磁-光效應

磁光效應是指強磁場對光和物質的相互作用的影響，隨著雷射和光電子學等新的科學技術的出現和發展，磁光效應越來越受到重視，在研究的廣度和深度上都有了極大的提升。

基本介紹

• 中文名：磁光效應
• 外文名：magneto-optical effect
• 提出者：法拉第

背景及簡介

磁光效應是指處於磁化狀態的物質與光之間發生相互作用而引起的各種光學現象。包括法拉第效應、克爾磁光效應、塞曼效應和科頓-穆頓效應等。這些效應均起源於物質的磁化，反映了光與物質磁性間的聯繫。
光與磁場中的物質，或光與具有自發磁化強度的物質之間相互作用所產生的各種現象，主要包括法拉第效應、科頓-穆頓效應、克爾磁光效應、塞曼效應和光磁效應，其中最為人所熟知的是磁光法拉第效應， 它指的是一束線偏振光通過某種透明介質時，透射光的偏振化方向與入射光的偏振化方向相比，轉過了一個角度，通常把這個角度叫做法拉第轉角.。

磁光存儲技術是建立在磁光效應基礎上的，與磁光存儲技術直接相關的是磁光克爾效應。磁光信息記錄在介質上以後，主要是利用磁光克爾效應讀出信息。磁光克爾效應指的是一束線偏振光在磁化了的介質表面反射時，反射光將是橢圓偏振光，而以橢圓的長軸為標誌的“ 偏振面” 相對於入射偏振光的偏振面旋轉了一定的角度。這個角度通常被稱為磁光克爾轉角。

法拉第效應

線偏振光透過放置磁場中的物質，沿著磁場方向傳播時，光的偏振面發生旋轉的現象。也稱法拉第旋轉或磁圓雙折射效應,簡記為MCB。一般材料中，法拉第旋轉（用旋轉角θ_F表示）和樣品長度l、磁感應強度B有以下關係 θ_F=VlB,

V是與物質性質、光的頻率有關的常數,稱為費爾德常數。

因為磁場下電子的運動總附加有右旋的拉莫爾進動，當光的傳播方向相反時，偏振面旋轉角方向不倒轉，所以法拉第效應是非互易效應。這種非互易的本質在微波和光的通信中是很重要的。許多微波、光的隔離器、環行器、開關就是用旋轉角大的磁性材料製作的。利用法拉第效應，還可實現光的顯示、調製等許多重要套用。

克爾磁光效應

線偏振光入射到磁化媒質表面反射出去時，偏振面發生旋轉的現象。也叫克爾磁光效應或克爾磁光旋轉。這是繼法拉第效應發現後，英國科學家J.克爾於1876年發現的第二個重要的磁光效應。

按磁化強度和入射面的相對取向，克爾磁光效應包括三種情況：

• 極向克爾效應, 即磁化強度 M 與介質表面垂直時的克爾效應;
• 橫向克爾效應, 即 M 與介質表面平行, 但垂直於光的入 射面時的克爾效應;
• 縱向克爾效應, 即 M 既平行於 介質表面又平行於光入射面時的克爾效應（如下圖所示）.

在磁光存儲技術中主要套用的是極向克爾效應。

法拉第效應和克爾效應示意圖

極向和縱向克爾磁光旋轉都正比於樣品的磁化強度。通常極向克爾旋轉最大、縱向次之。偏振面旋轉的方向與磁化強度方向有關。橫向克爾磁光效應中實際上沒有偏振面的旋轉，只是反射率有微小的變化，變化量也正比於樣品的磁化強度。1898年P.塞曼等人證實了橫向克爾磁光效應的存在。克爾磁光效應的物理基礎和理論處理與法拉第效應的相同，只是前者發生在物質表面，後者發生在物質體內；前者出現於僅在有自發磁化的物質（鐵磁、亞鐵磁材料）中，後者在一般順磁介質中也可觀察到。它們都與介電張量非對角組元的實部、虛部有關。

塞曼效應

塞曼效應是荷蘭物理學家塞曼在 1896 年發現的。他發現，發光體放在磁場中時，光譜線發生分裂的現象。是由於外磁場對電子的軌道磁矩和自旋磁矩的作用，或使能級分裂才產生的。其中譜線分裂為2條(順磁場方向觀察)或3條（垂直於磁場方向觀察）的叫正常塞曼效應；3條以上的叫反常塞曼效應（見塞曼效應）。

塞曼效應證實了原子磁矩的空間量子化，為研究原子結構提供了重要途徑。塞曼效應也可以用來測量天體的磁場。1908 年美國天文學家海爾等人利用塞曼效應，首次測量到了太陽黑子的磁場。

磁光效應

當左、右旋圓偏振光在置於磁場中的媒質內傳播而有不同的吸收係數時，入射的線偏振光傳播一段距離後會變為橢圓偏振光，這個效應叫法拉第橢圓度效應或磁圓二向色性效應,簡記為MCD。法拉第橢圓度和法拉第旋轉均由媒質的介電張量非對角組元的實部和虛部決定。

科頓－穆頓效應

又稱磁雙折射效應，簡記為MLB。科頓－穆頓效應是 1907 年科頓和穆頓發現的。。佛克脫在氣體中也發現了同樣效應，稱佛克脫效應，它比前者要弱得多。當光的傳播方向與磁場垂直時，平行於磁場方向的線偏振光的相速不同於垂直於磁場方向的線偏振光的相速而產生的雙折射現象。其相位差正比於兩種線偏振光的折射率之差，同磁場強度大小的二次方成正比

當光的傳播方向與外磁場方向垂直時，媒質對偏振方向不同的兩種光的吸收係數也可不同。這就是磁的線偏振光的二向色性，稱磁線二向色性效應，簡記為MLD。

MCD、MLB、MLD的物理起因、巨觀表述及量子力學處理都與法拉第效應類同(實際上可同時完成)。MLB和MLD通常比MCB和MCD要弱得多，但它們與磁場強度（磁化強度）的二次方成正比。因此對這些效應的測量除能得到物質中能級結構的信息外，還能用於微弱磁性變化（單原子層的磁性）的研究。

磁光效應

克爾磁光效應的最重要套用就是觀察鐵磁材料中難以捉摸的磁疇。因不同磁疇區的磁化強度的不同取向使入射偏振光產生方向、大小不同的偏振面旋轉，再經過檢偏器後就出現了與磁疇相應的明暗不同的區域。利用現代技術,不但可進行靜態觀察,還可進行動態研究。這些都導致一些重要發現和關於磁疇、磁學參數的有效測量。

光磁效應

光照射物質後,物質磁性（如磁化率、磁晶各向異性、磁滯回線等）發生變化的現象。早在1931年就有光照引起磁化率變化的報導，但直到1967年R.W.蒂爾等人在摻矽的釔鐵石榴石 (YIG)中發現紅外光照射引起磁晶各向異性變化之後才引起人們的重視。這些效應多與非三價離子的代換有關，這種代換使亞鐵磁材料中出現了二價鐵離子，光照使電子在二、三價鐵離子間轉移，從而引起磁性的變化。因此，光磁效應是光感生的磁性變化，也稱光感效應。當然這只是一種機制，其他機制的光磁效應在光存儲、光檢測、光控器件方面的套用還在研究之中。

磁光效應的套用

雖然法拉第早在 1845 年就發現了磁光效應，但在其後相當長的時間內並未獲得實質性的套用，只是不斷在發現新的磁光效應和建立初步的磁光理論。直到 1956 年，貝爾實驗室②③在偏光顯微鏡下，套用透射光觀察到釔鐵石榴 單晶材料中的磁疇結構，才使得磁光效應的研究向套用領域發展。特別是上世紀60年代，由於雷射的誕生及光電子技術的開發，對物質的磁性和磁光性能的研究才走上快速發展道路。

磁光隔離器

隨著光纖通信、光信息處理和磁光記錄等技術的高速發展，光源的穩定性和魯棒性就顯得至關重要。各種反射光都會嚴重干擾光源的正常輸出，從而影響了整個系統的正常工作。磁光隔離器通過防止反向傳輸的干擾光對光源的影響，提高系統的工作穩定性，實現正向通過，反向隔離的目的。

磁光調製器

磁光調製器是利用偏振光，通過磁光介質，透射光的偏振面發生旋轉來對光束進行調製的一種工具。磁光調製器可用作紅外檢測器的斬波器，紅外輻射高溫計、高靈敏度偏振計等。磁光調製器的工作原理是將電信號先轉換成與之對應的交變磁場，再由磁光效應改變在介質中傳輸的光波的偏振態，從而達到改變光強等參的目的。

磁光感測器

光纖電流感測器具有很好的絕緣性和抗干擾能力以及較高的測量精度，容易小型化。磁光效應感測器就是利用雷射技術發展而成的高性能感測器。光纖電流感測器是根據法拉第效應原理，當一束線偏振光通過置於磁場中的磁光材料時，光的偏振方向發生改變來實現感測器的功能。磁光效應感測器作為一種特定用途的感測器，能夠在特定的環境中發揮自己的功能，也是一種非常重要的工業感測器。

磁光環行器

隨著光纖通信技術在通信領域的套用，具有光的非互易性和自光行進方向耦合端循環的磁光環行器被廣泛套用於光纖通信技術中。利用環行器可在一根光纖內傳輸兩個不同方向的信號，從而大大減小了系統的體積和成本。

磁光存儲記錄

磁光記錄是近年來發展起來的高新技術，是存儲技術的一大飛躍發展。磁光記錄是目前最先進的信息存儲技術，它兼有磁記錄和光記錄兩者的優點，磁光記錄兼有光記錄的大容量和磁記錄的可重寫性。磁光記錄利用磁光克爾效應對記錄信號進行讀出。

磁光存儲記錄

總結與展望

隨著時代的進步、科學技術的發展，對磁光特性的研究必將日益深入，新的磁光材料也會不斷被發現，隨著計算機科學技術的迅速發展, 磁存儲技術獲得巨大進步 , 無論是材料還是技術均日漸成熟，同時越來越多軟體的開發, 對信息存儲設備提出 更高記錄密度、更大存儲容量、體積小、成本低的新要求.磁光學必將獲得更大的發展，磁光材料、器件和測量技術將會展現出更廣闊的套用空間。