磁光效应

磁光效应及其应用演讲：刘国平PPT制作：杜佳星资料收集：夏浩磁光效应及其应用•概述•磁光效应的基本理论•磁致旋光材料及特性•磁光材料的应用概述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。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。磁光效应的概念在磁场的作用下，物质的电磁特性(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称为磁光效应。1.法拉第效应2.克尔效应3.塞曼效应4.磁致双折射效应磁圆振二向色性、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。法拉第效应法拉第效应是指一束线偏振光沿外加磁场方向通过置于磁场中的介质时，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的现象，如图所示。通常，材料中的法拉第转角ΘF与样品长度L和磁场强度H有以下关系：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)克尔效应线偏振光入射到磁光介质表面反射出去时，反射光偏振面相对于入射光偏振面转过一定角度ΘK，此现象称之为克尔效应。磁光克尔效应包括三种情况：（1）极向克尔效应。磁化强度M与介质表面垂直时的克尔效应（图3-9A）。（2）横向克尔效应。磁化强度M与介质表面平行，但垂直于光的入射面时的克尔效应（如图３－9（B））。（3）纵向克尔效应。磁化强度M既平行于介质表面又平行于光入射面时的克尔效应（图3-9（C））。塞曼效应磁场作用下，发光体的光谱线发生分裂的现象称之为塞曼效应。磁致线双折射效应当光以不同于磁场方向通过置于磁场中的介质时，会出现像单轴晶体那样的双折射现象，称为磁致线双折射效应。磁致旋光与自然旋光的区别(1)自然旋光与磁致旋光的旋转方向都与光的传播方向无关，但前者主要取决于物质的结构，后者是由磁场的方向决定的。(2)磁致旋光效应是非互易性效应，而自然旋光效应是互易性效应。即线偏振光经样品介质往返一周时，前者总旋转角将倍增，而后者总旋转角为零。磁致旋光材料1、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。2、晶体薄膜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。磁致旋光材料3、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了广泛的关注。4、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。5、磁光液晶在外磁场作用下，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。磁光材料的应用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。磁光盘是以磁畴形式来储存信息，每个磁畴相当一个存储单元，它的饱和磁化强度MＳ表示信息的含义。在二进制中用“1”和“0”两个状态编码信息，如图3－10（a）所示如果用磁化强度向上的磁畴表示“0”状态，向下表示“1”状态，那就可以用磁介质上M的取向来表达信息了。如图3一10（b）所示，在基片上用溅射法制备一层磁性薄膜，如非晶态札钴膜。它的易磁化方向与膜面垂直，且预先已被磁化为所有M朝上，这就构成了一张可用来记录信息的空白磁光盘。在记录时，磁光盘象唱片那样旋转，激光束象唱针那样沿径向移动，激光的“通”或“断”，由要被记录的信息控制。在激光“通”时，激光脉冲聚焦在磁性薄膜的一点上，而且还有一个与预磁化方向相反的磁场同时加在这一点上。膜上被光照的点温度升高，矫顽力下降。在附加磁场的作用下，磁化强度M的取向变为朝下，成为状态“1”。这样，激光束就在磁光盘上建立了与要被记录的信息相对应的“1”，“0”状态序列。读取信息的原理，如图3一10（c）所示，一束线偏振激光照射磁光盘。磁光盘也象记录时那样旋转，激光束仍沿径向移动。由于极向磁光克尔效应，反射光的偏振面会相对入射光的偏振面旋转一角度θ，旋转的方向取决于Ｍ向上取向还是向下取向。在Ｍ向上的点上，反射光偏振面顺时针偏转。在M向下的点上，反射光偏振面逆时针偏转。图中P１表示起偏器，Ｐ２表示检偏器。调整检偏器的光轴方向，使偏振面顺时针偏转的反射光不能通过，偏振面逆时针偏转的反射光能通过。这样，检偏器之后光的通断再现了记录时的信息，通过光电转换器可转变成电信号。磁光盘读出信号的强弱正比于磁光偏转角θ及反射率R的方根，即正比于θR1/2，提高θ并保持适当高的反射率仍是寻找磁光盘新材料的基点。适于磁化强度与表面垂直的磁光材料有MnBi、MnCuBi、MnAIGe、MnGaGe、PtCo，铁石榴石及稀土过渡族金属非晶合金薄膜。中科院物理所以MnBi为基材料，让较小的A1、Si原子扩散其中，克服了MnBi材料的缺点，将磁光偏转角由过去的0．4～0．7°提高到2°以上，大大改善了性能。磁光材料的应用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。磁光材料的应用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。磁光材料的应用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。参考文献：【1】周静，王选章，谢文广．磁光效应及其应用．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】瓮梓华．基于磁光光纤和高速磁场的全光纤磁光开关研究[D]．杭州：浙江大学，2005.4-13．