磁光效应与磁光材料

磁光效应与磁光材料引言第一部分光和磁的基础知识第二部分磁光效应第三部分磁光材料第四部分磁光器件1845年，英国物理学家Faraday首次发现了磁致旋光效应。其后一百多年，人们又不断发现了新的磁光效应和建立了磁光理论，但磁光效应并未获得广泛应用。直到1950年代，磁光效应才被广泛应用于磁性材料磁畴结构的观察和研究。近年来，随着激光、计算机、信息、光纤通信等新技术的发展，人们对磁光效应的研究和应用不断向深度和广度发展，从而涌现出许多崭新的磁光材料和磁光器件。各种磁光材料——磁光玻璃、磁光薄膜、磁性液体、磁性光子晶体和磁光液晶等发展极为迅速，磁光材料及器件的研究从此进入空前发展时期，并在许多高新技术领域获得了广泛的应用。近几十年来，一门新型分支学科——磁光学(包括磁光效应、磁光理论、磁光材料、磁光测量、磁光器件、磁光光谱学等)基本形成，以此为背景的各种磁光材料及器件也显示了其独特的性能和广阔的应用前景，并引起了人们浓厚的兴趣。引言有些物质，如顺磁性、磁铁性、反铁磁性和亚铁磁性物质的内部，具有原子或离子磁矩。这些具有固有磁矩的物质在外磁场的作用下，电磁特性会发生变化，因而使光波在其内部的传输特性也发生变化，这种现象称为磁光效应。有些物质，如逆磁性物质内部，没有固有的原子或离子磁矩，但这种物质处于外磁场中时，将使其内部的电子轨道产生附加的拉莫进动。这一进动具有相应的角动量和相应的磁矩，从而亦能使光波在其内部传播的特性发生变化，但这种物质产生的磁光效应远较铁磁性和亚铁磁性物质的微弱。磁光效应，包括法拉第效应、克尔效应、磁线振双拆射(科顿一穆顿效应和瓦格特效应)、磁圆振二向色性、磁线振二向色性，塞曼效应和磁激发光散射等，其中最为人们所熟悉，而且亦最有用的是法拉第效应。第一部分光和磁的基础知识A光的横波性与五种偏振态光的干涉和衍射现象只表明光是一种波动，光的偏振现象才清楚地显示光是横波（振动方向与传播方向垂直）而不是纵波。1．光的偏振现象与光的横波性a机械波的横波性的检验如图，将橡皮绳的一端固定，上下抖动另一端，于是横波沿绳传播，在波的传播路径中放置两个栏杆G1、G2，若二者缝隙方向一致图(a)，则通过G1的振动可无阻碍地通过G2；若二者缝隙方向垂直图(b)，则通过G1的振动传到G2处就被挡住，在G2后不再有波动。这只可能是横波。c光的偏振的含义光波振动方向的不全面和振幅不均等的现象称为光的偏振现象。b光波的横波性的检验（光的偏振现象）阻挡（消光），若继续转过90度，透射光又变为最亮，再转过90度，又复消光，如此等等。结论：偏振片所起的作用反映了它上面存在一个特殊方向，使光波中的振动能顺利通过；该实验也反映了光波的振动方向与传播方向垂直即光波是横波。光的电磁理论建立以后，光的横波性才得以完满说明：在自由空间传播的光波是一种纯粹的横波，光波中沿横向振动着的物理量是电场矢量和磁场矢量，鉴于在光和物质的相互作用过程中主要是光波中的电矢量起作用，所以常以电矢量作为光波中振动矢量的代表。光的横波性只表明电矢量与光的传播方向垂直，在与传播方向垂直的二维空间里电矢量还可能有各式各样的振动状态，称之为光的偏振态或偏振结构。如图，让光线依次通过两个偏振片P1、P2，P1固定不动，以光线为轴转动P2，发现：随着P2的的取向不同，透射光的强度发生变化，当P2处于某一位置时透射光的强度最大，由此位置转过90度后，透射光的强度减为零，即光线完全被P2所d偏振片（1）晶体的二向色性（选择吸收性）（2）偏振片及其透振方向和消光方向（3）偏振片的起偏和检偏性能行时被吸收得较少，光可以较多地通过图（a），振动的电矢量与光轴垂直时被吸收得较多，光通过得较少图（b）。偏振片对入射光具有消光和透过的功能，偏振片上能透过的振动方向称为透振方向（区别于光的传播方向）。晶体对不同方向的电磁振动具有选择吸收的性质。如当光线射在电气石晶体表面上时，振动的电矢量与光轴平起偏器：任何偏振态的光通过后透射光都变为线偏振光的器件。检偏器：检查入射光偏振态的器件，线偏振光通过此器件后光强变为零。偏振片既是起偏器，又是检偏器。2.光的五种偏振态光是横波，才有不同的偏振状态光波的五种偏振态：自然光、线偏振光、部分偏振光、圆偏振光和椭圆偏振光。a自然光(1)自然光自然光：在垂直光传播方向的平面上，所有方向均有横振动，各个方向的振动幅度均相等，形成如图所示的轴对称振幅分布。（2）自然光通过偏振片后的光强度自然光通过偏振片后透射光强为入射光强的一半。任何光线通过偏振片后剩下的只是振动沿其透振方向的分量，透射光的强度等于这分量的平方，由于自然光中各振动的对称分布，它们沿任何方向的分量造成的强度I都一样，它等于总强度I0的一半。所以当我们转动P的透振方向时，透射光的强度I并不改变。b.椭圆偏振光(1)椭圆偏振光在垂直光传播方向的平面上，只有单一的振动矢量，振动矢量的大小和方向不断地改变，振动矢量（电矢量）的端点在波面内描绘的轨迹是一个椭圆。每一时刻的电矢量可分解为ˆˆxyEEiEjcos()yyEAtcosxxEAt02xyAA/2当或时222222cossinyxyxxyxyEEEEAAAA若消去参量方程中的t椭圆方程椭圆长轴、短轴的大小和取向，与振幅Ax,Ay和位相差都有关系结论：(1)椭圆偏振光可以分解为两个互相垂直的振幅不相等的相位差固定、但不等于或0的线偏振光(2)可以由这两束线偏振光来代替这束椭圆偏振光。(2)左旋与右旋椭圆偏振光定义：迎着光线传播的方向观看，若振动矢量E顺时针旋转就称为右旋椭圆偏振光，若振动矢量E逆时针旋转就称为左旋椭圆偏振光。cos()yyEAtcosxxEAt00对应于左旋对应于右旋(3)椭圆偏振光通过偏振片后的光强度若入射的椭圆偏振光强为0I旋转偏振片P一周，透射光强的变化为：MmMIIII即每隔90度透射光强从极大变为极小，再由极小变为极大,但没有消光位置。与的振动方向垂直。MImIc.圆偏振光(1)圆偏振光在垂直光传播方向的平面上，只有单一的振动矢量，振动矢量的大小不变，振动方向匀速转动，振动矢量(电矢量)的端点描绘成一个圆形轨迹。圆偏振光可看成是椭圆偏振光的特例，圆偏振光能够分解成两束互相垂直的线偏振光。ˆˆxyEEiEjxyAAA/2cosxEAtcos()2yEAt消去参量t有：222xyEEA圆方程结论：1）圆偏振光可以分解为两个互相垂直的振幅相等、相位差为的线偏振光。2）可以由这两束线偏振光来代替这束圆偏振光。/2(2)左旋圆偏振光与右旋圆偏振光定义：迎着光线传播方向观看，若振动矢量E顺时针旋转就称为右旋圆偏振光，此时：/2若振动矢量E逆时针旋转就称为左旋圆偏振光，此时：/2(3)圆偏振光通过偏振片后的光强度若入射光强为：22202xyIAAA旋转偏振片P一周，透射光强不变化22012xIAAI这是因为圆偏振光可沿任意一对相互垂直的方向分解成振幅相等的两个偏振光。其中一个分量通不过偏振器，另一个能通过。d线偏振光(1)线偏振光的定义：在垂直光传播方向的平面上，只有单一方向的振动矢量，随着时间的推移，振动矢量只改变大小、不改变方向。一束线偏振光可以分解为两束互相垂直的线偏振光cosEAtcosAAxsinAAycosxxEAtcos()yyEAt0,jEiEyxˆˆ消去参量t，有：直线方程xyxyAAEE结论：（1）线偏振光可以分解为两个互相垂直的相位差为0或的线偏振光，（2）可以由这两束线偏振光代替这束线偏振光。(2)振动面与平面偏振光振动面：线偏振光的传播方向与振动方向构成的平面。同一波线上的线偏振光的光振动均处于同一振动面上，又称线偏振光为平面偏振光。线偏振光是偏振程度最强的光，又称线偏振光为全偏振光。(3)线偏振光通过偏振片后的光强度若入射的线偏振光强为：0I旋转偏振片P一周，透射光强的变化为：000III存在一个消光方向,在垂直P的透振方向上e．部分偏振光(1)部分偏振光在垂直光传播方向的平面上，所有方向均有横振动，但不同方向的振动幅度不相等，形成如图的振幅分布。(2)部分偏振光通过偏振片后的光强度若入射的部分偏振光光强为0I旋转偏振片P一周，透射光强的变化为：MmMIIII与的振动方向互相垂直mIMI部分偏振光的总光强mMIII偏振度：mMmMIIIIP时，，为自然光0P时，，是线偏振光1P0mI注意：与是所有线偏振光在这两个互相垂直方向上的投影分量的非相干叠加。MImImMIIB磁畴和磁化1.物质由原子、分子、离子组成，有些原子或离子，如Fe、Co、Ni、Fe2+、Fe3+、Tb3+、Sm3+、Pr3+等具有一定大小的磁矩，由这些磁性原子、离子组成的合金和化合物，通常具有很强的磁性。具有强磁性的物质称为磁性物质。（铁磁性与亚铁磁性）2.在磁性物质内部，有许许多多小区域，在每一个小区域内，由于原于或离子之间具有很强的电的和磁的相互作用，所有的原子或离于磁矩都互相平行、整齐地排列起来，这种小区域即磁畴。因为各磁畴的磁矩方向是不相同的，因此对外作用互相抵消，宏观上并不显示出磁性(图a)。若沿物体的某一方向施加一个不大的磁场，物体内的各磁畴磁矩会从各个不同的方向，转到磁场方向或接近磁场方向，因而在磁场方向存在磁矩的联合分量，对外就显示出磁性(图b)，即物体被外磁场磁化了。单位体积内各个磁畴磁矩的矢量和叫磁化强度矢量（M）。当施加的外磁场足够大，以致所有的磁畴磁矩都沿外磁场方向排列(此时磁畴消失了(图c)，再增加外磁场也不能增强磁化，即物体磁化达到饱和，M→Ms，Ms称为饱和磁化强度。3.外加磁场的方向不同，有些物体沿不同方向磁化的情形是不同的，我们称这种现象为磁性的各向异性。这主要是由下列三种因素造成的。(1)结构上的各向异性在晶体中，原子的排列是有规则的，在各个方向上排列的状况是不相同的。如在简单立方晶体中，沿[100]方向的原子排列比较紧密，而沿[111]方向的原子排列就比较稀疏。又如在两种以上原子构成的晶体中，在其一方向排成直线的是同一种原子，在另一方向排成直线的是两种以上的原子。这些状况属于结构上的各向异性。由于结构上的各向异性，磁性晶体磁化时，在磁性上亦会表现出各向异性，这种现象称为磁晶各向异性。例如：铁单晶属于立方晶系(如图)。在[100]方向加不大的磁场，磁化就会达到饱和，在[110]加同样大小的磁场，磁化就不如[100]方向强，而在[111]方向，磁化则更弱了。我们把最容易磁化的方向称为易磁化方向，如铁单晶中的[100]方向，最难磁化的方向称为难磁化方向，如铁单晶中的[111]方向。(2)形状上的各向异性磁性物体磁化后，在物体的端面会出现N、S两个磁极，如图a所示。这样，在物体内部就会产生一种磁场Hd，其方向与外磁场Ha方向相反或接近相反，因而有减退磁化的作用，故Hd称为退磁场。真正作用在物体内部的磁场强度Hi为Hi=Ha+Hd，在数值上．Hd越大，Hi就比Ha小得越多，这表明物体越难磁化。退磁场Hd一般是不均匀的。可是在椭球中，如果磁化均匀，其内部的Hd则是均匀的，且Hd大小与内部的磁化程度M成正比，方向与M相反。Hd＝—NM，N称为退磁因子。椭球在三个主轴上的退磁因子Nx，Ny和Nz有以下关系：Nx+Ny+Nz=1。N的数值决定于物体的几何形状。通常物体各方向上的退磁因子是不相同的。由此可知，同样大小的外磁场沿不同方向磁化时，各个方向上的退磁场是不相同的，因而内磁场Hi亦各不相同。这种因物体的几何形状所导致的沿不同方向磁化难易程度不同的现象称为形状各向异性．图b、c两种形状是椭球体的两个特殊情况。在无限长圆柱体情形，Nz＝0，Nx＝Ny＝1／2。由此不难看出，当外磁场Ha大小一定时，沿无限长圆柱体长轴方向(z方向)磁化时，Hi最大，即最易磁化。在无限大薄片情形Nx＝Ny≈0．Nz＝1。因此，沿垂直于无限大薄