个人小论文——磁光晶体的介绍.docx

第一章 磁光晶体的介绍1.1 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1.2 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 称为法拉第效应此种晶体称为磁旋光晶体，简称磁光晶体1.3 磁光晶体的性质磁光晶体具有较大纯法拉第效应并有实用价值的磁光材料都具有磁光效 应，而且多种磁光效应会同时存在有些晶体效应太复杂，而另一些效应则太小， 没有实用价值特性在常温下有大而纯的法拉第效应，对使用波长的低吸收系数、 大的磁化强度和高的磁导率是磁光晶体的主要性能要求这些要求与晶体的组 成、结构和磁性能密切相关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 不断扩大第二章 基本性质的原理2.1 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本论文着重介绍法拉 第效应和克尔磁光效应2.1.1 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1 0- 1 0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的高压电流等入射光（单色线懾光）介质r法拉第效应示意图其中e是法拉第转角，l是样品长度，h是磁场强度关系式：e F = HLVV为Verdet常数，是物质固有的比例系数2.1.2 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/賊比介质层/人射光塞曼效应示意图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2.1.3 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 的磁场第三章 磁光晶体的制备方法3.1 制备方法此种生长晶体方法主要可概括为三大类：一类是籽晶生长法，包括助溶剂提 拉法、移动溶剂溶区法、坩埚倾斜或倒转法等；另一类是自发成核法，包括缓冷 法、助溶剂蒸发法、助溶剂反应法等；还有一类是助溶剂液相外延技术，这是目 前比较先进的一种生长磁光薄膜的方法。

下面就提拉法做简单介绍3.1.1 TGG 单晶制备—提拉法TGG是由福建福晶科技股份有限公司(CASTECH)在2008年研发出来的晶体TGG 单晶是用于制作法拉第旋光器与隔离器的最佳磁光材料，适用波长为 400-1100nm (不包括470-500nm)o法拉第旋光器由TGG晶棒和一个特殊设计的 磁体组成穿过磁光材料的光束的偏振方向将在磁场作用下发生偏转，其偏转方 向只与磁场方向有关，与光束传播方向无关光隔离器由一个 45 度偏转的旋光 器和一对适当放置的偏振器组成，它使光束仅能沿一个方向通过，而阻断反向传 播的光束其主要优点:TGG单晶具有大的磁光常数、高热导性、低的光损失和高激光 损伤阈值，广泛应用于YAG、掺Ti蓝宝石等多级放大、环型、种子注入激光器 中提拉法又称丘克拉斯基法，是丘克拉斯基(J.Czochralski)1917年发明的从 熔体中提拉生长高质量单晶的方法这种方法能够生长无色蓝宝石、红宝石、钇 铝榴石、钆镓榴石、变石和尖晶石等重要的宝石晶体 20世纪60年代，提拉法 进一步发展为一种更为先进的定型晶体生长方法——熔体导模法它是控制晶体 形状的提拉法，即直接从熔体中拉制出具有各种截面形状晶体的生长技术。

它不 仅免除了工业生产中对人造晶体所带来的繁重的机械加工，还有效的节约了原 料，降低了生产成本3.1.2 提拉法的基本原理提拉法是将构成晶体的原料放在坩埚中加热熔化,在熔体表面接籽晶提拉熔 体，在受控条件下，使籽晶和熔体在交界面上不断进行原子或分子的重新排列， 随降温逐渐凝固而生长出单晶体提拉法的生长工艺首先将待生长的晶体的 原料放在耐高温的坩埚中加热熔化，调整炉内温度场，使熔体上部处于过 冷状态；然后在籽晶杆上安放一粒籽晶，让籽晶接触熔体表面，待籽晶表 面稍熔后，提拉并转动籽晶杆， 使熔体处于过冷状态而结晶于籽晶上，在 不断提拉和旋 转过程中，生长出圆柱状晶提拉法的设备和装置主要有：坩埚、高频加热线圈、提拉杆等将预先合成好的多晶原料装在一个坩埚中，并被加热到原料的熔点以上，原 料熔化为熔体在坩埚上方有一个可以旋转和升降的提拉杆，杆的下端带有一个 夹头，其上装有籽晶，降低提拉杆，将籽晶插入熔体中，只要温度合适，籽晶既 不熔掉也不长大，然后缓慢地向上提拉和转动晶杆同时，缓慢地降低加热功率， 籽晶就逐渐长粗，小心地调节加热功率，就能得到所需直径的晶体下面的图形 是提拉法晶体生长的简单原理示意图丿41St卿、筆品杆籽晶提拉法合成法第四章 磁光晶体的研究现状和发展趋势4.1 磁光晶体材料的应用领域在过去，用于近红外和光通信隔离器上的传统磁光材料为纯YIG单晶，其波 长范围在0. 8—1. 6“m之间，由于它需强永久磁场才能使光束的偏振面发生旋 转，而且温度稳定性较差，也就是说法拉第旋转角随温度的影响很大，用它制成 的光隔离器只在较低的温度范围内保持高的隔离度.进人七八十年代，人们发现 在YIG中掺人一一些杂质（如Bi、Gd、ce、Ho、Yb等）后，磁光晶体的各项性能 指标大大提高，法拉第旋转角大、饱和磁场小，有利于器件小型化；温度系数低， 环境温度变化对器件影响小，能保证器件正常工作，而且液相外延生长技术使掺 杂浓度及晶体厚度都很容易控制.目前YIG的体单晶和外延厚膜都供不应求，并 且随着世界范围内光纤通信网络的迅速普及，YIG材料的市场需求也将会成倍增 加，磁光晶体的最新研究主要是利用各种不同掺杂及双掺、多掺等，来寻找具有 大的法拉第旋转角、温度稳定性能好、饱和磁场低的型材料.在YIG的实际应用 中，例如在制作光纤隔离器上，主要向小型化、高灵敏度、低损耗方向发展，另 外根据YIG的磁光特性去积极研究开发新用途的器件.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4.2 基于磁光晶体材料制作的一些器件4.2.1 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：正向光隔离器插入损耗低，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4.2.2 光纤电流感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第效应.根据臼F=V1HL,通过 对法拉第旋转角OF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 在法拉第电流传感器研究中，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8 F角度；经过检偏器、光纤，进人信 号检测系统，通过对8 F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)(l+sin28 F)式中I。

为入射光强.通过对出射光强的测量，就可以得出8 F，从而可测出电流 的大小.4.2.3 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Q r转动时。