磁光晶体材料的研究现状与发展趋势的概况.doc

磁光晶体材料的研究现状与发展趋势δ1.1磁光晶体的定义晶体在外磁场的作用下，线偏振光通过该晶体时光的偏振面发生旋转的现象称为法拉弟效应．此种晶体称为磁旋光晶体，简称磁光晶体δ1.2磁光晶体材料的发现 历史上对光和磁的关系的探索也是一个很重要的问题, 虽则这个问题没有电磁现象那样突出, 但是就其所达到的理论高度和为之所付出的努力而言, 前者是不逊于后者的人类对光磁的关系的认识, 是从晶体的自然旋光性现象开始的阿喇戈发现的偏振光通过石英晶体时的旋转现象( 1811年 ) 和法拉第发现的电磁旋转现象( 1821年 ) 是一组类似的现象〔1 〕后来经过一系列的实验与实践，磁光材料被开始应用于器件的制作，磁光晶体也在其中逐渐发现并加以应用δ1.3磁光晶体材料的应用 　磁光晶体主要应用在光纤通信与集成光学器件、计算机存储、逻辑运算和传输功能、磁光显示、磁光记录、微波新型器件及激光陀螺等领域各种器件需要的磁光晶体材料都不同，随着磁光晶体材料的不断发现，可用以器件的范围也在不断扩大б2 基本原理δ2.1磁光效应磁光效应是指处于磁化状态的物质与光之间发生相互作用而引起的各种光学现象包括法拉第效应、克尔磁光效应、塞曼效应和科顿-穆顿效应等。

这些效应均起源于物质的磁化，反映了光与物质磁性间的联系δ2.2法拉第效应1845 年法拉第（Michal Faraday）发现玻璃在强磁场的作用下具有旋光性，加在玻璃棒上的磁场引起了平行于磁场方向传播的线偏振光偏振面的旋转此现象被称为法拉第效应 法拉第效应第一次显示了光和电磁现象之间的联系促进了对光本性的研究之后费尔德（Verdet）对许多介质的磁致旋转进行了研究，发现法拉第效应在固体、液体和气体中都存在大部分物质的法拉第效应很弱，掺稀土离子玻璃的费尔德常数稍大近年来研究的YIG等晶体的费尔德常数较大，从而大大提高了实用价值法拉第效应有许多重用的应用，尤其在激光技术发展后，其应用价值倍增如用于光纤通讯系统中的磁光隔离器，因为偏振面的磁致旋转取决于磁场的方向，与光的传播方向无关，由此可设计成光隔离器，使光沿规定的方向通过同时阻挡反向传播的光，从而减少光纤中器件表面反射光对光源的干扰；磁光隔离器也被广泛用于激光多级放大技术和高分辨的激光光谱技术，激光选模等技术中法拉第效应的弛豫时间不大于10-10秒量级在激光通讯，激光雷达等技术中已发展成类似微波器件的光频环行器、调制器等，利用法拉第效应的调制器（磁光调制器）在1m～5m的红外波段将起重用作用。

且磁光调制器需要的驱动功率较电光调制器小的多对温度稳定性的要求也较低所以磁光调制是激光调制技术的重用组成之一，也常用于激光强度的稳定装置又如作为重要的传感机理应用于电工测量技术中在磁场测量方面，利用它弛豫时间短（约10-10秒）的特点制成的磁光效应磁强计可测量脉冲强磁场、交变强磁场；利用它对温度不敏感的特点，磁光效应磁强计可适用于较宽的温度范围，如等离子体中强磁场、低温超导磁场；在电流测量方面，利用电流的磁效应和光纤材料的法拉第效应，可测量几千个安培的大电流或几千KV的高压电流等法拉第效应示意图其中θ是法拉第转角 ，L是样品长度，H是磁场强度 关系式：θF = HLV V 为Verdet 常数，是物质固有的比例系数δ2.3克尔磁光效应克尔磁光效应就是入射的线偏振光在已磁化的物质表面反射时，振动面发生旋转的现象，1876年由J.克尔发现克尔磁光效应分极向、纵向和横向三种，分别对应物质的磁化强度与反射表面垂直、与表面和入射面平行、与表面平行而与入射面垂直三种情形极向和纵向克尔磁光效应的磁致旋光都正比于磁化强度，一般极向的效应最强，纵向次之，横向则无明显的磁致旋光克尔磁光效应的最重要应用是观察铁磁体的磁畴（见磁介质、铁磁性）。

不同的磁畴有不同的自发磁化方向，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作动态观察 克尔磁光效应示意图 塞曼效应示意图δ2.4塞曼效应 塞曼效应是1896年由荷兰物理学家塞曼发现的.他发现，原子光谱线在外磁场发生了分裂随后洛仑兹在理论上解释了谱线分裂成3条的原因这种现象称为“塞曼效应” 塞曼效应是继1845年法拉第效应和1875年克尔效应之后发现的第三个磁场对光有影响的实例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，被认为是19世纪末20世纪初物理学最重要的发现之一利用塞曼效应可以测量电子的荷质比在天体物理中，塞曼效应可以用来测量天体的磁场 δ2.5科顿-穆顿效应 科顿-穆顿效应又称磁双折射效应，简记为MLB是1907年A.科顿和H.穆顿在液体中发现光在透明介质中传播时，若在垂直于光的传播方向上加一外磁场，则介质表现出单轴晶体的性质，光轴沿磁场方向，主折射率之差正比于磁感应强度的平方。

此效应也称磁致双折射 科顿-穆顿效应示意图W.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，称为磁二向色性效应 　　类似于电场的克尔效应，某些透明液体在磁场作用下变为各向异性，性质类似于单轴晶体，光轴平行磁场б3 分类δ3.1晶体材料的分类 晶体的性能通常分为固有物性和功能物性．晶体常按功能物性进行分类，主要有以下9种: ①压电晶体：在外力作用下发生变形时，其表面产生电荷效应的晶体．可制成换能器、拾音器、振子以及传感器．最初采用酒石酸钾钠一类水溶性晶体，现已为性能优良的人工水晶、四硼酸锂(Li2B4O7)、铌酸锂(LiNbO3)、钽酸锂(LiTaO3)等取代 ②激光晶体：已获得有激光输出的晶体有数百种以上，但真正成为激光工作物质的主要是红宝石(Al2O3∶Cr，激光波长为0.6943μm)、钇铝石榴石(Y3Al5O12∶Nd．1.065μm)．对激光晶体的研究主要是向波长可调谐(如BeAlO4∶Cr，Al2O3∶Ti)、高效率和大功率(钇镓石榴石系列)、多功能(LiNbO3∶Mg、Fe等)的方向发展。

③电光晶体：在外加电场作用下折射率发生变化，从而使通过晶体的一束激光分解为两束偏振方向相互垂直的偏振光，并产生一相位差效应的晶体．适用于激光的调制和偏振．常用的电光晶体有铌酸锂、钽酸锂以及磷酸二氢钾(KDP)类晶体 ④声光晶体：具有声光效应的晶体．主要有二氧化碲(TeO2)和钼酸铅(PbMoO4)．适用于激光的偏振和调制 ⑤非线性光学晶体：组成晶体的原子因外层电子在光作用下偏离其平衡位置而发生极化．常用的有磷酸二氢钾类晶体、铌酸锂、铌酸钾以及偏硼酸钡(BaB2O4)、三硼酸锂(LiB3O5)晶体 ⑥光折变晶体：在光的作用下可引起折射率变化的晶体．主要有钛酸钡(BaTiO3)、硅酸铋(Bi12SiO20)、铌酸锂、铌酸钡钠(Ba2NaNb5O15)等 ⑦热释电晶体：在外界温度变化时由其自发极化引起表面电荷效应的晶体．可用于制备热释电探测器．主要有铌酸锂、钽酸锂等 ⑧闪烁晶体：具有闪烁效应的晶体．广泛用于测量核辐射能量．20世纪80年代中，用坩埚下降法生长的大尺寸锗酸铋(Bi4Ge3O12)晶体，取代掺铊的碘化钠(NaI∶Tl)晶体，成为性能最佳的闪烁晶体．其他如氟化钡(BaF2)、氟化铈(CeF3)、氟化铅(PbF2)等正在研制中．⑨磁光晶体：具有较大的纯法拉第效应，对使用波长的吸收系数低，磁化强度和磁导率高．用于制作光隔离器、光非互易元件、磁光存储器及磁光调制器等。

此外，晶体材料按来源又分为天然晶体和人工晶体，后者应用较多．广泛使用的晶体材料主要有人工水晶、磷酸钛氧钾晶体、铌酸锂晶体、锗酸铋晶体、四硼酸锂晶体、磷酸二氢钾晶体、钇铝石榴石、合成云母和氟化钡等．处于研究阶段的还有C60及其化合物．晶体材料广泛用于激光技术、电子技术、生物医学、高能物理及家用电器等方面б4 研究现状δ4.1磁光晶体材料的应用领域磁光晶体材料具有较大的纯法拉第效应，使用波长的吸收系数低，磁化强度和磁导率高．主要应用于制作光隔离器、光非互易元件、磁光存储器及磁光调制器、光纤通信与集成光学器件、计算机存储、逻辑运算和传输功能、磁光显示、磁光记录、微波新型器件、激光陀螺等随着磁光晶体材料的不断发现，可应用制作的器件范围也将随之变大δ4.2基于磁光晶体材料制作的一些器件介绍1 光隔离器 光隔离器是一种只允许单向光通过的无源光器件，其工作原理是基于法拉第旋转的非互易性通过光纤回波反射的光能够被光隔离器很好的隔离光隔离器主要利用磁光晶体的法拉第效应光隔离器的特性是：正向插入损耗低，反向隔离度高，回波损耗高 光隔离器是允许光向一个方向通过而阻止向相反方向通过的无源器件，作用是对光的方向进行限制，使光只能单方向传输，通过光纤回波反射的光能够被光隔离器很好的隔离，提高光波传输效率。

光隔离器 2 光纤电流传感器现代工业的高速发展，对电网的输送和检测提出了更高的要求，传统的高压大电流的测量手段将面临严峻的考验．随着光纤技术和材料科学的发展而发展起来的光纤电流传感系统，因具有很好的绝缘性和抗干扰能力，较高的测量精度，容易小型化，没有潜在的爆炸危险等一系列优越性，而受到人们的广泛重视．光纤电流传感器的主要原理是利用磁光晶体的法拉弟效应．根据臼F=VlHL，通过对法拉弟旋转角0F的测量，可得到电流所产生的磁场强度，从而可以计算出电流大小．由于光纤具有抗电磁干扰能力强、绝缘性能好、信号衰减小的优点，因而在法拉弟电流传感器研究中，一般均采用光纤作为传输介质，其工作原理如下图： 光纤电流传感器示意图激光束通过光纤，并经起偏器产生偏振光，经自聚焦透镜人射到磁光晶体:在电流产生的外磁场作用下，偏振面旋转θF角度；经过检偏器、光纤，进人信号检测系统，通过对θF的测量得到电流值．当设置系统中两偏振器透光主轴的夹角为45°，经过传感系统后的出射光强为: l=(Io／2)(1+sin2θF) 式中Io为入射光强．通过对出射光强的测量，就可以得出θF，从而可测出电流的大小．3 激光陀螺激光陀螺是一种不用外部参考而用Sagnac效应的光学方法来敏感测量旋转体的旋转角速度的新型固态惯性器件．Sagnac效应就是在环形光路中，当环路相对于惯性空间以角速度Ωr转动时，顺、逆时针的光程将产生差值△L，△L=△S·Ωr／C，这种效应被称为Sagna。