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第十章 磁光材料n10.1 磁光效应及其特征n10.2磁光材料n10.3磁光材料的应用10.1 磁光效应及其特征n10.1.1光的基本概念n10.1.2法拉第效应n10.1.3科顿-莫顿效应n10.1.4克尔效应n10.1.5塞曼效应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；n 设一单色平面波沿轴方向传播，根据光的横波性，可将其电n 矢量写成：（10-1）式中光波长；光波的圆频率或角频率；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）当 时，式（10-2）成为：（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10.1.2法拉第效应（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或逆磁性 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 （10-5）式中 费尔德常数。在铁磁性或反铁磁介质中，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10.1.3科顿-莫顿效应 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，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10.1.4克尔效应 一束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 （2）横向克尔效应 （3）纵向克尔效应 克尔效应的测量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 间隔大小与磁场强度成正比，这一磁光效应称塞曼效 应。10.2 磁光材料n10.2.1 磁旋光材料n10.2.2 磁光存储材料10.2.1 磁旋光材料n（1）磁光晶体 1、石榴石单晶 2、尖晶石晶体n（2）磁光薄膜 1、石榴石单晶薄膜 2、合金薄膜（3）磁光玻璃 三种玻璃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。10.2.2 磁光存储材料n（1）MnBi多晶材料n（2）非晶态材料n（3）石榴石薄膜10.3 磁光材料的应用n10.3.1 磁旋光材料的应用n10.3.2 磁光材料非互易性的应用n10.3.3 磁光存储材料的应用10.3.1 磁旋光材料的应用（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 (10-11)式中 是交变法拉第旋转 的幅度，称为调制幅度。由于交变磁场引起的法拉第旋转使输出光强幅度变化（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。（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。n1、钇铁石榴石单晶磁光调制器n2、石榴石单晶薄膜磁光调制器n3、玻璃磁光调制器n4、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。（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。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，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。常用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)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；二个相反方向的强度传递函数，因子1/8来源于耦合器耦合损耗。互易补偿信号定义为 (10-29)全光纤传感头结构的传感器，强度传递函数为 (10-30)和 (10-31)其中 和 分别表示的实部和虚部。10.3.2 磁光材料非互易性的应用（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）磁光环行 1、三端口不完全光环行器 2、四端口完全环行器10.3.3 磁光存储材料的应用 当入射光 在记录面反射后，其偏振面对应于向上和向下的磁化方向将旋转 和 。如薄膜的反射率为R，其光强表示为 (10-32)其中为起偏器的角度。代表“1”和“0”的上、下磁化方向信号差为：(10-33)当 时，为最大。