磁光效应及其应用

磁光效应及其应用

作者：缪秀平

来源：《科教导刊》2011年第25期

摘要 本文简介了磁光效应(包括法拉第效应、克尔效应、塞曼效应和磁线振双折射效应等)的基本理论以及各种磁光器件的特性及原理。

关键词 磁光效应 磁光调制器 磁光隔离器 磁光感应器 中图分类号： O482 文献标识码：A

Magneto-optical Effect and Its Applications MIAO Xiuping

(Chemical Engineering Department, Zhenjiang College, Zhenjiang, Jiangsu 212003) AbstractWe introduced the basic theories of magneto-optical effects (including Faraday effect, Kerr effect, Zeeman effect and magnetic linear birefringence effect) and the progress in research of various magneto-optical materials and magneto-optical devices are briefly introduced.

Key wordsmagneto-optical effect; magnetooptic modulator; magnetooptic isolator; magnetooptic sensor

随着光通信技术和光信息处理技术的发展，磁光效应以及各种磁光器件显示了独特的性能和广阔的应用前景，并促使人们对磁光效应的研究和应用逐渐向深度和广度发展。本文主要阐述了磁光效应的基本理论及其应用。 1 磁光效应

一束入射光进入具有固有磁矩的物质内部传输或者在物质界面反射时，光波的传播特性，如偏振面、相位或者散射特性会发生变化，这个物理现象称为磁光效应。①它是光与具有磁矩的物质相互作用而产生的一系列现象。磁光效应包括法拉第效应、克尔效应、塞曼效应、磁线振双折射等。法拉第效应和克尔效应是研究最多、应用最广的磁光效应。 1.1 法拉第效应

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1845年，英国物理学家法拉第发现一束线偏振光沿外磁场方向通过玻璃后，透射光的偏振面发生了旋转。这是历史上首次发现磁光效应。法拉第效应的大小用法拉第旋转角（如图1）来描述。光线透射后能发生偏振面的旋转的物质称为旋光物质（如石英晶体、酒石酸溶液等），旋光物质又有左旋物质和右旋物质之分。当一束光线偏振光沿正反两个方向透射过某旋光物质时，透射光的偏振面的旋转方向是相反的，这是一种互易性旋光物质，一般旋光物质都具有这种特性。而发生法拉第效应的物质的旋转方向与入射光的传播方向无关，是由磁场的方向决定，当光线正反两次透射过该物质时，透射光的偏振面的偏转角将加倍，这就是法拉第效应的非互易性。法拉第效应的应用非常广泛，可用于物质结构的研究和光谱学等领域，利用法拉第磁光效应原理可制作光隔离器、回转器、磁光开关和环行器等磁光器件。 1.2 克尔效应

1877年，克尔发现铁磁体对反射光的偏振状态也会产生影响，这就是磁光克尔效应（如图1）。根据介质中磁化强度的不同方向，磁光克尔效应包括三种情况：（1）纵向克尔效应，即磁化强度既平行于介质表面又平行于光线的入射面时的克尔效应；（2）极向克尔效应，即磁化强度与介质表面垂直时发生的克尔效应；（3）横向克尔效应，即磁化强度与介质表面平行时发生的克尔效应。克尔效应的最重要应用是观察铁磁材料中的磁畴，不同的磁畴有不同的自发磁化方向，因而引起反射光振动面的不同旋转，通过偏振片观察反射光时，将观察到与各磁畴对应的明暗不同的区域，用此方法还可对磁畴变化进行静态或动态观察。另外，对于磁光存储技术的研究磁光克尔效应有着极其重要的作用。

图1法拉第效应和克尔效应示意图 1.3 塞曼效应

塞曼效应是荷兰物理学家塞曼在1896年发现的。他发现，原子光谱线在外磁场作用下分裂成若干条谱线，分裂的条数随能级的类别而不同，随后洛伦兹在理论上解释了谱线分裂的原因。塞曼效应证实了原子磁矩的空间量子化，为研究原子结构提供了重要途径。塞曼效应也可以用来测量天体的磁场。1908年美国天文学家海尔等人利用塞曼效应，首次测量到了太阳黑子的磁场。

1.4 科顿－穆顿效应

科顿－穆顿效应是1907年科顿和穆顿发现的。当光的传播方向与磁场垂直时，平行于磁场方向的线偏振光的相速不同于垂直于磁场方向的线偏振光的相速而产生的双折射的现象，也称为磁线振双折射效应。佛克脱在气体中也发现了同样效应，称佛克脱效应，它比前者要弱得多。当介质对两种互相垂直的振动有不同吸收系数时，就表现出二向色性的性质，称为磁线振二向色性效应。

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2 磁光效应的应用

虽然法拉第早在1845年就发现了磁光效应，但在其后相当长的时间内并未获得实质性的应用，只是不断在发现新的磁光效应和建立初步的磁光理论。直到1956年，贝尔实验室的狄龙等②③在偏光显微镜下，应用透射光观察到钇铁石榴石单晶材料中的磁畴结构，才使得磁光效应的研究向应用领域发展。特别是20世纪60年代初，由于激光的诞生及光电子技术的开发，对物质的磁性和磁光性能的研究才走上快速发展道路。钇铁石榴石晶体是美国的贝尔公司在1958年首先研究成功的新型磁光材料。1972年田炳耕用液相外延法研制成功单晶薄膜式磁光材料，这是磁光材料发展的一个重要的突破。随着磁光理论的逐步完善和大量的磁光材料被研究合成，许多磁光器件被研制出来，如磁光调制器、磁光隔离器、磁光传感器、磁光环行器和磁光盘存储器等。 2.1 磁光调制器

磁光调制器是利用偏振光通过磁光介质，透射光的偏振面发生旋转来调制光束。磁光调制器的应用非常广泛，可作红外检测器的斩波器，可制成红外辐射高温计、高灵敏度偏振计等。磁光调制器的原理是将电信号先转换成与之对应的交变磁场，由磁光效应改变在介质中传输的光波的偏振态，从而达到改变光强等参的目的。 2.2 磁光隔离器

随着光纤通信、光信息处理和磁光记录等技术的高速发展，光源的稳定性就显得至关重要。各种反射光都会严重干扰光源的正常输出，从而影响了整个系统的正常工作。磁光隔离器就是防止反向传输的干扰光对光源的影响，提高系统的工作稳定性。光隔离器的工作原理：当光正向入射时，通过起偏器后成为线偏振光，再通过磁光介质与外磁场使光的偏振方向右旋45度，并恰好能通过与起偏器成45度放置的检偏器。而对于反向光，由检偏器射入的线偏振光经过放置介质时，偏转方向也右旋转45度，从而使反向光的偏振方向与起偏器方向成90度，无法通过起偏器，从而实现正向通过，反向隔离的目的。 2.3 磁光传感器

现代工业的高速发展，对电网的输送和检测的要求更高。如今电测技术日趋成熟，由于电测技术具有精度高、便于微机相连实现自动实时处理等优点，已经广泛应用在电气量和非电气量的测量中。光纤电流传感器具有很好的绝缘性和抗干扰能力以及较高的测量精度，容易小型化。磁光效应传感器就是利用激光技术发展而成的高性能传感器。光纤电流传感器是根据法拉第效应原理，当一束线偏振光通过置于磁场中的磁光材料时，光的偏振方向发生改变来实现传感器的功能。磁光效应传感器作为一种特定用途的传感器，能够在特定的环境中发挥自己的功能，也是一种非常重要的工业传感器。 2.4 磁光记录

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磁光记录是近年来发展起来的高新技术，是存储技术的一大飞跃发展。磁光记录是目前最先进的信息存储技术，它兼有磁记录和光记录两者的优点，磁光记录兼有光记录的大容量和磁记录的可重写性。磁光存贮是通过激光的热效应，改变稀土非晶合金薄膜的磁化矢量的取向，产生磁化矢量垂直于膜面的磁畴，利用该磁畴进行信息的写入。改变施加的磁场方向，经过同一激光的作用后就可逐点擦除已被记录的信息。磁光记录的读出是利用磁光克尔效应对记录信号进行读出。 2.5 磁光环行器

随着光纤通信技术在通信领域的应用，具有光的非互易性和自光行进方向耦合端循环的磁光环行器被广泛应用于光纤通信技术中。利用环行器可在一根光纤内传输两个不同方向的信号，从而大大减小了系统的体积和成本。磁光环行器一般为四端环行器，光从端口

1→2→3→4→1进行传输。四端环行器由一对偏振光分束器、全反射棱镜、45度石英旋转器、45度法拉第旋转器组成。

随着时代的进步、科学技术的发展，对磁光特性的研究必将日益深入，新的磁光材料也会不断被发现，磁光学必将获得更大的发展，磁光材料、器件和测量技术将会展现出更广阔的应用空间。 参考文献

[1]刘公强等.磁光学.上海:上海科学技术出版社,2001. [2]Dillon J F, Jr., J. Appl. Phys., 1958.29:539. [3]Dillon J F, Jr., J. Phys. Radium, 1959.20:374.