磁光材料簡(jiǎn)介

1、磁光材料的研究現(xiàn)狀1. 綜述磁光材料是具有磁光效應(yīng)的材料，磁光效應(yīng)包括法拉第效應(yīng)、磁光克爾效應(yīng)、塞曼效應(yīng)和磁致線雙折射效應(yīng)（科頓-穆頓效應(yīng)和瓦格特效應(yīng)）等。磁光材料需要同時(shí)具備一定的光學(xué)特性和磁學(xué)特性。1.1法拉第效應(yīng)法拉第效應(yīng)指偏振光通過(guò)磁場(chǎng)下的介質(zhì)后，偏振面因磁場(chǎng)作用而發(fā)生偏轉(zhuǎn)。 f=VBd其中f是沿著光線傳播方向看去偏振面的旋轉(zhuǎn)角，叫做法拉第轉(zhuǎn)角；V是Verdet常數(shù)，與材料性質(zhì)有關(guān)；B是磁感應(yīng)強(qiáng)度在光線傳播方向上的投影；d是光在介質(zhì)中傳播的距離。當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度投影B與光線傳播方向同向時(shí)，偏振面右旋，f<0；反之，偏振面左旋，f>0。與普通旋光效應(yīng)不同的是，光線通過(guò)介質(zhì)后再反射

2、，原路返回再次通過(guò)介質(zhì)，偏振面會(huì)在原來(lái)的基礎(chǔ)上再旋轉(zhuǎn)f角，而不是恢復(fù)原狀。這為利用法拉第效應(yīng)的磁致旋光材料提供了一種新的應(yīng)用空間，如磁光調(diào)制器、磁光隔離器等。目前，對(duì)法拉第效應(yīng)磁光材料的研究相對(duì)透徹，應(yīng)用也相對(duì)廣泛。以釔鐵石榴石（Y3Fe5O12，簡(jiǎn)稱(chēng)YIG）為代表的稀土鐵石榴石（Re3Fe5O12）材料是常見(jiàn)的法拉第效應(yīng)磁光材料1。1.2磁光克爾效應(yīng)磁光克爾效應(yīng)指線偏振光在磁化的介質(zhì)表面反射后，在磁場(chǎng)作用下偏振面發(fā)生偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)角度稱(chēng)為磁光克爾轉(zhuǎn)角k。根據(jù)磁場(chǎng)強(qiáng)度方向的不同，磁光克爾效應(yīng)分為三種：極向克爾效應(yīng)：磁場(chǎng)方向垂直于介質(zhì)表面，通常，k隨入射角的減小而增大；橫向克爾效應(yīng)：磁場(chǎng)方向平行與介

3、質(zhì)表面且垂直于入射面，光線的偏振方向不會(huì)發(fā)生變化，p偏振光入射時(shí)會(huì)發(fā)生微小的反射率變化；縱向克爾效應(yīng)：磁場(chǎng)方向平行與介質(zhì)表面且平行于入射面，k隨入射角的減小而減小，縱向克爾效應(yīng)的強(qiáng)度比極向克爾效應(yīng)小幾個(gè)數(shù)量級(jí)，不易觀察。應(yīng)用最廣的是極向克爾效應(yīng)，可用來(lái)進(jìn)行磁光存儲(chǔ)和觀察磁體表面或磁性薄膜的磁疇分布。1.3塞曼效應(yīng)塞曼效應(yīng)指光源位于強(qiáng)磁場(chǎng)中時(shí)，分析其發(fā)光的譜線，發(fā)現(xiàn)原來(lái)的一條譜線分裂成三條或更多條。原子位于強(qiáng)磁場(chǎng)中時(shí)，破壞自旋-軌道耦合，一個(gè)能級(jí)分裂成多個(gè)能級(jí)，而且新能級(jí)間有一定的間隔，能級(jí)的分裂導(dǎo)致了譜線的分裂。能級(jí)分裂的方式與角量子數(shù)J和朗德因子g有關(guān)。塞曼效應(yīng)證明了原子具有磁矩，而且磁矩的

4、空間取向量子化。塞曼效應(yīng)可應(yīng)用于測(cè)定角量子數(shù)和朗德因子，還可分析物質(zhì)的元素組成。1.4磁致線雙折射效應(yīng)磁致線雙折射效應(yīng)指透明介質(zhì)處于磁場(chǎng)中時(shí)，表現(xiàn)出單軸晶體的性質(zhì)，光線入射能產(chǎn)生兩條折射線。在鐵磁和亞鐵磁體中的磁致線雙折射效應(yīng)稱(chēng)作科頓-穆頓效應(yīng)，反鐵磁體中的磁致線雙折射效應(yīng)稱(chēng)作瓦格特效應(yīng)2.磁致線雙折射效應(yīng)可用于測(cè)量物質(zhì)能級(jí)結(jié)構(gòu)，研究單原子層磁性的微弱變化等2. 研究現(xiàn)狀本章將介紹多種磁光材料的前沿應(yīng)用和理論研究，并結(jié)合本人所學(xué)知識(shí)給出相應(yīng)的評(píng)價(jià)和啟發(fā)。個(gè)人評(píng)價(jià)用加粗字體給出。2.1利用法拉第效應(yīng)進(jìn)行焊接檢測(cè)3根據(jù)法拉第效應(yīng)，偏振光通過(guò)磁場(chǎng)中的介質(zhì)后，偏振面轉(zhuǎn)過(guò)一定角度，通過(guò)偏振角一定的偏振片

5、后，就會(huì)表現(xiàn)為不同的亮度。工作時(shí)，將光源、起偏器、反射鏡、直流電磁鐵、光反射面、磁光薄膜、檢偏器、CMOS成像裝置和焊件按圖1組裝。圖 1 焊接缺陷磁光成像原理圖其中磁光薄膜應(yīng)具有以下特性：透光性好，色散強(qiáng)，具有順磁性，磁化率較大。這樣能在磁光薄膜處準(zhǔn)確地反應(yīng)焊件的磁化狀態(tài)，并獲得較高的Verdet常數(shù)和較大的法拉第轉(zhuǎn)角。若被檢測(cè)處沒(méi)有缺陷，焊件連為一體，與直流電磁鐵組成完整磁路，由于焊件較薄，焊件的磁化方向是由N極指向S極，與焊件表面水平，這樣磁光薄膜中，在光線方向上磁場(chǎng)的投影為0，透過(guò)檢偏器后成像時(shí)光強(qiáng)度是均勻的，I0=Icos2；若被檢測(cè)處有缺陷，則焊件在缺陷兩側(cè)分為兩個(gè)獨(dú)立部分，無(wú)法連

6、成完整磁路，這樣就出現(xiàn)了不均勻的磁化，即N極、S極附近的焊件被垂直磁化，不閉合的焊縫處存在水平磁場(chǎng)，同樣的磁場(chǎng)分布體現(xiàn)在磁光薄膜中，N極上的焊件反射光偏振面轉(zhuǎn)過(guò)角（實(shí)際在入射和反射過(guò)程中都發(fā)生了法拉第效應(yīng)，若薄膜厚度為d，應(yīng)有=2VBd），S極上的焊件反射光偏振面轉(zhuǎn)過(guò)-角，缺陷處不發(fā)生偏振面轉(zhuǎn)動(dòng)。透過(guò)檢偏器后，將得到不同的光強(qiáng)：I1=Icos2(-)I2=Icos2(+)I0=Icos2控制>，則有I1>I0>I2，成像后得到明暗不等的區(qū)域，如圖2圖 2 焊件磁光成像可見(jiàn)，磁光成像技術(shù)可明顯顯示焊件中的微小缺陷，系統(tǒng)容易接入自動(dòng)化控制，可在焊接同時(shí)進(jìn)行檢測(cè)，大大提高了作業(yè)效率

7、。同理，磁光成像技術(shù)還可用于其他金屬件的無(wú)損探傷。與其他無(wú)損探傷方式4相比，磁光成像具有易讀、明顯和數(shù)字化的特點(diǎn)，在無(wú)損探傷領(lǐng)域由廣泛的應(yīng)用前景。2.2磁光隔離器磁光隔離器是保證光單向傳播的器件1，一般用來(lái)保護(hù)激光光源，防止其激發(fā)受到反射光的干擾，對(duì)光纖通信和激光技術(shù)由重要意義。磁光隔離器由一個(gè)45°法拉第旋光器和一對(duì)Glan-Thompson棱鏡5組成，并按照?qǐng)D3的方式組裝。圖 3 磁光隔離器示意圖設(shè)置起偏器角度以使偏振光能完全透過(guò)第一個(gè)Glan-Thompson棱鏡。之后偏振光透過(guò)法拉第旋光器，偏振角增大45°，由于Glan-Thompson棱鏡的組裝方式為相互錯(cuò)開(kāi)45

8、°，通過(guò)法拉第旋光器的偏振光剛好能透過(guò)第二個(gè)Glan-Thompson棱鏡，反射光也如此。之后反射光也通過(guò)法拉第旋光器，由于法拉第效應(yīng)的特性，偏振面會(huì)向相同方向再轉(zhuǎn)45°，得到與入射光偏振面夾角為90°的偏振光，這樣的偏振光不能通過(guò)第一個(gè)Glan-Thompson棱鏡，因而防止反射光干擾光源的激發(fā)。磁光隔離器應(yīng)注重改良磁光材料的光學(xué)性能，減少透過(guò)旋光器時(shí)的強(qiáng)度損耗。為了實(shí)現(xiàn)設(shè)備的小型化，材料應(yīng)有較大的Verdet常數(shù)，以在介質(zhì)長(zhǎng)度較小的條件下實(shí)現(xiàn)45°法拉第轉(zhuǎn)角。目前已發(fā)現(xiàn)摻Bi稀土石榴石有較強(qiáng)的法拉第效應(yīng)1，日本實(shí)現(xiàn)了Bi3Fe5O12單晶的制取6，V

9、erdet常數(shù)非常高，可在薄膜尺度實(shí)現(xiàn)45°法拉第轉(zhuǎn)角，為集成磁光隔離器的制造提供了條件。2.3基于磁光克爾效應(yīng)的磁疇成像磁光克爾效應(yīng)指線偏振光在磁化的介質(zhì)表面反射后，在磁場(chǎng)作用下偏振面發(fā)生偏轉(zhuǎn)的現(xiàn)象。根據(jù)磁場(chǎng)方向不同分為極向、橫向和縱向克爾效應(yīng)，常用的是效果較為明顯的極向克爾效應(yīng)和縱向克爾效應(yīng)。偏振光在磁性材料表面反射時(shí)，由于入射角和磁場(chǎng)強(qiáng)度和方向的差別，偏振角會(huì)產(chǎn)生不同的變化，經(jīng)過(guò)偏振片后成像體現(xiàn)為不同的亮度。鐵磁體中原子磁矩自發(fā)磁化排列成多個(gè)磁疇，每個(gè)磁疇都有特定的磁化方向，用偏振光照射材料表面，就會(huì)發(fā)生不同程度的磁光克爾效應(yīng)，處理后就能觀察到不同亮度的磁疇。磁光克爾成像系統(tǒng)主

10、要有兩種7，如圖4圖 4磁光克爾成像系統(tǒng)示意圖(a)具有較寬視場(chǎng)，適合觀測(cè)大塊磁疇；(b)具有顯微光路，能在高分辨率下觀察磁疇的顯微結(jié)構(gòu)。根據(jù)樣品的實(shí)際情況選擇適當(dāng)?shù)某上裣到y(tǒng)，可以方便而準(zhǔn)確地觀察到理想的磁疇結(jié)構(gòu)。2.4電光-磁光互補(bǔ)電傳感器電光效應(yīng)指各向同性材料置于電場(chǎng)中時(shí)變?yōu)楦飨虍愋裕涔鈱W(xué)性質(zhì)隨之改變，產(chǎn)生線性雙折射；磁光效應(yīng)在這里指法拉第效應(yīng)。某些晶體同時(shí)具有電光效應(yīng)和磁光效應(yīng)，如閃爍鍺酸鉍（Bi4Ge3O12）、閃爍硅酸鉍（Bi4Si3O12）、鍺酸鉍（Bi12GeO20）、硅酸鉍（Bi12SiO20）和石英（SiO2）等8。將螺線管通電流，就產(chǎn)生了與電流成正比的磁場(chǎng)；在極板兩極加電

11、壓，就產(chǎn)生了與電壓成正比的電場(chǎng)。將螺線管、極板和上述晶體組合起來(lái)，晶體同時(shí)受電場(chǎng)和磁場(chǎng)的作用，同時(shí)且獨(dú)立地發(fā)生電光效應(yīng)和磁光效應(yīng)，經(jīng)過(guò)晶體的偏振光在經(jīng)過(guò)檢偏器，呈現(xiàn)出一定的強(qiáng)度，研究光強(qiáng)、磁場(chǎng)和電場(chǎng)的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)其圖像是一個(gè)三維曲面，自由度為2，也就是說(shuō)，確定光強(qiáng)、磁場(chǎng)和電場(chǎng)之中任意兩個(gè)量，就可以求得第三個(gè)量。由于磁場(chǎng)與電流、電場(chǎng)與電壓是一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，而光強(qiáng)需要嚴(yán)格處理和控制，不適宜作為待測(cè)量，所以一般選用電壓補(bǔ)償控制光強(qiáng)恒定來(lái)測(cè)定電流，或電流補(bǔ)償控制光強(qiáng)恒定來(lái)測(cè)定電壓。實(shí)驗(yàn)裝置如圖5。圖 5 電光補(bǔ)償型光學(xué)電流傳感器實(shí)驗(yàn)裝置示意圖該裝置可以測(cè)量直流電流、電壓，交流電流、電壓有效值和波形等電學(xué)量

12、，量程靈活，適宜多種情況下的測(cè)量。應(yīng)當(dāng)注意的是，測(cè)量交流電時(shí)，電光-磁光晶體需要盡量減小其矯頑力和損耗，選用軟磁材料，以提高測(cè)量精度。2.5磁光金屬非金屬磁光晶體往往透光性較好，但Verdet常數(shù)較小，不適宜制作小型器件。后來(lái)人們發(fā)現(xiàn)某些金屬也具有法拉第效應(yīng)，但由于厚金屬透光性太差，無(wú)法投入應(yīng)用。研究發(fā)現(xiàn)，不透光的兩種單負(fù)特異材料組合在一起可以產(chǎn)生光隧穿效應(yīng)9，制成的器件可以透光。金屬通常是電單負(fù)材料，全介質(zhì)光子晶體通常是磁單負(fù)材料。Ag是一種透光率低但Verdet常數(shù)極大的磁光金屬，為了利用Ag強(qiáng)大的磁光效應(yīng)，研究提出了一種三明治膜結(jié)構(gòu)，即一層Ag薄膜兩側(cè)匹配全介質(zhì)光子晶體薄膜。這樣不僅獲得

13、了良好的透光性，還獲得了很大的Verdet常數(shù)，納米尺度的此種薄膜就可以產(chǎn)生45°法拉第轉(zhuǎn)角10。這為磁光設(shè)備小型化提供了條件，有很好的研究和應(yīng)用前景。3. 參考文獻(xiàn) 1張溪文,董博,洪煒,婁驍,張守業(yè),韓高榮.光隔離器及其相關(guān)的磁光材料J.材料科學(xué)與工程,2002(03):438-440.2周靜,王選章,謝文廣.磁光效應(yīng)及其應(yīng)用J.現(xiàn)代物理知識(shí),2005(05):45-47.3高向東,李國(guó)華,蕭振林,陳曉輝.焊接缺陷的磁光成像小波多尺度識(shí)別及分類(lèi)J.光學(xué)精密工程,2016,24(04):930-936.4沈功田.中國(guó)無(wú)損檢測(cè)與評(píng)價(jià)技術(shù)的進(jìn)展J.無(wú)損檢測(cè),2008(11):787-793.5吳福全,許曉平,李國(guó)華.光學(xué)介質(zhì)膜在短型格蘭·湯普遜棱鏡中的應(yīng)用J.曲阜師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),1995(01):48-52.6 N. Yahya et al., "Synthesis and Characterization of Single Crystals Y3Fe5O12 and Bi3Fe5O12 Prepared via Sol Gel Technique", Defect and Diffusion Forum,