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1、2.9稀土磁光材料Rare Earth magneto-optical material,磁光效应和磁光材料 稀土磁光材料的来源及性能特点 稀土铁石榴石磁光材料 钆镓石榴石磁光材料,一、稀土磁光材料,磁光材料： 在紫外到红外波段，具有磁光效应的光信息功能材料。 稀土磁光材料是一种新型的光信息功能材料，利用这类材料的磁光特性以及光，电，磁的相互作用和转换，可制成具有各种功能的光学器件。,主要应用：调制器、隔离器、环形器、磁光开光、偏转器、相移器、光信息处理机、显示器、存贮器、激光陀螺偏频磁镜、磁强计，磁光传感器，印刷机，录像机，模式识别机，光数头，光盘，光波导等。,磁光效应： 在外加磁场的作用下
2、，物质的电磁特性（如磁导率，介电常数，磁化强度，磁畴结构，磁化方向等）会发生变化，因而使通向该物质的光的传输性（如偏振状态，光强，相位，频率，传输方向等）也会随着发生变化。,光通向磁场或磁矩作用下的物质时，其传输特性发生的变化称为磁光效应。,1、磁光效应及表征,1.光的偏振性,振动方向对于传播方向的不对称性叫做偏振，它是横波区别于其他纵波的一个最明显的标志，只有横波才有偏振现象。光波是电磁波，因此，光波的传播方向就是电磁波的传播方向。光波中的电振动矢量E和磁振动矢量H都与传播速度v垂直，因此光波是横波，它具有偏振性。,插入内容,（1）自然光,在垂直于光传播方向的平面上，光矢量在各个可能方向上的
3、取向是均匀的，光矢量的大小、方向具有无规律性变化，这种光称为自然光，也称为非偏振光。 自然光可以沿着与光传播方向垂直的任意方向上分解成两束振动方向相互垂直、振幅相等、无固定相位差的非相干光。,插入内容,插入内容,（2）完全偏振光,插入内容,（a）线偏振光 光矢量端点的轨迹为直线，即光矢量只沿着一个确定的方向振动，其大小、方向不变，称为线偏振光。 （b）椭圆偏振光 光矢量端点的轨迹为一椭圆，即光矢量不断旋转，其大小、方向随时间有规律的变化。 （c）圆偏振光 光矢量端点的轨迹为一园，即光矢量不断旋转，其大小不变，但方向随时间有规律地变化。,插入内容,（3）部分偏振光,在垂直于光传播方向的平面上，含
4、有各种振动方向的光矢量，但光振动在某一方向更显著，不难看出，部分偏振光是自然光和完全偏振光的叠加。,插入内容,2. 磁光效应及表征 1） 磁光法拉第(Farady)效应 2）科顿-穆顿效应 3 ）磁圆振、磁线振二向色性 4 ）塞曼效应(Zeeman) 5 ） 磁激发光散射 6 ） 磁光克尔效应 7 ） 霍尔效应,1 ）磁光法拉第效应,当线偏振光沿着磁场方向或磁化强度矢量方向传播时，由于左、右圆偏振光在铁磁体中的折射率不同，使偏振面发生偏转角度，此现象称为法拉第效应。,（1）磁旋光效应及其非互易性 法拉第效应又称磁旋光效应。当偏振光通过一个处于磁场大小为H的顺磁性或逆磁性材料后，透射光偏振方向的
5、旋转角正比于磁场大小H和材料的厚度L，,费尔德常数,实验证明：振动面旋转的角度 与材料的厚度l、 浓度C 以及入射光的波长 有关。,把磁性物质的样品，放在两个正交的偏振片之间，沿光传播 方向加磁场 H，则发现线偏光通过样品后，振动面旋转过一 个角度 ，实验表明：,V叫做费尔德(Verdet)系数。,称为磁致旋光现象。,磁光物质,一束线偏振光沿光轴通过石英时，其偏振面会旋转一个角度，但当这束光反响通过石英时，其偏振面再次旋转并与入射偏振光的偏振面重合，即正、反两个偏振面的旋转互相抵消，这事一种互易性旋光特性，一般旋光物质都具有这种特性。,当一束偏振态为A的线偏振光沿磁化强度M方向传播，即争相通过
6、磁旋光材料时，将产生一法拉第旋转使光的偏振态变为B。 当偏振态为B的偏振光反响通过该磁旋光材料时，其偏振态将不再变为A，而继续旋转角变为偏振态C。这样C的偏振方向为A 的2 角。这就是磁光效应的非互易性。,（2）磁光旋转的测量-消光法 在不同波长下测量磁光旋转的简单示意如图。,其中，L为白光源，M为单色仪，P1为起偏器,S为待测样品,P2为带有测角仪的检偏器,D为光电检测器.,由白光源发出的光,经单色仪后变为单色光,通过起偏器后成单色线偏振光。待测样品置于绕有励磁线圈的电磁铁中，光顺着或逆着磁场方向透过样品。当励磁线圈中没有电流时，调节检偏器的方向与起偏器的偏振方向正交，此时发生消光现象，光电
7、检测器不到光信号。通入励磁电流产生磁场后，由于磁光旋转，一部分光将透过检偏器进入光电检测，再次调节检偏器的方向直至消光，测得检偏器转过的角度即为待测样品的磁光旋转角。这种以消光作为测量参考点的方法叫消光法，这是磁光旋转的最基本测量方法。,2 ）磁光克尔效应,当线偏振光被磁化了的铁磁体表面反射时，发射光将是椭圆偏振的，并且椭圆长轴为标志的偏振光相对于入射偏振光的偏振面旋转了一个角度，即磁光克尔效应。 磁光克尔效应分为三种组态： 1. 极向磁光克尔效应 2.纵向磁光克尔效应 3.横向磁光克尔效应, 克尔效应,某些各向同性的透明介质（如非晶体和液体），在外电场 的作用下，显示出双折射现象，称为克尔效
8、应。,当外电场撤消时，这种性质立即消失， 因此，也称为电致双折射现象。,光轴沿电场强度的方向,3 ）科顿-穆顿效应(磁双折射效应),当线偏振光垂直于磁化强度矢量方向透通铁磁晶体时，光波的电矢量分成 两束，一束与磁化强度矢量平行，称为正常光波。另一束与磁化强度矢量垂直，称非正常光波。产生相位差，两种光在铁磁体内的折射率不同，产生双折射现象。,4 ）磁圆振、磁线振二向色性,磁圆振二向色性发生在光沿平行于磁化强度Ms方向传播时，由于铁磁体对入射线偏振光的两个圆偏振态的吸收不同，一个圆偏振态的吸收大于另一个圆偏振态的吸收，结果造成左、右圆偏振态的吸收有差异，此现象称为磁圆二向色性。 磁线振二向色性发生
9、在光沿着垂直于磁化强度Ms方向传播时，铁磁体对两个偏振态的吸收不同，两个偏振态以不同的衰减通过铁磁体，这种现象称为磁线振二向色性。,5 ）塞曼效应,光源在强磁场（105106A/m）中发射的谱线，受到磁场的影响而分裂为几条，分裂的各谱线间的间隔大小与磁场强度成正比的现象，称为塞曼效应。,6 ）磁激发光散射,在Z轴方向施加一恒磁场，磁化强度Ms绕Z轴进动，Ms在OZ轴的分量Mz常数，在YOZ平面里的旋转分量为mk(k)为本征进动频率的自旋波磁振子。当沿OY轴有光传播，则沿OX轴有电厂强度分量Ex（ ）并与mk(k)发生相互作用，结果是在OZ轴方向产生电极化强度分量Pz( k)的辐射就构成一级拉曼
10、散射。,拉曼散射（Raman scattering） 光通过介质时由于入射光与分子运动相互作用而引起的频率发生变化的散射。又称拉曼效应。,通有电流的铁磁体置于均匀磁场中，如果磁场的方向与电流的方向垂直，载流子在磁场中受洛伦兹力的作用，它就会发生在垂直于磁场和电流的两个方向的偏移，样品的两端之间产生电场EH，这种现象称为霍尔效应。,7）霍尔效应,2、稀土磁光材料的发展概况,1. 稀土磁光材料的来源和作用 晶体中未配对的电子自旋、自旋与轨道的相互作用以及磁性园子的有序排列等结构因素决定了晶体的磁化强度和法拉第效应，从而也决定了晶体的磁光效应。 稀土元素由于4f电子层未填满，因而产生：未抵消的磁矩，
11、这是强磁性的来源，由于4f电子的跃迁，这是光激发的起因，从而导致强的磁光效应。,单纯的稀土金属并不显现磁光效应，这是由于稀土金属至今尚未制备成光学材料。只有当稀土元素掺入光学玻璃、化合物晶体、合金薄膜等光学材料之中，才会显现稀土元素的强磁光效应。 掺稀土的硅酸盐或硼酸盐玻璃、EuX型晶体(X=O, S,Se, Te)、正铁氧体REFeO3晶体、Eu2SiO4晶体、(REBi)3(FeA)5O12石榴石晶体(A为Al，Ga，Sc，Ge，In)和RE-TM非晶薄膜(TM为Fe，Co，Ni，Mn)，稀土玻璃等是目前已经发现的稀土磁光材料。,2. 稀土磁光材料的发展概况,3、稀土石榴石磁光材料,目前已
12、发现的磁光材料中，研究最透明，应用最广泛，也最具发展前景的是稀土铁石榴石。 稀土石榴石（又称磁性石榴石），表示为 RE3Fe2Fe3O12 RE为Y(有的还掺入Ca，Bi) Fe2中的Fe离子可以为In，Se，Cr等离子替代 Fe3中的Fe离子可为Al，Ca等离子替代,属于立方晶系，每个晶胞中包括8个RE3Fe5O12分子，共计160个原子。 至今单一稀土铁石榴石有11种，最典型的是Y3Fe5O12。简写YIG。 YIG的法拉第旋转角大，在近红外波段透明，晶体物理化学性能优良。,稀土石榴石单晶的生长,YIG及其掺杂的单晶是最典型的磁光材料，它们在磁光器件和微波器件中获得广泛应用。 这类材料在空
13、气中达到1550时才熔化，因而必须寻找一种较低温度下生长单晶的办法。 熔剂法最常用的助熔剂是以PbO为基的PbO-B2O3或PbO-B2O3-PbF2系列。,4、稀土石榴石单晶磁光材料,石榴石单晶薄片对可见光是透明的，而对近红外几乎是完全透明的YIG在15m之间是完全透明的，这一个光波区常被称为YIG的窗口。 掺入三价RE或Bi离子，对光吸收的影响不大。,某些杂质的掺入对铁石榴石的光吸收影响很大（保证光的最小吸收）,一般用PbO,PbF2作助熔剂时，晶体中含有Pb2离子，这就必然由Fe4+与其电子补偿，而Fe4+有强的光吸收，因而使晶体的光吸收增加。 若晶体中掺入Si4离子时，由于Si4通Pb
14、2+电荷补偿，无Fe4+出现，则晶体的吸收将减小。一般每个分子式中有0.004个硅原子的浓度，会达到最小的光吸收。 Si4浓度太高，则因电荷补偿的需要，就会出现Fe2离子。由于Fe2+离子有光的吸收，因而使晶体的吸收逐渐增强。 当Ca2离子出现时，也由于电荷补偿的需要，就会出现Fe4，因而增加吸收。,结论：为了得到最小的光吸收，就必须严格控制非三价的杂质Ca，Si，Pb以及Pt等元素。,5、钆镓石榴石,Gd3Ga5O12（GGG）-重要的磁光晶体 应用：磁光、磁泡、微波石榴石单晶的衬底材料。也具有激光和超低温磁致冷等性质，也可用作反射率标准卡，激光陀螺反射镜、各种光学棱镜和制冷介质，并可作人造宝石。,
