磁光效應簡介及其應用

陳俊如

摘 要：磁光效應是電磁波在被施加準靜態磁場物體中傳播的種種現象。在這些旋磁材料中，左旋和右旋橢圓偏振光可以以不同速率在介質中傳播，導致一些很重要的效應。當光線經過一層磁光物質后，會導致法拉第效應：光線的偏振面可以被旋轉，成為法拉第旋光器。當光線被磁光物質反射后，會產生磁光克爾效應。在最近的數十年里，光電技術日益在高新領域獲得廣泛應用，而在同時，以磁光效應為原理的各種器件也展現出了非常獨特的性質和極其光明的應用未來。

關鍵詞：磁光效應；法拉第效應；磁光克爾效應；塞曼效應

一、法拉第效應

法拉第效應又稱法拉第旋轉，它是一種磁光效應。他的機理是，在傳播介質中，光——可見的電磁波與介質中的磁場會有相互作用。

這個相互作用的結果就是能導致偏振平面的旋轉，同時，旋轉幅度與磁場沿著光傳播方向的投影分量成正比。

對于透明物質，偏振的旋轉角弧與磁場的關系為

β=γBd

在這個公式中，β是旋轉的角度，即光波被磁場作用彎折的程度。而B則是磁場沿光傳播方向的投影。至于d則是光與磁場相互作用的距離。γ稱為韋爾代常數，與材料的本身性質、光波的波長和周圍環境溫度有密切的關系。

我們先假定韋爾代常數是正數，那么當光的傳播的方向和磁場的方向一致的時候，順著光的傳播方向，光波的偏振就會沿著順時針。同理，當光的傳播的方向和磁場的方向相反時，偏振就是逆時針旋轉。如果存在反射的現象，即光通過介質后，再被反射回來再次穿過介質，那么相當于作用了兩次，也就是說旋轉角度就會加倍。

二、磁光克爾效應

磁光克爾效應是偏振光從有磁疇的鐵磁體反射后，偏振面變化；進而引起光的強度變化的現象，稱為磁光克爾效應。這是約翰·克爾于1877年發現的。

磁光克爾效應的原理是：從鐵磁體表面反射的極化光，變成了橢圓偏振光；并且其長軸發生轉動；轉動的大小與表面磁疇的磁化向量成分成正比。它的物理根源是磁圓二向色性；在磁性材料中，光和自旋軌道偶合，導致對左，右旋的極化光吸收不同的緣故。磁光克爾效應從鐵磁體的磁化向量相對光的入射面和反射面又可分成三大類：

（1）極性的磁光克爾效應：磁化向量垂直反射面，但與入射面平行。

（2）縱向磁光克爾效應：磁化向量和入射面及反射面同時平行。

（3）橫向磁光克爾效應：磁化向量和入射面垂直，但平行于反射面。

磁光克爾效應一般觀察表面深度為1020nm的磁疇，因此，最適合用于磁性薄膜磁性的研究；也可用此效應做成顯微鏡，作為磁性研究的一種手段。

三、磁光效應的應用

盡管法拉第作為一個先驅者，他在1845年就早早發現了磁光效應。但是，在其后100多年的時間里，磁光效應都沒有得到有效的應用，只是不斷地完善理論。時間到了1956年，地點貝爾實驗室，通過偏光顯微鏡，使用透射光，來觀測釔鐵石榴單晶材料中的磁疇結構，這才標志著磁光效應向應用領域發展。在1960年之后，得益于激光技術的從無到有，磁光效應的應用才算走上了快車道。

（一）磁光調制器

磁光調制器是用來調制光束的一起，原理是讓偏振光在經過介質時發生旋轉。磁光調制器的應用很多，比如紅外檢測器的斬波器、測量紅外輻射的高溫計以及高靈敏度的偏振計。

（二）磁光隔離器

光學隔離器，又稱光學二極體，是一種可限制光線向特定方向行進的光學儀器。它通常被用來防止多余的反饋光線進入光學振蕩器中，例如雷射腔。其運作原理乃為法拉第效應（磁光效應所造成），而該效應被用在其主元件，亦即法拉第旋光器中。

光學隔離器的主元件是法拉第旋光器。我們在旋光器中施加一個磁場。它的磁感應強度在光線傳播方向上的分量大小為B。這個磁場會使光線通過旋光器時偏振方向發生旋轉。旋轉角度β為：

β=γBd

其中γ是旋光器材料（非晶體或晶體；固體，液體或氣體）的韋爾代常數，d則是旋光器的長度。在光學隔離器中，旋轉角度被特別設為45度。

另外，任何種類的光學隔離器（不僅是法拉第隔離器）都需要某種非互換性機制。

（三）磁光環行器

當光纖技術和通信技術的應用愈加廣泛，磁光環行器同時也被用在光纖和通信技術之中。他的原理是，利用環行器能夠在同一根光纖內傳輸兩個方向不同的信號的原理，使得系統的體積一次性減半，從而大大降低成本。

四、總結

時代在進步，科學技術也在隨之發展，磁光效應從1845年的初步茅廬，繼而100多年無人問津，然后到了這近半個世紀的高速發展。在未來，磁光特性的相關研究，一定會更加深入，同時，計算機科學的發展愈快，磁存儲技術也將獲得質的飛躍。磁光學作為一個整體科學，將來的發展前景可期，相關的磁光應用亦將更加廣闊。

參考文獻：

[1]周靜，王選章，謝文廣.磁光效應及其應用[J].現代物理知識，2005（5）：4547.

[2]徐明祥.磁性液體復合體的磁光效應[J].紅外與毫米波學報，1999，18（3）：253256.

[3]王佳穎，郭志忠，李洪波，等.集磁環式光學電流互感器的結構優化[J].電力自動化設備，2011，31（9）：2326.

[4]朱科，鄭厚植，甘華東，等.磁各向異性對（In，Ga）As襯底（Ga，Mn）As的影響[J].紅外與毫米波學報，2011，30（1）：15.