磁光效應(yīng)及其應(yīng)用

摘要 本文簡介了磁光效應(yīng)(包括法拉第效應(yīng)、克爾效應(yīng)、塞曼效應(yīng)和磁線振雙折射效應(yīng)等)的基本理論以及各種磁光器件的特性及原理。

關(guān)鍵詞 磁光效應(yīng) 磁光調(diào)制器 磁光隔離器 磁光感應(yīng)器

中圖分類號(hào)： O482 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：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

隨著光通信技術(shù)和光信息處理技術(shù)的發(fā)展，磁光效應(yīng)以及各種磁光器件顯示了獨(dú)特的性能和廣闊的應(yīng)用前景，并促使人們對(duì)磁光效應(yīng)的研究和應(yīng)用逐漸向深度和廣度發(fā)展。本文主要闡述了磁光效應(yīng)的基本理論及其應(yīng)用。

1 磁光效應(yīng)

一束入射光進(jìn)入具有固有磁矩的物質(zhì)內(nèi)部傳輸或者在物質(zhì)界面反射時(shí)，光波的傳播特性，如偏振面、相位或者散射特性會(huì)發(fā)生變化，這個(gè)物理現(xiàn)象稱為磁光效應(yīng)。①它是光與具有磁矩的物質(zhì)相互作用而產(chǎn)生的一系列現(xiàn)象。磁光效應(yīng)包括法拉第效應(yīng)、克爾效應(yīng)、塞曼效應(yīng)、磁線振雙折射等。法拉第效應(yīng)和克爾效應(yīng)是研究最多、應(yīng)用最廣的磁光效應(yīng)。

1.1 法拉第效應(yīng)

1845年，英國物理學(xué)家法拉第發(fā)現(xiàn)一束線偏振光沿外磁場方向通過玻璃后，透射光的偏振面發(fā)生了旋轉(zhuǎn)。這是歷史上首次發(fā)現(xiàn)磁光效應(yīng)。法拉第效應(yīng)的大小用法拉第旋轉(zhuǎn)角（如圖1）來描述。光線透射后能發(fā)生偏振面的旋轉(zhuǎn)的物質(zhì)稱為旋光物質(zhì)（如石英晶體、酒石酸溶液等），旋光物質(zhì)又有左旋物質(zhì)和右旋物質(zhì)之分。當(dāng)一束光線偏振光沿正反兩個(gè)方向透射過某旋光物質(zhì)時(shí)，透射光的偏振面的旋轉(zhuǎn)方向是相反的，這是一種互易性旋光物質(zhì)，一般旋光物質(zhì)都具有這種特性。而發(fā)生法拉第效應(yīng)的物質(zhì)的旋轉(zhuǎn)方向與入射光的傳播方向無關(guān)，是由磁場的方向決定，當(dāng)光線正反兩次透射過該物質(zhì)時(shí)，透射光的偏振面的偏轉(zhuǎn)角將加倍，這就是法拉第效應(yīng)的非互易性。法拉第效應(yīng)的應(yīng)用非常廣泛，可用于物質(zhì)結(jié)構(gòu)的研究和光譜學(xué)等領(lǐng)域，利用法拉第磁光效應(yīng)原理可制作光隔離器、回轉(zhuǎn)器、磁光開關(guān)和環(huán)行器等磁光器件。

1.2 克爾效應(yīng)

1877年，克爾發(fā)現(xiàn)鐵磁體對(duì)反射光的偏振狀態(tài)也會(huì)產(chǎn)生影響，這就是磁光克爾效應(yīng)（如圖1）。根據(jù)介質(zhì)中磁化強(qiáng)度的不同方向，磁光克爾效應(yīng)包括三種情況：（1）縱向克爾效應(yīng)，即磁化強(qiáng)度既平行于介質(zhì)表面又平行于光線的入射面時(shí)的克爾效應(yīng)；（2）極向克爾效應(yīng)，即磁化強(qiáng)度與介質(zhì)表面垂直時(shí)發(fā)生的克爾效應(yīng)；（3）橫向克爾效應(yīng)，即磁化強(qiáng)度與介質(zhì)表面平行時(shí)發(fā)生的克爾效應(yīng)。克爾效應(yīng)的最重要應(yīng)用是觀察鐵磁材料中的磁疇，不同的磁疇有不同的自發(fā)磁化方向，因而引起反射光振動(dòng)面的不同旋轉(zhuǎn)，通過偏振片觀察反射光時(shí)，將觀察到與各磁疇對(duì)應(yīng)的明暗不同的區(qū)域，用此方法還可對(duì)磁疇變化進(jìn)行靜態(tài)或動(dòng)態(tài)觀察。另外，對(duì)于磁光存儲(chǔ)技術(shù)的研究磁光克爾效應(yīng)有著極其重要的作用。

圖1法拉第效應(yīng)和克爾效應(yīng)示意圖

1.3 塞曼效應(yīng)

塞曼效應(yīng)是荷蘭物理學(xué)家塞曼在1896年發(fā)現(xiàn)的。他發(fā)現(xiàn)，原子光譜線在外磁場作用下分裂成若干條譜線，分裂的條數(shù)隨能級(jí)的類別而不同，隨后洛倫茲在理論上解釋了譜線分裂的原因。塞曼效應(yīng)證實(shí)了原子磁矩的空間量子化，為研究原子結(jié)構(gòu)提供了重要途徑。塞曼效應(yīng)也可以用來測量天體的磁場。1908年美國天文學(xué)家海爾等人利用塞曼效應(yīng)，首次測量到了太陽黑子的磁場。

1.4 科頓－穆頓效應(yīng)

科頓－穆頓效應(yīng)是1907年科頓和穆頓發(fā)現(xiàn)的。當(dāng)光的傳播方向與磁場垂直時(shí)，平行于磁場方向的線偏振光的相速不同于垂直于磁場方向的線偏振光的相速而產(chǎn)生的雙折射的現(xiàn)象，也稱為磁線振雙折射效應(yīng)。佛克脫在氣體中也發(fā)現(xiàn)了同樣效應(yīng)，稱佛克脫效應(yīng)，它比前者要弱得多。當(dāng)介質(zhì)對(duì)兩種互相垂直的振動(dòng)有不同吸收系數(shù)時(shí)，就表現(xiàn)出二向色性的性質(zhì)，稱為磁線振二向色性效應(yīng)。

2 磁光效應(yīng)的應(yīng)用

雖然法拉第早在1845年就發(fā)現(xiàn)了磁光效應(yīng)，但在其后相當(dāng)長的時(shí)間內(nèi)并未獲得實(shí)質(zhì)性的應(yīng)用，只是不斷在發(fā)現(xiàn)新的磁光效應(yīng)和建立初步的磁光理論。直到1956年，貝爾實(shí)驗(yàn)室的狄龍等②③在偏光顯微鏡下，應(yīng)用透射光觀察到釔鐵石榴石單晶材料中的磁疇結(jié)構(gòu)，才使得磁光效應(yīng)的研究向應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)展。特別是20世紀(jì)60年代初，由于激光的誕生及光電子技術(shù)的開發(fā)，對(duì)物質(zhì)的磁性和磁光性能的研究才走上快速發(fā)展道路。釔鐵石榴石晶體是美國的貝爾公司在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單晶薄膜式磁光材料，這是磁光材料發(fā)展的一個(gè)重要的突破。隨著磁光理論的逐步完善和大量的磁光材料被研究合成，許多磁光器件被研制出來，如磁光調(diào)制器、磁光隔離器、磁光傳感器、磁光環(huán)行器和磁光盤存儲(chǔ)器等。

2.1 磁光調(diào)制器

磁光調(diào)制器是利用偏振光通過磁光介質(zhì)，透射光的偏振面發(fā)生旋轉(zhuǎn)來調(diào)制光束。磁光調(diào)制器的應(yīng)用非常廣泛，可作紅外檢測器的斬波器，可制成紅外輻射高溫計(jì)、高靈敏度偏振計(jì)等。磁光調(diào)制器的原理是將電信號(hào)先轉(zhuǎn)換成與之對(duì)應(yīng)的交變磁場，由磁光效應(yīng)改變?cè)诮橘|(zhì)中傳輸?shù)墓獠ǖ钠駪B(tài)，從而達(dá)到改變光強(qiáng)等參的目的。

2.2 磁光隔離器

隨著光纖通信、光信息處理和磁光記錄等技術(shù)的高速發(fā)展，光源的穩(wěn)定性就顯得至關(guān)重要。各種反射光都會(huì)嚴(yán)重干擾光源的正常輸出，從而影響了整個(gè)系統(tǒng)的正常工作。磁光隔離器就是防止反向傳輸?shù)母蓴_光對(duì)光源的影響，提高系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性。光隔離器的工作原理：當(dāng)光正向入射時(shí)，通過起偏器后成為線偏振光，再通過磁光介質(zhì)與外磁場使光的偏振方向右旋45度，并恰好能通過與起偏器成45度放置的檢偏器。而對(duì)于反向光，由檢偏器射入的線偏振光經(jīng)過放置介質(zhì)時(shí)，偏轉(zhuǎn)方向也右旋轉(zhuǎn)45度，從而使反向光的偏振方向與起偏器方向成90度，無法通過起偏器，從而實(shí)現(xiàn)正向通過，反向隔離的目的。

2.3 磁光傳感器

現(xiàn)代工業(yè)的高速發(fā)展，對(duì)電網(wǎng)的輸送和檢測的要求更高。如今電測技術(shù)日趨成熟，由于電測技術(shù)具有精度高、便于微機(jī)相連實(shí)現(xiàn)自動(dòng)實(shí)時(shí)處理等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用在電氣量和非電氣量的測量中。光纖電流傳感器具有很好的絕緣性和抗干擾能力以及較高的測量精度，容易小型化。磁光效應(yīng)傳感器就是利用激光技術(shù)發(fā)展而成的高性能傳感器。光纖電流傳感器是根據(jù)法拉第效應(yīng)原理，當(dāng)一束線偏振光通過置于磁場中的磁光材料時(shí)，光的偏振方向發(fā)生改變來實(shí)現(xiàn)傳感器的功能。磁光效應(yīng)傳感器作為一種特定用途的傳感器，能夠在特定的環(huán)境中發(fā)揮自己的功能，也是一種非常重要的工業(yè)傳感器。

2.4 磁光記錄

磁光記錄是近年來發(fā)展起來的高新技術(shù)，是存儲(chǔ)技術(shù)的一大飛躍發(fā)展。磁光記錄是目前最先進(jìn)的信息存儲(chǔ)技術(shù)，它兼有磁記錄和光記錄兩者的優(yōu)點(diǎn)，磁光記錄兼有光記錄的大容量和磁記錄的可重寫性。磁光存貯是通過激光的熱效應(yīng)，改變稀土非晶合金薄膜的磁化矢量的取向，產(chǎn)生磁化矢量垂直于膜面的磁疇，利用該磁疇進(jìn)行信息的寫入。改變施加的磁場方向，經(jīng)過同一激光的作用后就可逐點(diǎn)擦除已被記錄的信息。磁光記錄的讀出是利用磁光克爾效應(yīng)對(duì)記錄信號(hào)進(jìn)行讀出。

2.5 磁光環(huán)行器

隨著光纖通信技術(shù)在通信領(lǐng)域的應(yīng)用，具有光的非互易性和自光行進(jìn)方向耦合端循環(huán)的磁光環(huán)行器被廣泛應(yīng)用于光纖通信技術(shù)中。利用環(huán)行器可在一根光纖內(nèi)傳輸兩個(gè)不同方向的信號(hào)，從而大大減小了系統(tǒng)的體積和成本。磁光環(huán)行器一般為四端環(huán)行器，光從端口1→2→3→4→1進(jìn)行傳輸。四端環(huán)行器由一對(duì)偏振光分束器、全反射棱鏡、45度石英旋轉(zhuǎn)器、45度法拉第旋轉(zhuǎn)器組成。

隨著時(shí)代的進(jìn)步、科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)磁光特性的研究必將日益深入，新的磁光材料也會(huì)不斷被發(fā)現(xiàn)，磁光學(xué)必將獲得更大的發(fā)展，磁光材料、器件和測量技術(shù)將會(huì)展現(xiàn)出更廣闊的應(yīng)用空間。

參考文獻(xiàn)

[1]劉公強(qiáng)等.磁光學(xué).上海:上海科學(xué)技術(shù)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.