磁性薄膜材料的点阵常数略大子或略小于衬底材料的点阵常数，这种点阵常数的失配会在磁性薄膜内产生一定大小的应力。在各个方向上应力的情况往往是不一样的，物体磁化时产生的这种应力的各向异性，亦会导致磁性的各向异性，这种现象称为应力各向异性。那么，磁性物体的哪个方向是易磁化方向呢?这要由上述三种因素共同决定。我们可以通过调节成分、配方、工艺条件和样品形状等方法使某一个或某两个因素起支配作用，这时易磁化方向就由这一个或两个主要因素决定。在用于磁光器件的磁性薄膜材料中，有时使易磁化方向处于薄膜平面内，有时使易磁化方向处于垂直于薄膜平面的方向上。例如，用于磁镜偏频激光陀螺的(EiPrGdYb)3·(FeAl)6O12单晶薄膜，其易磁化方向在薄膜平面内，而具有磁光泡特性(BiTm)3（FeGa)5O12挚晶薄膜，共易磁化方向却在垂直薄膜平血的[111]方向上。这样，人们只要在易磁化方向上施加一个较小的磁场，就可以使薄膜磁化到饱和。第25页，课件共55页，创作于2023年2月第二部分磁光效应当光透过铁磁体或被磁体反射，由于铁磁体存在自发磁化强度，使光的传输特性发生变化，产生新的各种光学各向异性现象，统称为磁光效应。磁光效应指的是具有固有磁矩的物质在外磁场的作用下电磁特性(如磁导率、磁化强度、磁畴结构等)会发生变化，使光波在其内部的传输特性(如偏振状态、光强、相位、传输方向等)也随之发生变化的现象。磁光效应包括法拉第效应、磁光克尔效应、塞曼效应、磁致双折射效应以及后来发现的磁圆振二向色性、磁线振二向色性、磁激发光散射、磁场光吸收、磁离子体效应和光磁效应等。第26页，课件共55页，创作于2023年2月A法拉第效应（重点）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θF

（法拉第转角）的现象。材料中的法拉第转角θF与样品长度L和磁场强度H的关系：θF=HLV

其中，V为Verdet常数，是物质固有的比例系数，单位是min/(Oe•cm)。

注：1.这一效应最早由法拉第发现,通常又称为法拉第旋转效应。2.从公式看出，光波的偏振面绕传输轴连续旋转(相对H),直至磁光介质的终端，偏振面旋转了θF。3.法拉第效应可分为右旋和左旋两种:当线偏振光沿着磁场方向传播时,振动面向左旋;当光束逆着磁场方向传播时,振动面将向右旋。第27页，课件共55页，创作于2023年2月产生法拉第旋转（磁旋光）的内在原因是磁性原子或离子的光跃迂，由于这些跃迁导致了磁场中两个旋转方间相反的圆偏振波之间的色散差。例如在YIG磁性晶体中，导致依赖于波长的磁旋光主要是处于八面体位置上的铁离子的跃迁贡献的。磁旋光包括磁偶极子和电偶极子两种跃迁的贡献。

θF

＝θM十θE式中θM和θE分别是由磁偶板子和电偶极子跃迁引起的。当光频率大于磁偶极子跃迁相对应的铁磁共振频率时θM＝γ4πMs其中，γ为旋磁比，Ms为饱和磁化强度，磁偶极子跃迁对磁旋光的贡献与波长无关，是一个恒量。电偶极子对磁旋光的贡献来源子常态与激发态之间的跃迁。对于离跃迁远的波长θE=a/λ2+b/λ4+…常数a、b决定于离子磁化，辐射吸收的跃迁几率和激发态的自旋一轨道相互作用。第28页，课件共55页，创作于2023年2月磁圆振二向色性是发生在光沿平行于磁化强度方向传播的情况，铁磁体对入射线偏振光的两个圆偏振光的吸收不同，一个圆偏振光的吸收大于另一个圆偏振光的吸收。其结果造成左右圆偏振光的吸收有差异，此现象称为磁圆振二向色性。第29页，课件共55页，创作于2023年2月磁致线双折射效应:构成介质的分子有各向异性的性质,即具有永久磁矩。在不加磁场时各分子的排列杂乱无章,使得介质在宏观上表现为各向同性,而在加上足够强的外磁场时,分子磁矩受到了力的作用,各分子对外磁场有了一定的取向,从而使介质在宏观上有了各向异性的性质。在磁场中的介质,当光以不同于磁场的方向通过它时,也会出现象单轴晶体那样的双折射现象,称为磁致线双折射效应。磁致线双折射效应又包括科顿—穆顿效应(Cotton-Moutoneffect)和瓦格特效应(Voigteffect),通常把铁磁和亚铁磁介质中的磁致线双折射称为科顿—穆顿效应,反铁磁介质中的磁致线双折射称为瓦格特效应。B磁致线双折射效应第30页，课件共55页，创作于2023年2月磁线振二向色性是发生在光沿着垂直于磁化强度方向传播的情况，铁磁体对被分解成的两个偏振光的吸收不同，两个偏振光以不同的衰减通过铁磁体，从而出现磁线振二向色性。科顿—穆顿效应：如图当线偏振光垂直于磁化强度矢量方向透射时，光波的电矢量将分成两束，一束与磁化强度矢量平行，称为正常光波，另一束与磁化强度矢量垂直，称非正常光波。两者之间有相位差δ，这二者的折射率不同而有双折射现象，此称为科顿—穆顿效应。第31页，课件共55页，创作于2023年2月C磁光克尔效应（重点）磁光克尔效应:线偏振光被磁化了的铁磁体表面反射时,反射光将是椭圆偏振的,且以椭圆的长轴为标志的偏振面相对于入射线偏振光的偏振面转过了一定角度θk，这种现象就是磁光克尔效应,θk称为磁光克尔转角。第32页，课件共55页，创作于2023年2月磁光克尔效应包括三种情况:1)纵向克尔效应:即磁化强度既平行于介质表面又平行于光线的入射面时的克尔效应;2)极向克尔效应:即磁化强度与介质表面垂直时发生的克尔效应;3)横向克尔效应,即磁化强度与介质表面平行时发生的克尔效应。极向和纵向克尔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。克尔效应最重要的应用是观察铁磁体的磁畴第33页，课件共55页，创作于2023年2月近几年,市场上出现了一种磁光盘,它既具有光盘的巨大容量及信息存储密度,还同时能像普通磁盘那样可擦重写,因此受到普遍的关注.磁光盘表面的信息存储材料被称为磁光介质.评价磁光介质性能的重要指标是它的磁光克尔转角

,它直接反映磁光介质的信息读出性能.磁光介质写入信息的方法是在激光照射下同时处在磁场当中的热磁写入.具体过程是:将磁光介质以薄膜形式附着在磁光盘表面上,将激光聚焦后逐点照射在材料的表面,使得该材料局部受热而发生矫顽力降低,这时利用外加磁场对该材料进行磁化.由于磁光介质都具有垂直表面各向异性,在介质上的点受热而同时被磁化时,磁化方向可有两种情况:垂直表面向上和垂直表面向下(可称为正向磁化和反向磁化),通常将这两种磁化情况分别代表信息的“0”和“1”.当激光光点移开刚才被磁化的点时,那里的温度迅速降低,磁畴的磁化方向即固定下来.因此,逐点磁化的过程也就是信息写入的过程.第34页，课件共55页，创作于2023年2月磁光盘上信息读出的原理是利用磁光克尔效应.对已写入信息的磁光介质,要读出所写信息则要利用磁光克尔效应。具体方法是:将一束单色偏振光聚焦后照射在介质表面上的某点,通过检测该点处磁畴的磁化方向来辨别信息的“0”或“1”.例如,被照射的点为正向磁化,则在该点的反射光磁光克尔转角应为+θk,相反被照射的点为反向磁化,则在该点的反射光磁光克尔转角应为-θk.第35页，课件共55页，创作于2023年2月因此,如果偏振分析器的轴向恰好调整为与垂直于记录介质的平面成θk夹角,那么在介质上反向磁化点的反射光线将不能通过偏振分析器,而在介质的正向磁化处,反射光则可以通过偏振分析器.这表明反射光的偏振面旋转了2θk的角度.这样,如果我们在经过磁光介质表面反射的光线后方,在通过偏振分析器后的光路上安放一光电检测装置(例如光电倍增管),就可以很方便地辨认出反射点是正向磁化还是反向磁化,也就是完成了“0”和“1”的辨认.可见,磁光克尔转角在磁光信息读出时扮演着十分重要的角色.如果把磁光介质附着在可旋转的圆盘表面,就构成了磁光盘.磁光盘旋转时,如果同时有单色偏振光聚焦在磁光盘表面,就可实现光线的逐点扫描,即信息被连续读出.第36页，课件共55页，创作于2023年2月磁光克尔转角的测量方法磁光克尔转角的测量装置在实际测量时,通常采用He-Ne激光做为光源,波长λ=63218nm.磁光介质样品安放在电磁铁建立的磁场之中,磁场的磁感应强度为4000Gs左右.在此条件下,通过偏振分析器可顺利地分析出磁光克尔转角θk的大小,见图3.由于测量时光信号十分微弱,采用锁相放大器可大大提高测量的精确度磁光介质材料及其θk的大小随着磁光信息存储技术的发展,目前已经开发出多种磁光介质材料.在这些材料中比较优秀的有:非晶态稀土—过渡金属合金材料第37页，课件共55页，创作于2023年2月(例如TbFe2Co)、非晶态锰铋铝硅(MnBiAlSi)合金材料和非晶态锰铋稀土(MnBiRE)合金材料等.这些材料通常是采用真空蒸镀、磁控溅射等方法将合金材料沉积于玻璃基底上,磁光薄膜的厚度一般在几百纳米左右.为了提高材料的磁光性能,采取多层膜技术十分有效.磁光克尔转角一般并不大,以铽铁钴(TbFeCo)合金薄膜材料为例,在室温下其磁光克尔转角仅为0.3°左右.MnBiAlSi的磁光克尔转角可达2.04°.如果仅考虑磁光克尔转角的大小,采用简单工艺制备的MnBi合金薄膜的磁光克尔转角达到1.6°左右并不困难.当然,在实际制造磁光盘时,除了考虑磁光克尔转角这一性能外,还需要综合考虑其他性能.目前市场上做成磁光盘产品的磁光介质以铽铁钴(TbFeCo)合金薄膜材料为主.第38页，课件共55页，创作于2023年2月影响磁光克尔转角的因素磁光介质的θk受多种因素的影响.首先是温度,通常情况下,随着温度的升高θk将减小;其次,θk与成分的配比有很大的关系,例如,同样是Mn2BiRE薄膜,在制备时,RE(稀土)元素含量增加将可能使θk减小。再次,与入射光的波长有密切的关系.如果在测量时采用单色仪,就可以根据需要对磁光材料样品入射不同波长的单色光,从而测得θk与波长的关系曲线,这一曲线被称为磁光谱.在入射光的波长达到某一数值时,θk有一峰值.例如对MnBiRE薄膜材料而言,θk的峰值出现在波长700nm附近;第四,与制备的工艺有直接关系,比如退火的程序、时间、环境等都能对θk产生一定的影响.近些年,人们倾向于采用波长更短的光(例如蓝色激光)作为光源来进行磁光信息存储,原因是波长短的光其光子具有更高的能量.第39页，课件共55页，创作于2023年2月塞曼效应:置于磁场中的光源所发射的各谱线会受到磁场的影响而分裂成几条，分裂的各谱线间间隔的大小与磁场强度H成正比，这一磁光现象称为塞曼效应。其中谱线分裂为2条（顺着磁场方向观察）或3条（垂直于磁场方向观察）的为正常塞曼效应；3条以上的为反常塞曼效应。塞曼效应是由于外磁场对电子的轨道磁矩和自旋磁矩的作用使能级分裂而产生的，分裂的条数随能级的类别而不同。D塞曼效应第40页，课件共55页，创作于2023年2月E磁激发光散射

如图，在z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xoy平面里的旋转分量为mk(ωk)，这个mk(ωk)是被激发出的以ωk为本征进动频率的自旋波磁振子，此时则沿oy轴有光传播，则沿ox轴有电场强度E分量Ex(ω)、Ex(ω)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ρz(ω土ωk)，即喇曼偶极子，来自ρz(ω土ωk)的辐射就构成一级喇曼散射。第41页，课件共55页，创作于2023年2月第三部分磁光材料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。第42页，课件共55页，创作于2023年2月A磁光玻璃

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。第43页，课件共55页，创作于2023年2月祈学孟等采用二次熔融法制备铽掺杂的SPA系磁光玻璃，Verdet常数高达－0.26~－0.38min/(Oe•cm)，且玻璃性能稳定、不失透、具有优良的拉丝性能，可用于可见光、近红外波段；周蓓明等制备的TG28磁光玻璃，Verdet常数高达－0.335min/(Oe•cm)，比现有商业磁光玻璃（FR5，TG20）提高23%，是具有实用前景的新型磁光玻璃；Hayakawa等以Si(OC2H5)4、Al(OC4H9)3、C2H5OH和EuCl3•6H2O等为原料，采用溶胶-凝胶法制备铕磁光玻璃；Hayakawa等还采用熔融淬冷法制备了Tb2O3/Dy2O3共掺杂B2O3-Ga2O3-SiO2-P2O5系磁光玻璃，Verdet常数最高达－0.6369min/(Oe•cm)，玻璃的综合性能优异。第44页，课件共55页，创作于2023年2月B晶体薄膜

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。1981年，日本电气公司首次用(GdY)3Fe5O12单晶薄膜制备了光纤隔离器，大大改进了光通信系统的质量。1983年，日本松下公司以Yb:YIG单晶膜为磁光介质，研制成功光纤磁光电流测试仪。除了可进行高压大电流的精密监测外，也可用作一般电流精密测试。Sperry和Rockwell公司用(YLa)3Fe5O12和(YBi)3Fe5O12膜制成了磁光偏频元件，可用于导航系统。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。第45页，课件共55页，创作于2023年2月C磁性光子晶体

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。YoshifumiIkezawa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。第46页，课件共55页，创作于2023年2月D磁性液体

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。第47页，课件共55页，创作于2023年2月E磁光液晶

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。第48页，课件共55页，创作于2023年2月第四部分磁光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。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。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。第49页，课件共55页，创作于2023年2月磁光调制器利用偏振光通过磁光介质发生偏振面旋转来调制光束。磁光调制器有广泛的应用,可作为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,还可用于显示电视信号的传输、测距装置以及各种光学检测和传输系统。A磁光调制器原理如图。在没有调制信号时,磁光材料中无外场,输出的光强随起偏器与检偏器光轴之间的夹角变化。在磁光材料外的磁化线圈加上调制的交流信号时,由此产生的交变磁场使光的振动面发生交变旋转。由于法拉第效应,信号电流使光振动面的旋转转化成光的强度调制,出射光以强度变化的形式携带调制信息。调制信号,比如说是转变成电