磁光晶体

磁光晶体材料主讲：黄杰鹏组员：许恒杰王世立黄镇元黄杰鹏目录：•一、磁光晶体介绍•二、基本原理•三、磁光晶体制备•四、磁光晶体材料的应用领域•五、发展趋势•六、结论磁光晶体材料的发现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以付出的努力而言，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）是一组类似的现象。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。磁光晶体的定义定义：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第效应，此种晶体称为磁旋光晶体，简称磁光晶体。3D电影原理：偏光式3D是利用光线有“振动方向”的原理来分解原始图像的，先通过把图像分为垂直向偏振光和水平向偏振光两组画面，然后3D眼镜左右分别采用不同偏振方向的偏光镜片，这样人的左右眼就能接收两组画面，再经过大脑合成立体影像。知识延伸——什么是偏振光•光是一种电磁波，电磁波是横波。而振动方向和光波前进方向构成的平面叫做振动面，光的振动面只限于某一固定方向的，叫做平面偏振光或线偏振光。二、基本原理磁光效应：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-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。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。也称磁致旋光，将物质放在磁场中时，出现旋光性的现象。偏振面的旋转角与磁场强度和光在物质中传播的距离成正比。法拉第效应示意图克尔磁光效应•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。•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近几年各种磁光晶体材料的研发以及数据TGG单晶制备—提拉法TGG是由福建福晶科技股份有限公司（CASTECH）在2008年研发出来的晶体。TGG单晶是用于制作法拉第旋光器与隔离器的最佳磁光材料，适用波长为400-1100nm（不包括470-500nm）。法拉第旋光器由TGG晶棒和一个特殊设计的磁体组成。穿过磁光材料的光束的偏振方向将在磁场作用下发生偏转，其偏转方向只与磁场方向有关，与光束传播方向无关。光隔离器由一个45度偏转的旋光器和一对适当放置的偏振器组成，它使光束仅能沿一个方向通过，而阻断反向传播的光束。其主要优点：TGG单晶具有大的磁光常数、高热导性、低的光损失和高激光损伤阈值，广泛应用于YAG、掺Ti蓝宝石等多级放大、环型、种子注入激光器中。提拉法•又称丘克拉斯基法，是丘克拉斯基(J.Czochralski)在1917年发明的从熔体中提拉生长高质量单晶的方法。这种方法能够生长无色蓝宝石、红宝石、钇铝榴石、钆镓榴石、变石和尖晶石等重要的宝石晶体。•提拉法的基本原理：提拉法是将构成晶体的原料放在坩埚中加热熔化，在熔体表面接籽晶提拉熔体，在受控条件下，使籽晶和熔体在交界面上不断进行原子或分子的重新排列，随降温逐渐凝固而生长出单晶体。四、磁光晶体材料的应用领域磁光晶体材料具有较大的纯法拉第效应，使用波长的吸收系数低，磁化强度和磁导率高。主要应用于制作光隔离器、光非互易元件、磁光存储器及磁光调制器、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、激光陀螺等。基于磁光晶体材料制作的一些器件介绍1、光隔离器光隔离器是一种只允许单向光通过的无源光器件，其工作原理是基于法拉第旋转的非互易性。通过光纤回波发射的光能够被光隔离器很好的隔离。光隔离器主要利用磁光晶体的法拉第效应。光隔离器的特性是：正向插入损耗低，反向隔离度高，回波损耗高。光隔离器是允许光向一个方向通过而阻止向相反方向通过的无源器件，作用是对光的方向进行限制，使光只能单方向传输，通过光纤回波反射的光能够被光隔离器很好的隔离，提高光波传输效率。2、光纤电流传感器现代工业的高速发展，对电网的输送和检测提出了更高的要求，传统的高压大电流的测量手段将面临严峻的考验．随着光纤技术和材料科学的发展而发展起来的光纤电流传感系统，因具有很好的绝缘性和抗干扰能力，较高的测量精度，容易小型化，没有潜在的爆炸危险等一系列优越性，而受到人们的广泛重视．光纤电流传感器的主要原理是利用磁光晶体的法拉第效应．根据F=V。lHL，通过对法拉第旋转角0F的测量，可得到电流所产生的磁场强度，从而可以计算出电流大小．由于光纤具有抗电磁干扰能力强、绝缘性能好、信号衰减小的优点，因而在法拉弟电流传感器研究中，一般均采用光纤作为传输介质，其工作原理如下图：光纤电流传感器示意图激光束通过光纤，并经起偏器产生偏振光，经自聚焦透镜人射到磁光晶体:在电流产生的外磁场作用下，偏振面旋转θF角度；经过检偏器、光纤，进入信号检测系统，通过对θF的测量得到电流值。当设置系统中两偏振器透光主轴的夹角为45°，经过传感系统后的出射光强为:l=(Io／2)(1+sin2θF)式中：Io为入射光强．通过对出射光强的测量，就可以得出θF，从而可测出电流的大小。此外，基于磁光晶体材料制作的其他一些器件：如激光陀螺、微波器件、YIG单晶、TGG单晶等。五、发展趋势磁光晶体材料的发展面临着一定的难题，主要在于新晶体的发现方面。如：传统的YIG钇铁石榴石无法用于可见波段;现在的晶体材料不适宜制成大体积块材且不能形成复杂的形状;其晶体可应用范围不够宽广，有着一定局促性。因此，面对着种种的难题，我们主要的发展趋势就在于提高材料的本证法拉第旋转等磁光效应已增加器件效能。尽可能降低材料的光损耗和波长温度敏感系数，扩展器件对环境的适应力，促进块状磁光晶体生长技术的突破，加快新晶体的发现等等。随着世界范围内光纤通信网络的迅速普及,小型化、高灵敏度、低损耗将成为我们前进的主要方向。其稳定性、高效性也必将继续是我们研究的主要方向之一。六、结论磁光晶体材料的应用带给我们的财富是巨大的。至今为止，随着晶体的研究与发展，对晶体材料的逐步了解让我们生活得到了质的飞跃，并且在将来将会继续发现新的晶体材料，使用的性能也将更优异，应用范围将更加广阔。总而言之，晶体不仅是美丽的，而且也是有用的。是人类的宝贵财富，我们现在的认知也还在于冰山一角，还有很多领域需要我们去探索研究。