磁光效应和磁光盘

1、磁光效应和磁光盘一、法拉第磁光效应众所周知，法拉第( Faraday )是一位伟大的实验物理学家。他成功地完成了许多实验，对 物理学作出了伟大的贡献。他相信，光与磁场之间有着内在的联系。经过十来年的研究， 1845 年，他终于发现，以磁场作用于玻璃，当一束线偏振光沿磁场方向通过玻璃时， 其偏振面发生了 旋转。这个实验是最早显示光与磁之间有内在联系的实验。此效应被称之为法拉第磁光效应。1865 年，麦克斯韦以电磁实验为基础总结了著名的麦克斯韦方程组，预言了电磁波的存在，并 预言光也是电磁波。 这些都离不开法拉第的实验结果。 后来发现很多其它物质也有法拉第磁光效 应。法拉第磁光效应中，线偏振光的旋

2、转角度 正比于施加的磁场 B 和光在介质中的传播长度 l ，即fBl式中系数 f 为与物质性质有关的常数。法拉第磁光效应的重要特性是，无论光的传播方向 k 与磁场方向 B 平行或是反平行，线偏 振光的旋转方向相同。当光第一次经过法拉第盒，旋转了角度 ，被反射后，按原路再一次经过 这个法拉第盒，将旋转角度 2 。显然， 法拉第磁光效应的这一特点， 可用以制作光隔离器， 参考图 1，在激光源与光路之间， 置一线起偏器和法拉第盒，线偏振光经法拉第盒旋转 45 角，被光路中的任意反射面反射后，按 原路反射回到法拉第盒，再旋转 45 角，共旋转 90 ，被线偏振器所阻断。图 1 法拉第磁光效应利用法拉第

3、磁光效应还可制成光开关和光调制器近年来， 法拉第磁光效应也被用在多层磁光薄膜型的磁光盘中，以增加有效克尔旋转角。二、塞曼效应1. 塞曼光谱分裂现象荷兰物理学家塞曼（ Zeeman ）于 1896 年，将钠光源置于磁场中，观察钠光的两条黄光谱 线，发现它们变宽了。塞曼发表了上述实验结果后，洛伦兹（ Lorentz ）很快就用经典电磁理论 对其作出了满意的解释。 洛伦兹还根据他的理论指出， 沿着磁场方向， 光谱线分裂为两条不同频 率的光谱线， 这两条光谱线分别为左旋圆偏振光和右旋圆偏振光， 左旋圆偏振光的频率较高； 沿 垂直于磁场方向的光谱线分裂为三条不同频率的光谱线， 都是线偏振光， 其中一条光

4、谱线的频率 与光源自身发出的光谱线频率相同， 其电矢量振动方向与磁场平行， 另两条光谱线的频率分别高 于和低于光源光谱的频率且分别等于上述左旋和右旋圆偏振光的频率， 其电矢量振动方向均与磁 场方向垂直，当然也与光传播方向垂直。洛伦兹的这些预言很快得到了实验证明（图 2）。上述 光源在磁场中造成光谱线分裂的现象被称为塞曼效应，有时又称之为洛伦兹三重线。图 2 塞曼光谱分裂2. 洛伦兹经典电磁理论解释洛伦兹指出， 介质中包含大量原子集团， 原子中的电子一般作椭圆运动， 其空间方位是随机 的。考虑任意一个原子， 电子在任何方位的椭圆或圆运动， 可分解为 xyz 三个相互垂直方向的简谐直线振动，各具有

5、不同的振幅和相位， 如图 3(a)所示。设外加磁场沿 z 方向，因在磁场中的运 动电荷受洛伦兹力作用Feu e B式中， e 为电子电荷； ue 为电子运动速度； B 为磁感应强度。显然， 电子沿磁场 z 方向的运动分量不受影响， 而沿 x 方向和 y 方向运动的简谐直线振动分 量均受洛伦兹力作用。因为任何直线简谐运动可分解为反时针方向和顺时针方向的圆运动，即 x 分量分解为 x+ 和 x-，y 分量分解为 y+ 和 y-，如图 3(b)所示。在 z 方向的磁场作用下，反时针方 向的圆运动所受洛伦兹力作用沿半径方向向内， 增大了圆运动的向心力， 使圆运动频率增高； 而 顺时针方向的圆运动所受洛

6、伦兹力作用沿半径向外， 减小了圆运动的向心力， 使圆运动频率降低。 x+ 和y+ 合成而得左旋圆运动(图 3(c)，x- 和 y- 合成而得右旋圆运动(图 3(d) )。所以，作椭圆 运动的电子，在磁场作用下，等效于三个运动分量： 同频率的沿磁场的直线振动，与磁场方向垂 直平面内的较高频率的左旋圆运动，和较低频率的右旋圆运动。带电粒子的相对运动， 将辐射电磁波， 这里是辐射光波。 运动电荷沿振动方向不辐射电磁波， 所以， 沿着磁场方向能观察到较高频的左旋圆偏光和较低频的右旋圆偏光， 按照统计规律， 它们 的强度相等。 沿磁场的垂直方向能观察到三种频率的光谱线， 它们分别是沿 z 方向运动分量所

7、辐 射的同频率， 且电矢量与振动方向相同的线偏光， 另两个分量对应上述左和右旋圆偏光， 因沿垂 直方向看，就是线偏光。图 3 塞曼效应理论解释根据上述理论可得出塞曼光谱分裂的频移量。存在洛伦兹力时，电子所受的向心力大小为2r m o r eueB式中， m 为电子质量； 0 为无磁场时电子圆运动的角频率； 为磁场存在时电子圆运动的角频率； r 为电子圆运动的半径。因为 0 0, ，可推得eB2m塞曼光谱分裂的频移量为eB4m塞曼效应早已被天文学家用来研究太阳磁场，又被物理学家用来产生光拍等。3. 克尔磁光效应和磁光盘(1) 克尔磁光效应原理苏格兰物理学家克尔(Kerr )于 1875 年发现，

8、一束线偏振光垂直入射于抛光的磁极表面，其反射光转变为椭圆偏振光，椭圆之长轴方向与入射线偏振光的电矢量方向略有所偏离， 这就是克尔磁光效应克尔磁光效应可解释为，在垂直于表面方向的磁场作用下， 入射线偏振光的左旋圆偏振光与右旋圆偏振光分量的传播速度不相同， 使偏振面旋转了一角度， 又因为它们的反射率不同， 结果，因左旋和右旋圆偏振光具有不同传播速度和不同反射率， 再合成就形成椭圆偏振光， 椭圆轴的偏转方向与磁场方向有关，如图4 所示。图 4 克尔磁光效应（2） 磁光盘写读原理自 20 世纪 80 年代末， 90 年代初以来，可反复读写的磁光盘发展迅速，因为磁光盘的记录 89密度高，每立方厘米可记录

9、 1.8 10 bits ，直径为 30cm 的双面磁光盘其记录容量达 40 10 bits ，9比一般容量不足 3 10 bits 的双面磁盘要高十倍以上； 它还有非接触读写， 性能稳定的特点，已 部分取代磁盘。磁光盘的记录和读出过程，如图 5 所示。记录时，将磁光薄膜在垂直于表面方 向（向上）预先饱和磁化 （图 5（a） 。然后，施加一个反向磁场（向下），此反向磁场大小比磁光 薄膜在室温下的矫顽力磁场（即反向磁化所需的磁场）小得多， 因此在室温下， 此反向磁场不能 改变磁光薄膜原来的（向上的）磁化方向。半导体脉冲激光束作为写入光束， 被透镜聚焦于磁光 薄膜表面，形成直径为 1 m 的光斑，使磁光薄膜的温度局域升高，因为磁性材料的矫顽力磁场 随温度升高而下降， 当此局域的温度升高以致使材料的矫顽力磁场强度值下降到比所施反向磁场 小时，该局域就被反向磁化（图 5（b） ），在该处就写入了一个信息（图 5（c） ）。读出时，用衰减 了的激光束垂直入射， 因克尔磁光效应， 在薄膜上不同处磁化方向的差异使反射光的椭圆偏振光 的方位不同， 表示不同的椭圆偏振状态， 再通过检偏器区分开来， 从而可读出用激光写入磁盘的 信息（图 5 （d）。为增大磁光薄膜