稀土磁光材料

❖ 这类材料在空气中达到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λ＝1～5µm之 间是完全透明的，这一个光波区常被称为YIG 的窗口。
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（2）完全偏振光
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❖ （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
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(ωk)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（ ω ）并与 mk(ωk)发生相互作用，结果是在OZ轴方向产 生电极化强度分量Pz(ω ±ωk)的辐射就构成 一级拉曼散射。
❖ 磁线振二向色性发生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（105~106A/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。
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。
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。
结❖论若偿：晶，为体无了F中e得掺4+出入到现S最i，4＋小则离晶子的体时光的，吸吸由收收于，将Si4减就＋通小必P。b须一2+电严般荷每格补个控 制非分三子价式的中杂有0质.00C4个a，硅S原i子，的P浓b以度，及会P达t等到元最素小的。光
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，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。
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
❖ 当一束偏振态为A的线 偏振光沿磁化强度M方 向传播，即争相通过磁
旋光材料时，将产生一 法拉第旋转θ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θ角变 为偏振态C。这样C的 偏振方向为A 的2 θ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θ即为待测样品的磁光旋转角。这种以消
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δ，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。
❖ 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
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。
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
2.9 稀土磁光材料
Rare Earth magnetooptical material
一、稀土磁光材料
❖ 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
❖ 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。
• 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，称为克尔效应。
M
c
- c'
光轴沿电场强度的方向
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。
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
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，透射光偏振方向的旋转角θ正比于磁场大 小H和材料的厚度L，
❖ 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。
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.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。
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（1）自然光
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❖ 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。
个角度 ，实验表明： VHl
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。
VHL
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。
对于固体： l 定义为旋光系数，它是入射光波长的函数 对于液体： Cl 式中C为溶液的浓度。
M
H
N
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
❖ 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。
7）霍尔效应
❖ 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。
❖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。
1、磁光效应及表征
❖磁光效应：
在外加磁场的作用下，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。