磁光晶体材料的研究现状与发展趋势

2021年2月27日发(作者：hurry什么意思)

磁光晶体材料的研究现状与发展趋势

摘要：< /p>

简要介绍了磁光晶体材料的一些基本理论，通过对磁光晶体材料应用的器件进行

< p>
了解磁光晶体材料的优势、缺点以及发展的历程。通过不同的磁光晶体材料的介绍，了解

< p>
他们的结构特性，生长过程以及生产技术。通过各种方面的了解，理解其发展的方向及其

< p>
困难之处，并从中思考解决的方法。

关键词：晶体材料，旋磁光晶体，研究现状，发展趋势

Magneto-opticalcrystalmaterials'Resear< /p>

chandDevelopment

Wuzhuofu

Departem entofOptoelectronicInformationEngineering,JinanUni versity,

Guangzhou,China510632

Abstract

：

Itintr oducessomethingaboutmagneto-opticalcrystalbymateri alanddevic

eethestrongpo

tandt hestructureofthemandsolvethepr

oblem.

KeyWords

crystallinematerial,ma gneto-opticalcrystal,

SituationofStudy,< /p>

development

：

目录

б< /p>

1

介绍

............... ................(4)

δ

1.1

磁光晶体的定义

......................... ............(4)

δ

1.2

< br>磁光晶体的发现

............................. ........(4)

δ

1.3

磁 光晶体的应用

................................. ....(4)

б

2

基本原理

..........................(4)

δ

2.1

磁光效应

.......... .................................(5)

δ< /p>

2.2

法拉第效应

.......... ...............................(5)

δ

2.3

克尔效应

............. ..............................(6)

δ

2.4

塞曼效应

.............. .............................(6)

δ

< p>
2.5

科顿

-

穆顿效应< /p>

......................................(7 )

б

3

分类

..............................(7)

δ

3.1

晶体材料的分类

........... ........................(7)

б

4

研究现状

...................... ....(9)

δ

4.1

磁光晶体材 料的应用领域

...........................(9)

δ

4.2

基于磁光晶体材料制作的一些器件 介绍

...............(9)

—

1

光隔离器

.................. ....................(9)

—

2

光纤电流传感器

....................... .........(9)

—

3

激光 陀螺

..................................... .(10)

—

4

微波器件

< p>
.....................................(10)

—

5YIG

单晶

. .....................................(11)

< br>—

6TGG

单晶

....... ..............................(12)

δ

4.3

各种磁光晶体材料的研发以及数据

.. ................(13)

б

5

< p>
发展趋势

..........................

(14)

б

6

结论

............................ ..

(14)

参考文献

...................................

(15)

б

1

介绍

< /p>

δ

1.1

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。

< /p>

δ

1.2

磁光晶体材料的发现

< p>

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

,< /p>

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

< p>
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。

δ

1.3

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。

б

2

基本原理

δ

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

-

< p>
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 。

δ

2.2

法拉第效应

1845

年法拉第（

MichalFaraday

）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

< p>
10-10

秒量级。在激光通讯，激光雷达等技术中已发

< br>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

< br>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

< br>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：

θ

F=HLV

V

为

Verdet

常数，是物质固有的比例系数。

< p>

δ

2.3

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。

< br>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

< p>
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

< p>
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

δ

2.4

塞曼效应

塞曼效应是

1896

年由荷兰物理学家塞曼发现的< /p>

.

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

< br>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。

δ

2.5

科顿

-

穆顿效应

科顿

-

穆顿效应 又称

磁双折射效应

，

简记为

< p>
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

-

< br>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。

б

3

分类

< /p>

δ

3.1

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< /p>

:

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)< /p>

、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

0.6943

μ

m)

、钇铝石榴石

(Y3Al5O12

∶

Nd

．

1.065< /p>

μ

m)

．对

激光 晶体的研究主要是向波长可调谐

(

如

B eAlO4

∶

Cr

，

< br>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、

< p>
铌酸锂、

铌酸钾以及偏硼酸钡

(BaB2O4)< /p>

、

三硼酸锂

(LiB3O5)

< p>
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

< br>(NaI

∶

Tl)

晶体，成为< /p>

性能最佳的闪烁晶体．

其他如氟化钡

(B aF2)

、

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。