磁光效應及其應用

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

關鍵詞 磁光效應 磁光調制器 磁光隔離器 磁光感應器

中圖分類號： O482 文獻標識碼：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

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

1 磁光效應

一束入射光進入具有固有磁矩的物質內部傳輸或者在物質界面反射時，光波的傳播特性，如偏振面、相位或者散射特性會發生變化，這個物理現象稱為磁光效應。①它是光與具有磁矩的物質相互作用而產生的一系列現象。磁光效應包括法拉第效應、克爾效應、塞曼效應、磁線振雙折射等。法拉第效應和克爾效應是研究最多、應用最廣的磁光效應。

1.1 法拉第效應

1845年，英國物理學家法拉第發現一束線偏振光沿外磁場方向通過玻璃后，透射光的偏振面發生了旋轉。這是歷史上首次發現磁光效應。法拉第效應的大小用法拉第旋轉角（如圖1）來描述。光線透射后能發生偏振面的旋轉的物質稱為旋光物質（如石英晶體、酒石酸溶液等），旋光物質又有左旋物質和右旋物質之分。當一束光線偏振光沿正反兩個方向透射過某旋光物質時，透射光的偏振面的旋轉方向是相反的，這是一種互易性旋光物質，一般旋光物質都具有這種特性。而發生法拉第效應的物質的旋轉方向與入射光的傳播方向無關，是由磁場的方向決定，當光線正反兩次透射過該物質時，透射光的偏振面的偏轉角將加倍，這就是法拉第效應的非互易性。法拉第效應的應用非常廣泛，可用于物質結構的研究和光譜學等領域，利用法拉第磁光效應原理可制作光隔離器、回轉器、磁光開關和環行器等磁光器件。

1.2 克爾效應

1877年，克爾發現鐵磁體對反射光的偏振狀態也會產生影響，這就是磁光克爾效應（如圖1）。根據介質中磁化強度的不同方向，磁光克爾效應包括三種情況：（1）縱向克爾效應，即磁化強度既平行于介質表面又平行于光線的入射面時的克爾效應；（2）極向克爾效應，即磁化強度與介質表面垂直時發生的克爾效應；（3）橫向克爾效應，即磁化強度與介質表面平行時發生的克爾效應。克爾效應的最重要應用是觀察鐵磁材料中的磁疇，不同的磁疇有不同的自發磁化方向，因而引起反射光振動面的不同旋轉，通過偏振片觀察反射光時，將觀察到與各磁疇對應的明暗不同的區域，用此方法還可對磁疇變化進行靜態或動態觀察。另外，對于磁光存儲技術的研究磁光克爾效應有著極其重要的作用。

圖1法拉第效應和克爾效應示意圖

1.3 塞曼效應

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

1.4 科頓－穆頓效應

科頓－穆頓效應是1907年科頓和穆頓發現的。當光的傳播方向與磁場垂直時，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生的雙折射的現象，也稱為磁線振雙折射效應。佛克脫在氣體中也發現了同樣效應，稱佛克脫效應，它比前者要弱得多。當介質對兩種互相垂直的振動有不同吸收系數時，就表現出二向色性的性質，稱為磁線振二向色性效應。

2 磁光效應的應用

雖然法拉第早在1845年就發現了磁光效應，但在其后相當長的時間內并未獲得實質性的應用，只是不斷在發現新的磁光效應和建立初步的磁光理論。直到1956年，貝爾實驗室的狄龍等②③在偏光顯微鏡下，應用透射光觀察到釔鐵石榴石單晶材料中的磁疇結構，才使得磁光效應的研究向應用領域發展。特別是20世紀60年代初，由于激光的誕生及光電子技術的開發，對物質的磁性和磁光性能的研究才走上快速發展道路。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，這是磁光材料發展的一個重要的突破。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，如磁光調制器、磁光隔離器、磁光傳感器、磁光環行器和磁光盤存儲器等。

2.1 磁光調制器

磁光調制器是利用偏振光通過磁光介質，透射光的偏振面發生旋轉來調制光束。磁光調制器的應用非常廣泛，可作紅外檢測器的斬波器，可制成紅外輻射高溫計、高靈敏度偏振計等。磁光調制器的原理是將電信號先轉換成與之對應的交變磁場，由磁光效應改變在介質中傳輸的光波的偏振態，從而達到改變光強等參的目的。

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的高速發展，光源的穩定性就顯得至關重要。各種反射光都會嚴重干擾光源的正常輸出，從而影響了整個系統的正常工作。磁光隔離器就是防止反向傳輸的干擾光對光源的影響，提高系統的工作穩定性。光隔離器的工作原理：當光正向入射時，通過起偏器后成為線偏振光，再通過磁光介質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。而對于反向光，由檢偏器射入的線偏振光經過放置介質時，偏轉方向也右旋轉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，從而實現正向通過，反向隔離的目的。

2.3 磁光傳感器

現代工業的高速發展，對電網的輸送和檢測的要求更高。如今電測技術日趨成熟，由于電測技術具有精度高、便于微機相連實現自動實時處理等優點，已經廣泛應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。磁光效應傳感器就是利用激光技術發展而成的高性能傳感器。光纖電流傳感器是根據法拉第效應原理，當一束線偏振光通過置于磁場中的磁光材料時，光的偏振方向發生改變來實現傳感器的功能。磁光效應傳感器作為一種特定用途的傳感器，能夠在特定的環境中發揮自己的功能，也是一種非常重要的工業傳感器。

2.4 磁光記錄

磁光記錄是近年來發展起來的高新技術，是存儲技術的一大飛躍發展。磁光記錄是目前最先進的信息存儲技術，它兼有磁記錄和光記錄兩者的優點，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，改變稀土非晶合金薄膜的磁化矢量的取向，產生磁化矢量垂直于膜面的磁疇，利用該磁疇進行信息的寫入。改變施加的磁場方向，經過同一激光的作用后就可逐點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對記錄信號進行讀出。

2.5 磁光環行器

隨著光纖通信技術在通信領域的應用，具有光的非互易性和自光行進方向耦合端循環的磁光環行器被廣泛應用于光纖通信技術中。利用環行器可在一根光纖內傳輸兩個不同方向的信號，從而大大減小了系統的體積和成本。磁光環行器一般為四端環行器，光從端口1→2→3→4→1進行傳輸。四端環行器由一對偏振光分束器、全反射棱鏡、45度石英旋轉器、45度法拉第旋轉器組成。

隨著時代的進步、科學技術的發展，對磁光特性的研究必將日益深入，新的磁光材料也會不斷被發現，磁光學必將獲得更大的發展，磁光材料、器件和測量技術將會展現出更廣闊的應用空間。

參考文獻

[1]劉公強等.磁光學.上海:上海科學技術出版社，2001.

[2]Dillon J F， Jr.， J. Appl. Phys.， 1958.29:539.

[3]Dillon J F， Jr.， J. Phys. Radium， 1959.20:374.