讲课磁光效应及其应用

1、学号：31646057姓名：段冬娟专业：电子与通信工程磁光效应及其应用磁光效应及其应用磁光效应及其应用一、一、晶体的旋光效应晶体的旋光效应二、二、磁光效应磁光效应法拉第效应法拉第效应三、三、磁光效应的应用磁光效应的应用一、一、晶体的旋光效应晶体的旋光效应1 1、自然旋光现象自然旋光现象2 2、自然旋光现象的理论解释自然旋光现象的理论解释3 3、自然旋光现象的实验验证自然旋光现象的实验验证1 1、自然旋光现象、自然旋光现象 18111811年年, , 阿拉戈阿拉戈(Arago(Arago) )在研究石英晶体的双折射特性在研究石英晶体的双折射特性时发现：一束线偏振光沿石英晶体的光轴方向传播时，其时

2、发现：一束线偏振光沿石英晶体的光轴方向传播时，其振动平面会相对原方向转过一个角度，如振动平面会相对原方向转过一个角度，如图图1 1所示。由于所示。由于石英晶体是单轴晶体，光沿着光轴方向传播不会发生双折石英晶体是单轴晶体，光沿着光轴方向传播不会发生双折射，因而射，因而阿拉戈阿拉戈发现的现象应属另外一种新现象，这就是发现的现象应属另外一种新现象，这就是旋光现象。稍后，比奥旋光现象。稍后，比奥(Biot(Biot) )在一些蒸汽和液态物质中也在一些蒸汽和液态物质中也观察到了同样的旋光现象。观察到了同样的旋光现象。实验证明，一定波长的线偏振实验证明，一定波长的线偏振光通过旋光介质时，光振动方向转过的角

3、度光通过旋光介质时，光振动方向转过的角度与在该介质与在该介质中通过的距离中通过的距离l l成正比，成正比，= =l l ，比例系数比例系数表征了该介表征了该介质的旋光本领，称为旋光率，它与光波长、介质的性质及质的旋光本领，称为旋光率，它与光波长、介质的性质及温度有关。介质的旋光本领因波长而异的现象称为旋光色温度有关。介质的旋光本领因波长而异的现象称为旋光色散，石英晶体的旋光率散，石英晶体的旋光率随光波长的变化规律如随光波长的变化规律如图图 2 2 所所示。示。图图 1 1 旋光现象旋光现象 图图 2 2 石英晶体的旋光色散石英晶体的旋光色散 实验还发现，不同旋光介质光振动矢量的旋转方向可能不同

4、，并因此将旋光介质分为左旋和右旋。当对着光线观察时， 使光振动矢量顺时针旋转的介质叫右旋光介质，逆时针旋转的介质叫左旋光介质。例如，葡萄糖溶液是右旋光介质，果糖是左旋光介质。自然界存在的石英晶体既有右旋的，也有左旋的，它们的旋光本领在数值上相等，但方向相反。之所以有这种左、右旋之分，是由于其结构不同造成的，右旋石英与左旋石英的分子组成相同，都是SiO2，但分子的排列结构是镜像对称的，反映在晶体外形上即是图 3 所示的镜像对称。正是由于旋光性的存在，当将石英晶片(光轴与表面垂直)置于正交的两个偏振器之间观察其会聚光照射下的干涉图样时，图样的中心不是暗点，而几乎总是亮的。 对于具有旋光特性的溶液，

5、光振动方向旋转的角度还与溶液的浓度成正比，=cl ，式中,称为溶液的比旋光率；c为溶液浓度。在实际应用中,可以根据光振动方向转过的角度,确定该溶液的浓度。图图 3 3 右旋石英与左旋石英右旋石英与左旋石英 2.2.自然旋光现象的理论解释自然旋光现象的理论解释 菲涅耳假设菲涅耳假设 1825 1825 年，菲涅耳对旋光现象提出了一种唯象的解释。年，菲涅耳对旋光现象提出了一种唯象的解释。按照他的假设，可以把进入旋光介质的线偏振光看作是右旋圆按照他的假设，可以把进入旋光介质的线偏振光看作是右旋圆偏振光和左旋圆偏振光的组合。菲涅耳认为：在各向同性介质偏振光和左旋圆偏振光的组合。菲涅耳认为：在各向同性介

6、质中，线偏振光的右、左旋圆偏振光分量的传播速度中，线偏振光的右、左旋圆偏振光分量的传播速度v vR R和和v vL L相等，相等，因而其相应的折射率因而其相应的折射率NrNr = = c c/ Vr/ Vr和和Nl = Nl = c/Vlc/Vl 相等；在旋光介相等；在旋光介质中，右、左旋圆偏振光的传播速度不同，其相应的折射率也质中，右、左旋圆偏振光的传播速度不同，其相应的折射率也不相等。在右旋晶体中，右旋圆偏振光的传播速度较快，不相等。在右旋晶体中，右旋圆偏振光的传播速度较快，VrVr VlVl ( (或者或者VrVr VrVr ( (或者或者VlVl v vL L，即，即n nR R v

7、vR R，即，即n nL L v vL L, ,即即n nR R n nL L。所。所以，在界面以，在界面AEAE上，左旋光远离法线方向折射，右旋光靠近法线上，左旋光远离法线方向折射，右旋光靠近法线方向折射，于是左、右旋光分开了。在第二个界面方向折射，于是左、右旋光分开了。在第二个界面CECE上，左旋上，左旋光靠近法线方向折射，右旋光远离法线方向折射，于是两束光光靠近法线方向折射，右旋光远离法线方向折射，于是两束光更加分开了。在界面更加分开了。在界面CDCD上，两束光经折射后进一步分开。这个上，两束光经折射后进一步分开。这个实验结果，证实了左、右旋圆偏振光传播速度不同的假设。实验结果，证实了左

8、、右旋圆偏振光传播速度不同的假设。二二、磁光效应磁光效应 法拉第法拉第(Faraday)(Faraday)效应效应 上述旋光现象是旋光介质固有的性质，因此可以叫作自然圆双折射。与上述旋光现象是旋光介质固有的性质，因此可以叫作自然圆双折射。与感应双折射类似，也可以通过人工的方法产生旋光现象。介质在强磁场作用感应双折射类似，也可以通过人工的方法产生旋光现象。介质在强磁场作用下产生旋光现象的效应叫磁致旋光效应，或者简称为磁光效应。磁光效应，下产生旋光现象的效应叫磁致旋光效应，或者简称为磁光效应。磁光效应，又叫做法拉第效应，它是由法拉第于又叫做法拉第效应，它是由法拉第于18461846年首先发现的。年

9、首先发现的。18461846年，法拉第发年，法拉第发现，在磁场的作用下，本来不具有旋光性的介质也产生了旋光性，能够使线现，在磁场的作用下，本来不具有旋光性的介质也产生了旋光性，能够使线偏振光的振动面发生旋转，这就是法拉第效应。观察法拉第效应的装置结构偏振光的振动面发生旋转，这就是法拉第效应。观察法拉第效应的装置结构如图如图 5 5 所示：将一根玻璃棒的两端抛光，放进螺线管的磁场中，再加上起偏所示：将一根玻璃棒的两端抛光，放进螺线管的磁场中，再加上起偏器器P P1 1和检偏器和检偏器P P2 2, ,让光束通过起偏器后顺着磁场方向通过玻璃棒，光矢量的方让光束通过起偏器后顺着磁场方向通过玻璃棒，光

10、矢量的方向就会旋转，旋转的角度可以用检偏器测量。向就会旋转，旋转的角度可以用检偏器测量。图图 5 5 法拉第效应法拉第效应 后来，维尔德后来，维尔德(Verdet(Verdet) )对法拉第效应进行了仔细的研对法拉第效应进行了仔细的研究，发现光振动平面转过的角度与光在物质中通过的长度究，发现光振动平面转过的角度与光在物质中通过的长度l l和磁感应强度和磁感应强度B B成正比，即：成正比，即：= =VBl VBl 式中，式中，V V是与物质性质有关的常数，是与物质性质有关的常数，叫维尔德常数。叫维尔德常数。 实验表明，法拉第效应的旋光方向决定于外加磁场方实验表明，法拉第效应的旋光方向决定于外加磁

11、场方向，与光的传播方向无关，即法拉第效应具有不可逆性，这向，与光的传播方向无关，即法拉第效应具有不可逆性，这与具有可逆性的自然旋光效应不同。例如，线偏振光通过天与具有可逆性的自然旋光效应不同。例如，线偏振光通过天然右旋介质时，迎着光看去，振动面总是向右旋转，所以，然右旋介质时，迎着光看去，振动面总是向右旋转，所以，当从天然右旋介质出来的透射光沿原路返回时，振动面将回当从天然右旋介质出来的透射光沿原路返回时，振动面将回到初始位置。但线偏振光通过磁光介质时，如果沿磁场方向到初始位置。但线偏振光通过磁光介质时，如果沿磁场方向传播，迎着光线看，振动面向右旋转角度传播，迎着光线看，振动面向右旋转角度，而

12、当光束沿反，而当光束沿反方向传播时，振动面仍沿原方向旋转，即迎着光线看振动面方向传播时，振动面仍沿原方向旋转，即迎着光线看振动面向左旋转角度向左旋转角度，所以光束沿原路返回，一来一去两次通过，所以光束沿原路返回，一来一去两次通过磁光介质，振动面与初始位置相比，转过了角度磁光介质，振动面与初始位置相比，转过了角度 2 2。三、三、磁光效应的应用磁光效应的应用 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。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、

13、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。1.1.磁光存储磁光存储 磁光存储材料是一种利用克尔磁光效应的磁写入光读出来记录、改写、删除信息的载体材料。它汇聚了光存储和磁存储的优点，已广泛应用于国家管理、军事、航空航天、石油矿产、交通等需要大规模数据实时收集、记录、存储及分析的领域。磁光存储材料主要有以下三种、铋系合金薄膜、铋系合金薄膜：Mn Bi 薄膜是研究最早的磁光存储材料之一。但因其存在居里温度高（360）、磁光旋转角偏小、信噪比低、存在强烈的晶界散射等缺点而使其应用与发展受到大大的限制。、稀土、稀土- -过渡金属非晶膜（过渡金属非晶膜（RE-TMRE-TM）：）：R

14、E-TM是近期研究比较多的磁光存储材料之一。RE-TM信噪比较高，且易于在各种衬底上制备大面积均匀膜。但其存在磁光效应不够大、易氧化、化学稳定性和热稳定性差等缺点，不利于信息的长期可靠存储。、稀土铁石榴石：、稀土铁石榴石：稀土铁石榴石被公认为是最有应用前景的新一代磁光存储介质。此类晶体的物理化学性能稳定，耐腐蚀，耐高温，磁光偏转角大，且在近红外波段透明，可制成多层膜磁光盘。2 2、磁光调制器磁光调制器 磁光调制器是利用偏振光通过磁光介质发生偏振面旋转来调制光束的。磁光调制器可用作红外检测器的斩波器、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。

15、早先用来做磁光调制器的是磁光玻璃，后来出现了钇铁石榴石（YIG），在1.15.5m 波长区有高的透明度和比法拉第角。掺 Ga 的 YIG 单晶外延薄膜式磁光材料的比法拉第角高达 103104rad/cm，且对可见光也有一定透明度，更适宜制作磁光调制器。3 3、光纤电流传感器、光纤电流传感器 利用 Faraday 效应可以制成光纤电流传感器，与传统的电磁式电流传感器相比，具有绝缘性能优良、动态范围大、频率响应宽、抗电磁干扰能力强、体积小、重量轻、易与数字设备接口等优点。但由于传感光纤绕成环形会引起线性双折射，降低传感器的精度，同时使信号输出随温度的变化而失真，因此克服光纤内线性双折射问题是十分关

16、键的技术。 目前，国外在这方面的研究已取得很大进展，如日本东芝公司和电力公司最近研制出的扭转型光纤对消除线性双折射效果显著。为了提高磁光效应的灵敏度，开始考虑采用顺磁性玻璃，尤其是Tb3+掺杂法拉第磁光玻璃，因其 Verdet 常数大，光透过率高，具有广阔的应用前景。4 4、 磁光开关磁光开关 磁光开关采用的物理机理是法拉第效应，通过控制磁光晶体的磁化强度进而控制传输光偏振面的旋转。通过外加磁场的改变来改变磁光晶体对入射偏振光偏振面的作用，从而达到切换光路的效果。磁光开关有块状、薄膜状和光纤型三种。相对其他非机械式光开关而言，磁光开关具有速度快、磁滞小、耗能小、稳定性好、驱动电压低、串扰小、体

17、积小、易于高度集成等优点，并且其整体结构柔性可弯曲，可卷成光纤圈，灵敏度相对提高。但是，磁光开关的不足之处在于磁光材料的性能有待于进一步的改善和优化，以增高透光率和降低损耗。 磁光材料和磁光器件大多涉及高技术领域，是技术密集、知识密集型的尖端项目，又是具有显著经济和社会效益的项目，有着诱人的发展前景。因此，对磁光材料和磁光器件的深入研究显得尤为重要和迫切。近年来，对磁光特性的研究也日益深入，新的磁光材料不断发现。目前，相对于材料实验研究的进展，理论研究方面还有待加强，如进一步研究磁光效应产生的物理机制和磁光材料光吸收的本质，以便更好地运用理论来指导和解决生产和实践中遇到的问题，以制备出适合于器

18、件要求的高性能磁光材料和磁光器件。参考文献：参考文献：1 周静, 王选章, 谢文广. 磁光效应及其应用J. 现代物理知识, 2005, 17(5): 47-49. 2 赵建林.光学M. 北京: 北京高等教育出版社, 2005. 311-312. 3 祈学孟 . 一种高弗尔德常数磁敏旋光玻璃 : 中国 , 951062794 P. 1996-6-19. 4 周蓓明, 王标, 毛涵芬, 等. TG28 磁光玻璃J. 中国激光, 1996, 23: 857-860. 14 潘应天, 刘贤德, 李再光. 磁性液体磁光特性及其应用研究J. 红外技术, 1992, 14(5): 41-45. 15 任广军, 姚建铨, 王鹏, 等. 液晶磁致旋光的研究J.物理学报, 2007, 56(2): 994-998. 16 黄敏, 张守业. 石榴石型磁光存储材料J. 材料科学与工程, 1997, 15(4): 43-46. 17 艾延宝, 金永君. 法拉第磁致旋光效应及应用J. 物理与工程, 2002, 12(5): 50-51. 18 徐时清, 杨中民, 戴世勋, 等. Tb 掺杂 Faraday 磁光玻璃的研究进展J. 硅酸盐学报, 2003, 31(4): 377-381. 谢谢！谢谢！ 磁旋光材料的应用 2、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