磁光材料与其原理实用教案

1、10.1.1光的基本概念 （1）光的偏振 1、自然光 2、线偏振光 3、部分(b fen)偏振光 4、圆偏振光：左旋圆偏振光，右旋圆偏振光； 5、椭圆偏振光：左旋椭圆偏振光，右旋椭圆偏振 光；第1页/共23页第一页，共24页。 设一单色平面波沿轴方向传播，根据光的横波性，可将其电 矢量写成： （10-1） 式中光波长； 光波的圆频率(pnl)或角频率(pnl)； 两个横向电矢量之间的相位差。 消去式（10-1）中的 ，整理得 （10-2）002cos2cos0 xxyyzEEztEEztE2zt22200002cossinyyxxxyxyEEEEEEEE第2页/共23页第二页，共24页。 当

2、时，式（10-2）成为(chngwi)： （10-3） 当 时，式（10-2）成 为： （10-4） 如果 代表左旋椭圆偏振光 如果 代表右旋椭圆偏振光（2）光的双折射和二向色性n00= -1yyxxEEEE00= ,m/ 21, 3, 5,xyEEAm 2-/ 20, 1, 2,nn 2/ 20, 1, 2,nn 0, 1, 2,nn222xyEEA第3页/共23页第三页，共24页。10.1.2法拉第效应(xioyng)（1）磁旋光效应及其非互易性 当线偏振光通过一个处于磁场大小为的顺磁性(cxng)或逆磁性(cxng) 材料后，透射光偏振方向的旋转角正比于磁场大小和材料 厚度,即 （10-

3、5） 式中 费尔德常数。 在铁磁性(cxng)或反铁磁介质中，法拉第旋转角正比于磁化强度 ，即 （10-6） 式中 孔特常数。（2）磁光旋转的测量=VHL=KML第4页/共23页第四页，共24页。10.1.3科顿-莫顿效应(xioyng) 这是一个当外加磁场垂直于光的行进方向时产生 的光偏振面旋转效应(xioyng)，又称磁线振双折射（1）磁线振双折射（2）磁线振双折射的测量第5页/共23页第五页，共24页。10.1.4克尔效应(xioyng) 一束(y sh)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，这个效应称为克尔效应。 克尔效应分为三种类型： （1）极向克尔效应 （

4、2）横向克尔效应 （3）纵向克尔效应 克尔效应的测量第6页/共23页第六页，共24页。10.1.5 塞曼效应 入射单射光经过处于磁场的某些物质后，谱线会 受到磁场的影响而分裂成若干条谱线，分裂的各谱线 间隔( jin g)大小与磁场强度成正比，这一磁光效应称塞曼效 应。第7页/共23页第七页，共24页。10.2 磁光材料(cilio) 10.2.1 磁旋光材料(cilio) 10.2.2 磁光存储材料(cilio)第8页/共23页第八页，共24页。10.2.1 磁旋光材料(cilio) （1）磁光晶体( jngt) 1、石榴石单晶 2、尖晶石晶体( jngt) （2）磁光薄膜 1、石榴石单晶薄

5、膜 2、合金薄膜第9页/共23页第九页，共24页。（3）磁光玻璃(b l) 三种玻璃(b l)材料的费尔德常数可有如下经验公式给出： AOT-44B (10-7) AOT-5 (10-8) FR-5 (10-9) 其中是以“ ”为单位的费尔德常数，是以“”为单位的波长。 22240.02760.98 100.473 10V 22-1-40.01620.96 100.36 10V 2-3-40.0781-0.128-0.513 10V410 min/ T cm第10页/共23页第十页，共24页。10.2.2 磁光存储材料(cilio) （1）MnBi多晶材料(cilio) （2）非晶态材料(ci

6、lio) （3）石榴石薄膜第11页/共23页第十一页，共24页。10.3 磁光材料(cilio)的应用 10.3.1 磁旋光材料的应用(yngyng) 10.3.2 磁光材料非互易性的应用(yngyng) 10.3.3 磁光存储材料的应用(yngyng)第12页/共23页第十二页，共24页。10.3.1 磁旋光材料(cilio)的应用（1）磁光调制 设由交变电流产生的交变磁场引起的法拉第旋转角 为 ，则低频磁光调制器系统的输出光强为 (10-10) 当用正弦波电流输入调制线圈时，则在垂直(chuzh)石榴石单晶薄膜平面的方向上产生一个正弦变化的交变磁场，由此引起的交变法拉第旋转角 为 (10-

7、11) 式中 是交变法拉第旋转 的幅度，称为调制幅度。 20t0tcos+=/ 21 cos2tIII 0sintttt0ttt第13页/共23页第十三页，共24页。 由于交变磁场引起的法拉第旋转使输出(shch)光强幅度变化（磁光调制幅度）为 （10-12） 由式（10-10）、式（10-12）两式可知： （a）当 为定值时，磁光调制幅度随而变化。 =45 时，磁光调制幅度最大。此时由式（10-10）得 （10-13） 随 作正弦变化。 （b）当=45时， =45磁光调制幅度最大。由式（10-13） 可以看出，当 45 时，调制波形将产生畸变。220t00t000coscos+sin2sin

8、2tIII 0t045 +=/ 2 1-sin2ttIIt0t0tI第14页/共23页第十四页，共24页。 （c）当45时，不仅与 有关，而且与的变化也有 关，因此调制波形及其幅度将随起偏器和检偏器相对位置值 而变化， 45也会引起调制波形的畸变。 （d）当90 ，即两偏振器处于正交位置时，输出光强为 (10-14) 此时， 是 的偶函数，输出光强仅与 的大小有关，即与 交变磁场的大小有关，与磁场的方向(fngxing)无关。 当0时，输出光强为： (10-15) 输出光强 的变化情况与90 时相类似。0tt20t090 +=cos90 +=/ 2 1-cos2ttIIItt 20t0cos/

9、 2 1 cos2ttIIIII第15页/共23页第十五页，共24页。 1、钇铁石榴石单晶磁光调制器 2、石榴石单晶薄膜磁光调制器 3、玻璃磁光调制器 4、薄膜波导磁光调制器 将平均磁化强度表示为静态和动态分量之和， ，并利用Landau-Lifshitz方程可得 （10-16） 式中 旋磁比， ； 真空(zhnkng)磁导率。 介电常数张量的非对角分量 决定了 模的耦合，对 的贡献来源于法拉第旋转，输出端TE模的光强 正比 于 ，所以 （10-17） 偏振光的强度与磁化强度的变化量有关，当 的取向垂直 于光的传播方向时， 达到最大值。si tMMme0si mMHO mH228GHz T 0

10、yxTMTEMOI2yx22cosMOzMOImIyxTEMOIsM第16页/共23页第十六页，共24页。（2）磁光开关（3）磁光传感 根据法拉第效应原理，当一束线偏振光通过置于磁场中的逆磁性或顺磁性磁光材料时，偏振方向将发生(fshng)一定的旋转。法拉第旋转可表示为 （10-18） 式中 材料的费尔德常数； 磁场强度； 光在磁光材料中通过的长度。=d lVH第17页/共23页第十七页，共24页。 设光源光强为 ，起偏器与检偏器偏振轴夹角为 ，则马吕斯定律可得： (10-19) 在相位探测原理中，起偏器的透光轴以 的角速度旋转，由于法拉第效应，从磁光材料中出射的是偏离了角的旋转着的线偏振光，

11、由光电管转变成电信号后，出射信号 是被2调制的正弦信号 (10-20) 其中为小于1的常数。 从光源中选出参考(cnko)信号 (10-21) 则两者相位角差 (10-22)这种方法使相位差在 内能被线性探测。200cos451 sin22III0I01 sin2sIItsinrIt22tt218045/2sI第18页/共23页第十八页，共24页。常用(chn yn)的传感头有以下几种 1、正方形传感头 2、圆环状传感头 3、全光纤传感头 对于无损耗双折射光学系统的琼斯矩阵 (10-23) 其中矩阵元 和 中 号分别表示传播方向，星号表示复共轭，对于无损耗系统， 。在互易系统中，有 和 。可定

12、义这种传感器的正向强度传递函数为 (10-24) 反向强度传递函数则为 (10-25)ABMBABA1M _AAA_BBB2211ReReImIm22TABAB2211ReReImIm22TABAB第19页/共23页第十九页，共24页。 其中不失普遍性，假定一个偏振器的偏振方向沿坐标轴，另一偏振器的相对偏振方向角为 ，通过计算反向传播的传播系数，可得系统地强度传递函数 (10-26) 若耦合器的插入损耗(snho)可以忽略，二个光探测器的接收光强可以表示为 (10-27) 和 (10-28) 式中 从光源出射的光强； 光纤的总损耗(snho)； 二个相反方向的强度传递函数，因子1/8来源于耦合

13、器耦合损耗(snho)。221cossincos2TTAB0118IL TI0218IL TI0IL,T T第20页/共23页第二十页，共24页。 互易补偿信号定义为 (10-29)全光纤传感头结构的传感器，强度(qingd)传递函数为 (10-30)和 (10-31) 其中 和 分别表示的实部和虚部。IITTSIITT2211ReReImIm22TABAB2211ReReImIm22TABAB Re x Im x第21页/共23页第二十一页，共24页。10.3.2 磁光材料非互易(h y)性的应用（1）磁光隔离 1、偏振相关磁光隔离器 2、偏振无关近红外磁光隔离器（2）磁光环(gunghun)行 1、三端口不完全光环(gunghun)行器 2、四端口完全环行器第22页/共23页第二