磁光效應(yīng)簡(jiǎn)介及其應(yīng)用

陳俊如

摘 要：磁光效應(yīng)是電磁波在被施加準(zhǔn)靜態(tài)磁場(chǎng)物體中傳播的種種現(xiàn)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(zhì)中傳播，導(dǎo)致一些很重要的效應(yīng)。當(dāng)光線經(jīng)過(guò)一層磁光物質(zhì)后，會(huì)導(dǎo)致法拉第效應(yīng)：光線的偏振面可以被旋轉(zhuǎn)，成為法拉第旋光器。當(dāng)光線被磁光物質(zhì)反射后，會(huì)產(chǎn)生磁光克爾效應(yīng)。在最近的數(shù)十年里，光電技術(shù)日益在高新領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用，而在同時(shí)，以磁光效應(yīng)為原理的各種器件也展現(xiàn)出了非常獨(dú)特的性質(zhì)和極其光明的應(yīng)用未來(lái)。

關(guān)鍵詞：磁光效應(yīng)；法拉第效應(yīng)；磁光克爾效應(yīng)；塞曼效應(yīng)

一、法拉第效應(yīng)

法拉第效應(yīng)又稱(chēng)法拉第旋轉(zhuǎn)，它是一種磁光效應(yīng)。他的機(jī)理是，在傳播介質(zhì)中，光——可見(jiàn)的電磁波與介質(zhì)中的磁場(chǎng)會(huì)有相互作用。

這個(gè)相互作用的結(jié)果就是能導(dǎo)致偏振平面的旋轉(zhuǎn)，同時(shí)，旋轉(zhuǎn)幅度與磁場(chǎng)沿著光傳播方向的投影分量成正比。

對(duì)于透明物質(zhì)，偏振的旋轉(zhuǎn)角弧與磁場(chǎng)的關(guān)系為

β=γBd

在這個(gè)公式中，β是旋轉(zhuǎn)的角度，即光波被磁場(chǎng)作用彎折的程度。而B(niǎo)則是磁場(chǎng)沿光傳播方向的投影。至于d則是光與磁場(chǎng)相互作用的距離。γ稱(chēng)為韋爾代常數(shù)，與材料的本身性質(zhì)、光波的波長(zhǎng)和周?chē)h(huán)境溫度有密切的關(guān)系。

我們先假定韋爾代常數(shù)是正數(shù)，那么當(dāng)光的傳播的方向和磁場(chǎng)的方向一致的時(shí)候，順著光的傳播方向，光波的偏振就會(huì)沿著順時(shí)針。同理，當(dāng)光的傳播的方向和磁場(chǎng)的方向相反時(shí)，偏振就是逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。如果存在反射的現(xiàn)象，即光通過(guò)介質(zhì)后，再被反射回來(lái)再次穿過(guò)介質(zhì)，那么相當(dāng)于作用了兩次，也就是說(shuō)旋轉(zhuǎn)角度就會(huì)加倍。

二、磁光克爾效應(yīng)

磁光克爾效應(yīng)是偏振光從有磁疇的鐵磁體反射后，偏振面變化；進(jìn)而引起光的強(qiáng)度變化的現(xiàn)象，稱(chēng)為磁光克爾效應(yīng)。這是約翰·克爾于1877年發(fā)現(xiàn)的。

磁光克爾效應(yīng)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(zhǎng)軸發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)；轉(zhuǎn)動(dòng)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(dǎo)致對(duì)左，右旋的極化光吸收不同的緣故。磁光克爾效應(yīng)從鐵磁體的磁化向量相對(duì)光的入射面和反射面又可分成三大類(lèi)：

（1）極性的磁光克爾效應(yīng)：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(yīng)：磁化向量和入射面及反射面同時(shí)平行。

（3）橫向磁光克爾效應(yīng)：磁化向量和入射面垂直，但平行于反射面。

磁光克爾效應(yīng)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(yīng)做成顯微鏡，作為磁性研究的一種手段。

三、磁光效應(yīng)的應(yīng)用

盡管法拉第作為一個(gè)先驅(qū)者，他在1845年就早早發(fā)現(xiàn)了磁光效應(yīng)。但是，在其后100多年的時(shí)間里，磁光效應(yīng)都沒(méi)有得到有效的應(yīng)用，只是不斷地完善理論。時(shí)間到了1956年，地點(diǎn)貝爾實(shí)驗(yàn)室，通過(guò)偏光顯微鏡，使用透射光，來(lái)觀測(cè)釔鐵石榴單晶材料中的磁疇結(jié)構(gòu)，這才標(biāo)志著磁光效應(yīng)向應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)展。在1960年之后，得益于激光技術(shù)的從無(wú)到有，磁光效應(yīng)的應(yīng)用才算走上了快車(chē)道。

（一）磁光調(diào)制器

磁光調(diào)制器是用來(lái)調(diào)制光束的一起，原理是讓偏振光在經(jīng)過(guò)介質(zhì)時(shí)發(fā)生旋轉(zhuǎn)。磁光調(diào)制器的應(yīng)用很多，比如紅外檢測(cè)器的斬波器、測(cè)量紅外輻射的高溫計(jì)以及高靈敏度的偏振計(jì)。

（二）磁光隔離器

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

光學(xué)隔離器的主元件是法拉第旋光器。我們?cè)谛馄髦惺┘右粋€(gè)磁場(chǎng)。它的磁感應(yīng)強(qiáng)度在光線傳播方向上的分量大小為B。這個(gè)磁場(chǎng)會(huì)使光線通過(guò)旋光器時(shí)偏振方向發(fā)生旋轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)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(shù)，d則是旋光器的長(zhǎng)度。在光學(xué)隔離器中，旋轉(zhuǎn)角度被特別設(shè)為45度。

另外，任何種類(lèi)的光學(xué)隔離器（不僅是法拉第隔離器）都需要某種非互換性機(jī)制。

（三）磁光環(huán)行器

當(dāng)光纖技術(shù)和通信技術(shù)的應(yīng)用愈加廣泛，磁光環(huán)行器同時(shí)也被用在光纖和通信技術(shù)之中。他的原理是，利用環(huán)行器能夠在同一根光纖內(nèi)傳輸兩個(gè)方向不同的信號(hào)的原理，使得系統(tǒng)的體積一次性減半，從而大大降低成本。

四、總結(jié)

時(shí)代在進(jìn)步，科學(xué)技術(shù)也在隨之發(fā)展，磁光效應(yīng)從1845年的初步茅廬，繼而100多年無(wú)人問(wèn)津，然后到了這近半個(gè)世紀(jì)的高速發(fā)展。在未來(lái)，磁光特性的相關(guān)研究，一定會(huì)更加深入，同時(shí)，計(jì)算機(jī)科學(xué)的發(fā)展愈快，磁存儲(chǔ)技術(shù)也將獲得質(zhì)的飛躍。磁光學(xué)作為一個(gè)整體科學(xué)，將來(lái)的發(fā)展前景可期，相關(guān)的磁光應(yīng)用亦將更加廣闊。

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