（材料科学与工程专业论文）低维biyig磁光材料的制备及研究.pdf

摘要 随着光通信技术和光信息处理技术的发展，磁光材料将在光通讯、信息存储 和电磁波的吸波隐身等方面拥有越来越广泛的应用。在目前已经发现的磁光材料 中，研究最透彻，最具有发展i i 景的是稀土铁石榴石( r e 3 f e 5 0 1 2 ，式中r _ e 为稀 土元素) ，其中b i 3 + 掺杂钇铁石榴石材料( b i y i g ) 以其优异的磁光性能而倍受 关注。低维磁光材料更是有着广泛的发展和应用前景，其中纳米磁性微粒被广泛 的应用于高密度磁光存储和电磁波的吸波隐身中；磁光薄膜在集成光学技术方面 有着不可替代的作用；磁光纤维之间有很大的空隙，进入空隙的电磁波会被纤维 表面多次反射吸收，从而它在电磁波的吸收隐身上会有较大的应用前景。 基于b i y i g 优异的磁光性能和低维磁光材料的以上应用，在本论文中我们用 共沉淀法制备了b i y i g 纳米颗粒，并研究了p h 值对纳米颗粒尺寸的影响；用磁 控溅射法在石英玻璃基板上沉积y b i y i g 磁光薄膜，然后用化学气相沉积法在磁 光薄膜的表面沉积了一层类会刚石( d l c ) 薄膜，成功的用d l c 对磁光薄膜实现 了增透效果；用静电纺丝的方法制备了y 1 g 超细纤维，并研究了空气湿度和注射 泵的推进速度对纺丝过程影响。分述如下： 1 用共沉淀法制备了b i y i g 的氢氧化物前驱体，并在不同温度下对前驱 体进行热处理，对不同热处理温度和p h 值下制备的样品做了x 射线衍 射( x r d ) 测试，测试结果显示样品的热处理温度越高结晶越好，在 6 5 0 就能合成出单一的结晶较好的石榴石相。对于6 5 0 下热处理的 样品，当p h = 1 l 时制备的b i y i g 颗粒结晶最好。通过透射电镜( t e m ) 对其前驱体和b i y i g 颗粒的观察，我们分析了p h 值对b i y i g 纳米颗粒 尺寸的影响，发现用共沉淀法制备b i y i g 时纳米颗粒时，p h 值是一 个重要控制因素，在很大程度上影响了纳米颗粒的大小和分布，随着 p h 值的增大粒径逐渐变小，分布逐渐均匀，p h = 1 2 时纳米颗粒最小， 为1 0 r i m 左右。除此之外，我们还用氧化物直接合成了b i y i g 粉体， 并做了x r d 测试，发现用共沉淀法合成b i y i g 时，合成温度最少可 以降低5 0 0 。 2 用磁控溅射法在石英玻璃基板七沉积了b i y 1 g 薄膜，并在6 0 0 。c - 7 0 0 进行了热处理。我们用原子力显微镜( a f m ) 表征了薄膜的形貌， 从照片中可以看出b i ，y 1 g 薄膜表面不是很平整，呈凹坑状，凹坑的边 缘为脊状，凹坑的大小在l oi im 左右，在脊状部位有3 4 0 n m 左右的裂痕。 x r d 测试结果表明制备的薄膜为单一的石榴石相，随着热处理温度的 升高样品的结晶越来越好。我们根据x r d 的测试结果计算了磁光薄膜 的晶粒尺寸，大小为几十纳米，计算结果和a f m 的测试结果比较吻合。 然后我们用d b d - c v d 在磁光薄膜的表面沉积了一层d l c 薄膜，并对 d l c 薄膜做了喇曼光谱测试，光谱上显示出典型的d l c 特征。最后我 们对双层薄膜的样品做了红外可见光的透射光谱，从结果看，我们成 功的利用d l c 优异的光学增透性改善了多晶铁氧体薄膜的透光性。 3 把合成y i g 所需金属元素的醇盐融解于有机溶剂，用这种溶液我们通 过静电纺丝的方法制备出了复合超细纤维，然后进行热处理，得到结 晶很好的磁光超细纤维。我们对制备的复合纤维和热处理后的磁光纤 维做了扫描电镜( s e m ) 分析，对热处理后的纤维作为了x r d 测试。 通过对测试结果的分析发现在纺丝过程中微量注射泵的推进速度和空 气湿度是主要影响因素，推进速度减小，空气湿度减小，都有利于成 丝，复合纤维的直径在5 0 0 1 0 0 0 n m 之间，经过7 5 0 热处理后，样品 仍然能保持纤维状结构，纤维直径在1 0 0 2 0 0 r i m 之间，并能够合成出 y 3 f e 5 0 1 2 相，不过存在杂相y f e 0 3 。 关键字：磁光、纳米、薄膜、纤维 h a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fo p t i c a lc o m m u n i c a t i o na n di n f o r m a t i o np r o c e s s i n g t e c h n o l o g y , m a g n e t o - o p t i c a lm a t e r i a l sw o u l db ew i d e l ya p p l i e di nf i e l d so fo p t i c a l c o m m u n i c a t i o n ，m a g n e t o - o p t i c a l ( m o ) s t o r a g e ，s t r o n ga b s o r b i n go fi n f r a r e da n d e l e c t r o m a g n e t i cw a v e ，e t s u pt on o w , t h em o s tt h o r o u g h l yr e s e a r c h e da n db r o a d l y a p p l i e dm a g n e t o - o p t i c a lm a t e r i a li st h er a r ee a r t hi r o ng a r n e t ( r e 3 f e s o t 2 ，r ei st h e e l e m e n to f r a r ee a r t h ) ，i nw h i c hb i s m u t hs u b s t i t u t e di r o ny t t r i u mi r o ng a r n e t ( b i y i g ) h a sb e e na c t i v e l yp u r s u e db e c a u s eo fi t se x c e l l e n tm a g n e t o - o p t i c a lp e r f o r m a n c e ， l o w - d i m e n s i o n a lm om a t e r i a l s ，i n c l u d i n gn a n o p a r t i c l e ，t h i ns o l i df i l ma n d n a n o f i b e r s h a v er e c e i v e dm u c ha t t e n t i o na n ds u g g e f l e daw i d er a n g eo fa p p l i c a t i o n s m a g n e t i cn a n o p a r t i c l e s a r ew i d e l y a p p l i e d i nd e n s i t ym os t o r a g ea n ds t r o n g a b s o r b i n go fe l e c t r o m a g n e t i cw a v e m ot h i nf i l m sa r eh i g h l yv a l u e di nt h ef i e l do f o p t i c a li n t e g r a t i o nt e c h n o l o g y m of i b e r s ，w i t hh i g hd e n s i t yo fi n t e r s p a c e sa m o n g t h e m ，p e r m i tm u l t i p l er e f l e c t i o n sa n da b s o r p t i o n so fe l e c t r o m a g n e t i cw a v e so nt h e i r s u r f a c e s ，i n d i c a t i n g o fa g o o d c a n d i d a t ef o rt h e a b s o r b i n g m a t e r i a lo f e l e c t r o m a g n e t i cw a v e b a s e do nt h ee x c e l l e n tm a g n e t o o p t i c a lp e r f o r m a n c eo fb i - y i ga n dt h e a p p l i c a t i o n so fl o w - d i m e n s i o n a lm om a t e r i a l sm e n t i o n e da b o v e ，i nt h i sp a p e r , n a n o p a r t i c l e so fb i - y i gw e r ep r e p a r e df o l l o w i n gc o - - p r e c i p i t a t i o nm e t h o da n dt h e i n f l u e n c eo f p hv a l u eo nt h es i z eo f t h eb i - y i gp a r t i c l e sw a sd i s c u s s e d ；b i - - y i gt h i n f i l m sw e r ed e p o s i t e do nq u a r t zg l a s sb ym a g n e t r o ns p u t t e r i n gf o l l o w e db yt h e d e p o s i t i o no fd l c ( d i a m o n dl i k ec a r b o n ) f i l mo nt h eo b t a i n e dm o f i l m s u r f a c e ，s o t h a tar e f l e c t i o nr e d u c i n ge f f e c to ft h em of i l mi so b t a i n e d ；y i g ( y t t r i u mi r o n g a r n e t ) s u p e r f i n ef i b e r sw e l t f ea l s op r e p a r e db ye l e e t r o s p i r a t i n g ，a n dt h ei n f l u e n c eo f a d d i t i o nr a t eo fe l e e t r o s p i n n i n gs o l u t i o na sw e l la se n v i r o n m e n t a lh u m i d i t yo nt h e p r o c e s so f e l e c t r o s p i n n i n gw a si n v e s t i g a t e d s u b s e q u e n t l y ，d e t a i l sa r ed i s c u s s e d 1 n a n o p a r t i c l e so fb is u b s t i t u t e dy t t r i u mi r o ng a r n e tw e r ep r e p a r e df o l l o w i n g c o p r e c i p l i t a t i o nm e t h o d ，a n dt h eh y d r o x i d ep r e c u r s o rw a sa n n e a l e d a t d i f f e r e n tt e m p e r a t u r e b i y i gn a n o p a r t i c l e sw e r ec h a r a c t e r i z e db yx - r a y d i f f r a c t i o nf x r d ) t h er e s u l ts h o w st h a tt h es a m p l e sg e tb e t t e rc r y s t a l l i z a t i o n a th i g h e rt e m p e r a t u r e ，a n ds i n g l eg a r n e tp h a s ew a so b t a i n e dw h e nt h e t r e a t m e n tt e m p e r a t u r ew a s6 5 0 t h eh y d r o x i d ep r e c u r s o ra n db i y i gp a r t i c l e s w e r eo b s e r v e db yt r a n s m i s s i o ne l e c t r o nm i c r o s c o p e ( t e m ) ，a n di ti sf o u n dt h a t 1 1 1 p hv a l u ew a si m p o r t a n ti n f l u e n c i n gf a c t o rf o rt h es i z ea n dd i s t r i b u t i o no ft h e p a r t i c l e s 1 1 1 es i z e so fp a r t i c l e sw e r em i n i m i z e dw h e nt h ep hv a l u ew a s1 2 w i t ht h es i z ea r o u n dl o n m b e s i d e s t h eb i - y l gp a r t i c l e sw e r ep r e p a r e dw i t h m e t a lo x i d e ，a n dc h a r a c t e r i z e db yx r d t h ep r e p a r a t i o nt e m p e r a t u r eo f b i - y i gp r e p a r e db yc o - p r e c i p i t a t i o nm e t h o dw a sl o w e r e da tl e a s tb y5 0 0 c o m p a r i n gw i t l lt h a tp r e p a r e d 、析t l lm e t a lo x i d e 2 b i y 1 gt h i nf i l m sw e r ed e p o s i t e do nq u a r t z # a s sb ym a g n e t r o ns p u n e d n g a n da n n e a l e da tt h et e m p e r a t u r eo f6 0 0 c 一7 0 0 n 忙s u r f a c em o r p h o l o g i e s o ft h eo b t a i n e db i y i gf i l m sw c t eo b s e r v e db ya t o m i cf o r c em i c r o s c o p y ( a f m ) t h er e s u l t ss h o wt h a tt h es u r f a c em o r p h o l o g i e so ft h ef i l m sw e r e s o m el 【i n do fc o n c a v ew i mr i d g e sa r o u n d a n dt h es i z eo ft h ec o n c a v ew a s a b o u t1 0l im m o r e o v e r ，t h e r ew e r ec r a c k so nt h et o po ft h er i d g e - r e # o n s 、】l r i t hw i d t ho f3 4 0a m 1 1 1 ef i l m sw e r ec h a r a c t e r i z e dw i t hx r d n er e s u l t s s h o wt h ef i l m sa r eas i n g l eg a r n e tp h a s ea n dc r y s t a l l i z e db e t t e rw i t l it h e i n c r e a s eo f t r e a t m e mt e m p e r a t u r e n l es i z eo f c r y s t a lg r a i no f m # f i l m b e i n g s c o r e so f n a n # m e t e r s w a sc a l c u l a t e db a s e do nt h er e s u l t so f x r d a n di ti si n g o o da c c o r d a n c ew i t ha f mo b s e r v a t i o n t h e n , d l c ( d i a m o n dl i k ec a r b o n ) t h i nf i l m sw e r ed e p o s i t e do nt h es u r f a c eo fm of i l ma n dc h a r a c t e r i z e db y r a m a ns p e c t r a 1 1 1 es p e c t r ai n d i c a t e st h a tt h ef i l m sa r et y p i c a ld l c a f t e rt h a t , t h e c o m p o s i t ef i l m sa n db i - y i gf i l m sw e r ec h a r a c t e r i z e db yi n f r a r e dv i s i b l et r a n s m i s s i o n s p e c t r u m i ti sr e v e a l e dt h a tt h et r a n s p a r e n c eo fm of i l m si si n c r e a s e db y d e p o s i t i n gd l c 3 m e t a l l i co r g a n i cc o m p o u n d sw h i c hc o n t a i ni r o na n dy t t r i u mw e r ed i s s o l v e di n o r g a n i cs o l v e n t ，s oak i n do fs o l u t i o nw a so b t a i n e d , w i t hw h i c h , t h es i l p e 币n e f i b e r sw e r ep r e p a r e db ye l e c t r o s p i n n i n g a f t e ra n n e a l i n g ，t h ey 1 g ( y t t r i u m i r o ng a r n e t ) s u p e r f i n ef i b e r sw e r ep r e p a r e d t h ef i b e r sb e f o r ea n da f t e r a n n e a l i n gw e r eo b s e r v e db ys c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p e ( s e m ) ，a n dt h e f i b e r sa f t e ra n n e a l e dw e r ec h a r a c t e r i z e db yx r d t h er e s u l t si n d i c a t e dt h a t a d d i t i o nr a t eo ft h es o l u t i o na n de n v i r o n m e n t a lh u m i d i t yw e r et w om a j o r i n f l u e n c i n gf a c t o r sf o rt h ep r o c e s so fe l e c t r o s p i n n i n g , a n db e t t e rf i b e r sw e r e o b t a i n e dw i t hs m a l l e ra d d i t i o nr a t ea n dr e l a t i v e l yl o wh u m i d i t y t h e d i a m e t e r so f t h ec o m p o s i t ef i b e r sw e r eb e t w e e n5 0 0 1 0 0 0 n m a f l e r a n n e a l i n g , t h ed i a m e t e r sw e r eb e t w e e n1 0 0 - 2 0 0 n m ，a n dt h ey 3 f e 5 0 1 2p h a s ew a s o b t a i n e da l o n gw i t hy f e 0 3 k e yw o r d s ：m a g n e t o - o p t i c a l 、n a n # 一、f i l m 、f i b e r i v 浙江大学硕l 研究生论文 第一章引言 磁光材料是指从紫外到红外波段具有磁光效应的光信息功能材料，利用这类材 料的磁光特性以及光、电、磁的相互作用和转换，可以构成具有光调制、光隔离、 光开关、广偏转、光信息处理、光显示、光录像、光储存，光复制、光偏频以及其 他光电磁转换功能的磁光器件。磁光材料及其应用不仅有力地推动了磁光效应的研 究，而且促进了激光光电了光通讯计算记录信息和激光陀螺等新技术的发展，从而 日益引起人们的重视。 石榴石是一种优异的磁光材料，它具有在近红外波段吸收少、比法拉第旋转较 大等优点，而且物理化学性质稳定，所以成为乇要的研究对象并已经实现商业化。 而y 1 g ( y t t r i u mi r o ng a r n e t ，钇铁石榴石) 更是典型的磁光法拉第材料，它在波长九= l 5 u m 之间完全透明，所以这一波段常被称为y i g 的窗口。相对于早期的磁光玻璃， 它的磁光效应大，饱和磁场小，均匀性、稳定性更好，应用也更广泛。b i 掺杂y i g 是目前研究得较多的一类石榴石型铁氧体材料。 近年来随着信息量飞速增加，要求记录介质材料高性能化，特别是记录高密度 化。高记录密度的记录介质材料与超微粒有密切的关系。纳米磁性微粒由于尺寸小， 具有单磁畴结构，矫顽力很高的特性，用它制作磁记录材料可以提高信噪比，改善 图像质量。纳米磁性材料的尺寸远小于红外及雷达波波长，所以它对种波的透过率 比常规材料要强得多，除此之外，它还有有比常规材料大的多的比表面积，对红外 和电磁波的吸收也比常规材料大很多，这就使得红外探测器及雷达得到的反射信号 强度大大降低，从而能起到隐身的作用。在本论文第三章中我们用共沉淀法制备了 b i y i g 的纳米颗粒，颗粒大小分布在5 0 7 0 n m 之间，在6 5 0 进行热处理就能合成 出结晶较好的单一的石榴石相，比用氧化物直接合成石榴石相的合成温度至少低 5 0 0 。除此之外我们还研究了p h 值对b i y i g 纳米颗粒尺寸的影响。 磁光无源器件的优点是功耗低、结构简单等；但最主要是能够薄膜化，适合于 集成光学系统。这一点很重要，因为，把光源、透镜，棱镜和非瓦易光学元件做成 4 浙江大学硕l 二研究生论文 薄膜器件集成在一块衬底上的集成光学技术是2 l 世纪发展方向。对于y i g 而言， 它在波长丸= | 一s u m 之间完全透明，但在短波长范围内，只有k - - - - - 6 3 3 n m 的红光是 它的一个窗口，有较好的透光性，对于其它波长的透光性都不是很好，所以从一定 程度上限制了这种材料的应用。在本论文的第四章中，我们用磁控溅射法在石英玻 璃基板上沉积了b i - y i g 薄膜，并用d b d c v d 在磁光薄膜的表面沉积了一层d l c 薄膜，利用d l c 优异的光学增透性来改善多晶铁氧体薄膜的透光性。 用静电纺丝的方法制备单元金属氧化物的超细纤维已经屡见不鲜了，但很少有 人用这种方法制备出多元系的超细纤维，丽磁光材料性能较好的都是多元系统，为 此在本论文第五章中我们把合成y i g 所需金属元素的醇盐溶解于有机溶削，用静电 纺丝的方法制各出复合超细纤维，然后进行热处理，得到结晶很好的多元系磁光纤 维，纤维直径分布在1 0 0 - 2 0 0 r i m 之间。超细纤维之间有很大的空隙，进入空隙的电 磁波会被纤维表面多次反射吸收，从而可以增强这种材料吸波隐身性能。 浙江大学硕上研究生论文 2 1 研究背景 第二章文献综述 1 8 4 5 年，英国物理学家m i c h e l f a r a d a y 发现，入射光线在沿外磁场方向磁极之间 被磁化的玻璃时，其偏振面发牛了旋转，这是有史以来第一次发现的磁光效应，称 之为f a r a d a y 效应。自此之后，受f a r a d a y 效应的启发，1 8 7 6 年又发现了光在磁化介 质表面反射时偏振面旋转的现象，即k e r r 效应。随之在9 0 年代发现了塞曼效应与磁 致线双折射效应( 包括v o i g te f f e c t 和c o t t o n m o u t o ne f f e c o i l l 与此同时，与这些效应 相关的理论解释也相继获得了重要进展。随着有关磁光现象的理论研究的进展，其 相应的实用性研究直到上个世纪5 0 年代才开始。 1 9 5 8 年贝尔实验室的狄龙( j r d i l l o n ) 首先发现了钇铁石榴石( 分子式y 3 f e 5 0 1 2 ， 简称y i g ) 单晶能传递红外及近红外光，报道了y i g 在一定光波范围的法拉第旋转 和光吸收特性i ”。 1 9 6 6 年莱克劳( l a c r a w ) 在国际磁学会议上第一次报导了实用的磁光器件，他 用掺镓的y i g 晶体研制成室温下宽带( 大于2 0 0 m h z ) 的磁光调制器，可在1 1 5 5 n m 波长工作。 1 9 6 8 年狄龙对磁光晶体中法拉第旋转的原理和应用作出总结，提出了各种非瓦 易磁光器件的工作原理，包括磁光调制器( m a g n e t o - o p t i c a lm o d u l a t o r ) 、光隔离器( 或 称单向器。i s o l a t o r ) 、环形器( c i r c u l a t o r ) 、相移器( p h a s es h i f t e r ) 、磁光开关 ( m a g n e t o - o p t i c a ls w i t c h ) 等等。 1 9 3 9 年，哥兹格( k u r t z i g ) 等发现了可见光透明的硼酸铁( f e b 0 3 ) 磁光材料f 3 1 4 1 ， 该晶体在室温下对5 2 5 n m 绿光的比法拉第转角高达2 3 0 0 0 c m ，磁光品质因子为1 4 ， 是可见光区所有磁光材料中最高的。 7 0 年代初液相外延石榴石单晶薄膜的问世，使磁光材料应用方面的研究扩展到 磁泡存储光纤通信激光陀螺磁光传感器等更为广阔的尖端技术领域，开始了磁光材 浙江大学顾 ：研究生论文 料与器件发展的新阶段。 1 9 7 9 年，德国菲利浦实验室( p h i l i p s ) 用( b i g d ) ；f e s o i 2 磁光膜作数据输出显示和光 印刷，此类磁光显示器可用于光录像光复制光存储和光信息处理。 1 9 8 1 年，日本电器公司用( g d y ) 3 f e s o l 2 单晶薄膜制成了世界上第一个光纤隔离 器，大大改进了光纤通信系统的质量。 1 9 8 3 年，日本松下电器公司用y b ：y i g 单晶膜为磁光介质，研制成功了光线磁 光电流测试仪，除可进行高压大电流的精密监测外，甚至可作为一般的电流精密测 试。美国s p e r r y 和r o c k w e l l 公司用( v l a ) 3f e 5 0r 2 和( y b i ) 3f e s o l 2 膜制成了磁光偏频 元件，用于导航系统中的激光陀螺。在激光陀螺中，利用磁光法拉第效应或科尔效 应产生的非瓦易特性，可使环形激光腔沿顺逆向两束行波间产生频差，使激光陀螺 工作点偏离闭锁区。 1 9 8 8 年，日本工业电子技术综合研究所t o k o u d a 采用反应等离子溅射沉积法 r i b s ( r e a c t i o ni o nb e a ms p u u e f i n g ) 首次获得了b i 3 f e s o l z ( b i l o ) 单晶薄膜。这种单 晶薄膜的制备成功为小型化隔离器的研制带来了希望。 最近美、日、法等国的许多研究小组又以不同的方式成功地获得了高掺b i h 稀 土铁石榴石薄膜，显示了该材料地广阔应用前景。此外，国内在磁光材料方面的研 究也取得了很大成果，有人制备出的铋取代钇铁石榴石( b i y i g ) ，环氧树脂磁光复 合薄膜最高法拉第旋光角可达5 6 0 0 0 d e g c m ，最高磁光优质可达4 7 o i ”。 2 2 磁光效应 对于具有透光性，且具有自发磁化的物质，当光透过透明的磁性物质或者被磁 性物质反射时，由于存在自发磁化强度，产牛了新的光学各向异性，可以观测到各 种特殊的光学现象，这些现象总称为磁光效应，如法拉第效应，克尔效应等1 6 l 。 磁光效应包括：法托第效应( f a r a d a ye f f e c t ) ( 1 8 4 5 年) 、克尔效应( k e r r e f f e c t ) ( 1 8 7 6 年) 、磁线振双折射即可顿一穆顿效应( c o t t o n - - m o u t o ne f f e c t ) 和瓦格特效 应( v o i g t e f f e c t ) ( 1 9 0 7 年) 、磁圆振二向色性( m a g n e t i c c i r c u l a r d i c h r o i s m ，m c d ) 、 磁线振二向色性( m a g n e t i cl i n e a r d i c h r o i s m ，m l d ) 、塞曼效应( z e e m a ne f f e c t ) ( 1 8 9 1 7 浙江大学硕f ：研究生论文 年) 和磁激发光散射等，其中最为人们所熟悉，亦最有用的是法拉第效应，其次是 克尔效应【1 4 j 。 法拉第效应，是一种当光线透过磁性物质时出现的双折射现象。当线偏振光沿 着磁化矢量( 或磁场) 方向前进时( 称为法拉第配置) ，由于左、右圆偏振光的折 射率不同，使得偏振而发乍旋转。产生这种现象的内因是磁性离子或原子的光跃迁。 克尔磁光效应，是可以分解为左、右圆偏振光的线偏振光，当在不透明的磁性物质 表面反射时，由于反射率和相位变化对于左、右圆偏振光是不同的。因而 2 3 旋转角的测试方法i l 2 3 1 法拉第效应测试方法综述 法拉第旋转角测试方法一般有三种：消光法、倍频法和相移法。 消光法 当样品所在磁场不加电流时，令检偏器与起偏器的透光轴成正交位置，这时发 生消光现象，光电检测器检测不到光信号。当通过激励电流产生磁场后，即发现检 偏器中有光透过。为了重现消光，必须将检偏器转过一个口角。这表明磁场使样品 中光的偏振面转过了一个口角，该0 角就是要测量的法拉第旋转角。此方法就叫做 消光法，特点是测量快速便捷，但精度不高。 倍频法( 磁光调制法) 提高测量精度的一个方法是采用调制器。在试样和检偏器之间插入一个光调制 器，使接收器中的光电信号从直流变交流信号，采用选频放大器将一定频率的交流 信号放大，这样一来大大提高了信噪比。其工作原理如下。 由马留斯定律( e l m a l u sl a w ) ，若不考虑光损耗，通过起偏器，经检偏器输出 的光强为 l ( a ) = l o c o s z a ( 2 1 ) 其中i o 为起偏器与检偏器的透光轴之间夹角a = o ( 或兀) 时的输出光强。若在两偏 振器之间加一个由励磁线圈、石榴石单晶薄膜样品和低频信号源组成的磁光调制器， 则调制器励磁线圈产牛的正旋交变磁场使样品产生交变的偏振面旋转角0 ，输出光 8 浙江大学硕l ：研究生论文 强变为 i ( a + o ) ：l o c o s 2 ( a + o 、 ( 2 2 ) 其中0 = 0 0 s i n c o t ，0 0 称为调制幅度。可知，当口一定时，输出光强i 仅随岛 变化，而嘞是受磁场控制的。这就实现了磁光调制。 当a - - - r d 2 ，即起偏器与检偏器处于正交位置时，则经调制后的输出光强为： l ( r d 2 + 0 ) = l o c o s 2 ( r d 2 + 0 ) = l o s i n 2 矿= 1 0 ( i - c o s 2 0 ) 2 ( 2 3 ) 当a - - 0 ，即起偏器与检偏器处于正交位置时，则经调制后的输出光强为： i ( 0 ) = i o c o s 2 0 = l o ( 1 + c o s 2 0 ) 2 ( 2 - 4 ) 由式2 3 、2 a 可知，当a = 0 或a = r d 2 时输出光强与有关，即仅仅与交变磁场场 强大小有关，与方向无关，而且输出调制信号为原来磁光调制信号的倍频。又知a = 0 或a - - r d 2 时谐波强度很弱，一般可忽略不计。因此，当示波器上观察到倍频信号时， 即可确定系统的起偏器处于平行或正交位置。 则若在调制器后面插入一个由直流磁场磁化了的待测石榴石薄膜样品，线偏振 光通过后偏振面增加一个旋转角良当a + 0 = 0 或a + 乒- x 2 时，示波器上再次出现倍 频信号。根据前后两次出现倍频信号时检偏器的位置，就可确定被测样品的磁光旋 转角。 相移法 提高测量精度的另一个措施是采用相移计，可不通过测角仪，直接从相移计中 读出法拉第旋转角，可进一步提高测量精度，便于连续测量和自动记录。但该法成 本较高。 2 3 2c g ) 【- 一l 型磁光测试仪 采用磁光调制倍频法，我们利用实验室的现有条件，自行组建了c g x - - l 型磁 光法拉第旋转测试仪。装置简图如2 1 。 操作步骤如下： 9 浙江大学硕十研究生论文 1 稳流源2 溴钨灯3 起偏器4 磁光调制器( 4 “调制线圈4 b 石榴石单晶薄膜制品 4 c x f d 一7 a 犁低频信号发生器) 5 被测样品6 电磁铁7 稳压源& 检偏器 9 测角仪lo 单色仪1 1 探测器1 2 信号检测与处理电路1 3 示波器 1 4 6 1 4 - - a 型电子交流稳压器，供整个系统稳压用 圈2 i 磁光旋转测试装置 f i 9 2 1s c h e m a t i cd i a g r a mo f m a g n e l o - o p t i c a lf rm e a s u r e m e n ta p p a r a t u s ( 1 ) 接好线路，打开溴钨灯光源，待产生稳定光线后调整光路，输入调制 信号； ( 2 ) 对待测样品施加直流磁场，转动测角仪，使示波器上出现正弦倍频信 号。记录测角仪度数日，然后将直流磁场反向，同样方法得到易。则得到样品 的磁光旋转0 = 1 巩- 0 2 i 2 ； 则可计算比法拉第旋转角o r = o l ，l 为样品厚度；磁光优值为庐踮口，口 为光吸收系数。 2 4 磁光材料 磁光材料是指从紫外到红外波段具有磁光效应的光信息功能材料，利用这类材 料的磁光特性以及光、电、磁的相瓦作用和转换，可以构成具有光调制、光隔离、 光开关、广偏转、光信息处理、光显示、光录像、光储存、光复制、光偏频以及其 他光电磁转换功能的磁光器件。磁光材料及其应用不仅有力地推动了磁光效应的研 究，而且促进了激光光电了光通讯计算记录信息和激光陀螺等新技术的发展，从而 i o 浙江大学硕士研究生论文 日益引起人们的重视。 2 4 1 磁光玻璃 磁光玻璃是顺磁性的弱磁物质，磁光效应比强磁性材料小几个数量级，但是制 造方便、价格便宜、透光性好，丰要应用于可见光范围，如可见光波段光隔离器等 磁光器件。因磁光玻璃为弱磁性物质，其法拉第旋转与外加磁场成正比： 靠=vlh(2-5) 其中l 为磁光玻璃的厚度；h 为外加磁场强度；v 为费尔德常数，用于表征材 料的磁光特性。费尔德常数只与磁光玻璃中稀土氧化物的浓度有关，而与玻璃的组 成无关。如含有c 矿、p ，、1 f + 和d y 3 + 的磁光玻璃拥有较大的费尔德常数。 2 4 2 尖晶石型硫属化合物 尖晶石型硫属化合物是尖晶石晶体结构的铁磁性材料，在低温下有较大的法拉 第旋转。c o c r 2 s 4 和c d c r 2 s 4 是其中较好的磁光材料，它们的光、电、磁特性适宜作 成红外波段( 1 1 0 9 m ) 的磁光器件。 2 4 3m n b i 合金薄膜 m n b i 合金薄膜克尔效应较大，可用于磁光存储器，特别是进行磁光全息存储 试验中用于激光陀螺的极向克尔磁光偏频元件。当平面偏振光由不透明的铁磁晶体 反射时，由于各磁畴的磁化方向不同，偏振面将发牛不同的旋转，旋转角和磁化强 度成正比。 2 4 4 稀土过渡族金属非晶薄膜 r e 一1 m 非晶薄膜一般具有较大的克尔效应，是目前应用最广的磁光记录材料。 但这种材料在短波长的磁光效应显著降低，而且这种材料易氧化。不利于进一步增 加存储密度。 浙江大学硕 = 研究生论文 2 4 5 稀土铁石榴石磁光材辩 稀土铁石榴石材料是一种典型的磁光法拉第材料，相比与早期的非铁磁性磁光 玻璃，它的磁光效应大、饱和磁场小，均匀性和稳定性好，材料物理化学性质优良， 光吸收小。因此是目前应用最广泛、最有发展前途的磁光材料。 2 5 稀土铁石榴石磁光材料及发展 石榴石型铁氧体，分子式为r 3 f e s o l 2 通常简写为r i g ，其中r 可以为钇( y ) 、 钪( s c ) 以及稀土离子( s m 、e u 、c d 等) ，离子半径在1 0 0 - - 1 3 o a 之问。它的晶体结构 与天然石榴石( f e m n ) 3 a 1 2 ( s i 0 4 ) 3 矿相同，故取名为石榴石型铁氧体。在发现石榴石 型铁氧体之后，人们对它的结构进行了大量的研究1 1 1 。其中最重要的材料是钇铁石 榴石y 3 f e 5 0 缩写为y i g 。由于y 3 + 是非磁性离子，所含的磁性离子仅为s 态的 f e 3 + ( 3 曲，从磁性的角度来说比较单纯，因此y i g 成为研究其它材料的基础。 石榴石型铁氧体属于立方晶系，具有体心立方晶格，其点阵常数a = 1 2 5 a ，每 个单位晶胞含有8 个飓f e 5 0 1 2 分子。由于r 3 + 离了太大，不能占据氧离子间的四面 体或八面体间隙，而直接取代氧( 0 2 ) 的位置又显得过小，因此实际上它占据较大的 十二面体间隙，从而使得石榴石结构较为复杂。但它的晶体结构依然是以氧离子为 骨架堆积而成，金属离子位于其问隙中。 铁石榴石单晶薄片对可见光是半透明的，而对近红外辐射几乎完全透明。y i g 的吸收系数f t 与波长丸( 或波数v ) 的关系见图2 , 4 。可见y i g 在拧l - 5 岬之间是全 透明的，这一光波区域常被称为y i g 的窗口。掺入三价稀土离子或b i 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。一般用p b o 、p b f 2 作助熔剂时， 晶体中含有p b 2 + 离子，这就必然由f e 4 + 与其进行电荷补偿，而f 有强的光吸收， 因而使晶体的光吸收增加。若晶体掺入s i 4 + 离子时，由于s r 同p b ”电荷补偿，无 f 出现，则晶体的吸收将减少。一般每个化学分子式中有o 0 0 4 个硅原子的浓度， 会达到最小的光吸收。s i 浓度太高，则因电荷补偿的需要，就会出现f e ”离子。由 于f e 2 + 离子是有强吸收，因而使晶体的吸收逐渐增加。当c a 2 + 离子出现时，也由于 浙江大学硕仁研究生论文 电荷补偿的需要，就会出现f e 4 + ，因而增加吸收，为了得到最小的光吸收，就必须 严格控制非三价的杂质c a 、s i 、p b 以及p t 等元素的出现。 y i g 磁光材料的研究可以分为三个阶段：未掺杂y i g 摹本性能的研究；各种元 素掺杂对y i g 磁光的物理性能和磁光性能的影响；选用b i 或c e 元素掺杂的y i g 以及薄膜构造薄膜波导型磁光隔离器和磁光环行器。2 0 世纪8 0 年代的研究重点是 薄膜材料，9 0 年代后，研究的重点逐渐转移到薄膜器件和各种新的制备工艺上来。 2 5 1 未掺杂y i g 石榴石材料 石榴石是一种优异的磁光材料，它具有在近红外波段吸收少、比法拉第旋转