磁光效应

来原：点击率：发布时间：2023.09.27

一、 磁光效应

二、磁光效应可分为：法拉第效应、塞曼效应、克尔效应三种。

1.法拉第磁光效应

The Faraday effect or Faraday rotation, sometimes referred to as the magneto-optic Faraday effect (MOFE) is a physical magneto-optical phenomenon. The Faraday effect causes a polarization rotation which is proportional to the projection of the magnetic field along the direction of the light propagation. Formally, it is a special case of gyroelectromagnetism obtained when the dielectric permittivity tensor is diagonal.

法拉第效应或法拉第旋转，有时被称为磁光法拉第效应（MOFE），是一种物理磁光现象。法拉第效应引起的偏振旋转与磁场沿光传播方向的投影成正比。形式上，这是介电常数张量为对角线时得到的回转电磁学的特例。

当一束平面偏振光通过置于磁场中的磁光介质时，平面偏振光的偏振面就会随着平行于光线方向的磁场发生旋转，偏转的角度称为法拉第旋转角。

图1法拉第磁光效应示意图

旋转角度：ψ

Verdet常数：V

磁场强度：B

光在旋光物质中经过的路径：L

2.塞曼效应（Zeeman Effect）

The Zeeman effect (/ˈzeɪmən/; Dutch pronunciation: [ˈzeːmɑn]), named after Dutch physicist Pieter Zeeman, is the effect of splitting of a spectral line into several components in the presence of a static magnetic field. It is analogous to the Stark effect, the splitting of a spectral line into several components in the presence of an electric field. Also similar to the Stark effect, transitions between different components have, in general, different intensities, with some being entirely forbidden (in the dipole approximation), as governed by the selection rules.

塞曼效应 (/ˈzeɪmən/，荷兰语发音[ˈzeːmɑn])，以荷兰物理学家Pieter Zeeman的名字命名，是在静态磁场存在下，谱线分裂成若干分量的效应。它类似于斯塔克效应，即在电场作用下，谱线分裂成若干分量。同样类似于斯塔克效应，不同组分之间的跃迁通常具有不同的强度，其中一些跃迁被完全禁止（在偶极子近似下），这取决于选择规则。

图2 单个原子在外加水平方向恒定磁场中受力示意图

如图2示：当绿色的电子从右上向右下围绕原子核逆时针（红色箭头所示）运动（左侧在纸面以上，右侧在纸面以下）时，则左侧受外加磁场产生的力（红色箭头所示）向纸面左下方；右侧则向纸面右上方。电子运动的轨道平面将向左旋转；而电子围绕原子核的运动方向相反（黄色箭头所示）时，电子的受力方向也相反（黄色箭头所示），电子运动的轨道平面将向右旋转。因此，当同一原子或不同原子中同时存在向不同方向运动的电子时，在同一外加恒定磁场的作用下，电子的轨道平面会朝相反的方向偏转。从而导致原来的一种电子运动轨道平面变成三种不同的轨道平面。

另一方向，外加磁场施加在电子上的磁力不仅会改变其运动轨道平面，同时会改变其围绕原子核的运动速度（沿电子运动方向的磁力分量会使电子的运动速度发生变化），从而导致电子围绕原子核的运动频率发生一定的变化。也就会导致特征谱线的频率随之发生细微变化。同时，与外加磁场方向夹角不同的电子轨道平面上的电子所受到的磁力也会存在一定的变化。因此，对于原子量（电子数量）较大的元素原子而言，由于处于不同轨道平面内的电子受到外加磁场作用力的不同、转道面的改变程度也会不同，从而导致塞曼效应复杂化。

总之，塞曼效应是外加磁场改变了原子中电子运动轨道平面和围绕原子核的运动频率，从而导致原子产生的光谱发生频率和偏振方向的变化。

3.克尔效应（Kerr Effect）

The Kerr effect, also called the quadratic electro-optic (QEO) effect, is a change in the refractive index of a material in response to an applied electric field. The Kerr effect is distinct from the Pockels effect in that the induced index change is directly proportional to the square of the electric field instead of varying linearly with it. All materials show a Kerr effect, but certain liquids display it more strongly than others. The Kerr effect was discovered in 1875 by John Kerr, a Scottish physicist.

克尔效应，也称为二次电光效应（QEO），是指材料的折射率随外加电场的变化而变化的现象。克尔效应不同于泡克尔斯效应，因为诱导折射率的变化与电场的平方成正比，而不是线性变化。所有材料都表现出克尔效应，但某些液体比其他液体表现得更强烈。克尔效应是1875年由苏格兰物理学家约翰·克尔发现的。

因反射光实质上是由反射界面上原子被入射光极化后产生的次生光的一部分。当两种偏振方向垂直的光同时照射在反射界面上时，被照射的原子会同时受到两个垂直方向的库仑力和磁力的作用而呈现两个方向的同时极化而产生两个方向的次生偏振光。由于介质存在磁性或存在外加恒定磁场时，在磁场的作用下，原子被两个方向的力极化的程度就会存在差异：平行磁场与垂直磁场方向的极化偶极矩就会不同，其产生的次生光强度自然就会不同。从而导致反射光是由两个强度不同的垂直次生偏振光叠加而成的椭圆偏振光了。

图3克尔效应示意图

如图3示：当光照射到介质界面上时，原子中的电子（图中的绿色球体）就会增加沿坐标轴X、Y和Z三个方向上的、与入射光频率相同的往复振动（光的电场使其改变运动状态）

①入射光为圆偏振光（垂直于光的传递方向平面内各个方向的振幅相等）时

见图3，当沿XY平面和YZ平面内的入射光的偏振强度相等时，则随着入射光角度的变小，电子受到入射光产生的、平行于X轴方向的电场力将不会变化，沿Y轴方向的电场力会逐渐增大，而沿Z轴方向的电场力将趋于0。因此，当入射角为0时，电子受到的入射光所产生的电场力沿X和Y轴方向相等，沿Z轴方向为0。在此种情况下，极向克尔效应为随入射角变小、克尔效应由长轴为X轴的椭圆向圆变化（效应超于0）。因为外加磁场会使电子受到沿X轴和沿Y轴方向的磁力从X轴更强逐渐趋于相等；纵向克尔效应为沿X轴为长轴的椭圆偏振光逐渐趋于圆偏振光。因为外加恒定磁场会使沿X轴方向运动的电子受到沿Z轴方向的磁力，但不会改变沿X和Y轴方向的电子运动状态；横向克尔效应纵向克尔效应类似。

②入射光为沿X方向线偏振光（垂直于光的传递方向并平行于X轴方向）时

见图3，当入射光为沿X方向的线偏振光时，电子受到入射光产生的电场力平行于X轴方向，无平行于Y轴和Z轴的电场力。在此种情况下，极向克尔效应为沿X或Y轴方向的椭圆偏振光（长轴方向由外加磁场对电子施加的沿Y轴方向的磁力与入射光对电子施加的沿X轴方向的电场力的比值决定）；纵向克尔效应为随入射角变小的、沿X轴为长轴的椭圆偏振光，当入射角为0度时，则克尔效应为0；横向克尔效应为没有。

③入射光为垂直入射光传递方向并偏振方向在Y轴和Z轴构成的平面内的线偏振光时

见图3，入射光沿X轴方向的电场强度为0，不会使电子沿X轴方向受力；沿Y轴和Z轴方向电子受到的入射光电场力与入射角直接相关：入射角越小，Y轴方向的力越大、Z轴方向的力越小。在此种情况下，极向克尔效应为沿X或Y轴方向的椭圆偏振光（长轴方向由外加磁场对电子施加的沿X轴方向的力与入射光对电子施加的沿Y轴方向的电场力的比值决定）；纵向克尔效应为没有；横向克尔效应为随入射角变小的、沿Y轴为长轴的椭圆偏振光，当入射角为0度时，则克尔效应为0。

二、常见磁光晶体材料

1.稀土正铁氧体

稀土铁酸盐ReFeO3(Re为稀土元素)又名正铁氧体，由Forestier等于1950年发现，属于最早被发现的磁光晶体

这类晶体由于熔体对流十分强烈、非稳态振荡严重且表面张力大，难以定向生长，不适合使用提拉法生长，而使用水热法和助溶剂法得到的晶体纯度较差，目前相对有效的生长方法是光学浮区法，因此大尺寸、高质量的稀土正铁氧体单晶的生长比较困难。由于稀土正铁氧体晶体居里温度高(达643K)，具有矩形磁滞回线且矫顽力较小(常温下约0．2emu/g)，在透过率较高时(75%以上)，具有应用于小型磁光隔离器的潜力。

2.稀土钼酸盐

稀土钼酸盐体系中，被研究较多的有白钨矿型两倍钼酸盐(ARe(MoO4)2，A为非稀土金属离子)、三倍钼酸盐(Ｒe2(MoO4)3)、四倍钼酸盐(A2Re2(MoO4)4)和七倍钼酸盐(A2Ｒe4(MoO4)7)。

这类晶体大部分为同成分熔融化合物，可采用提拉法生长。但由于生长过程中存在MoO3挥发，需要优化温场和制料工艺减弱其影响。稀土钼酸盐在大温度梯度下生长缺陷问题还没有得到有效解决，无法实现大尺寸晶体生长，因此无法应用于大尺寸磁光隔离器。由于在可见-红外波段，其费尔德常数与透过率相对较高(75%以上)，适用于小型化磁光器件。

3.含铽铌酸盐

牛津大学的Garton等于1968年采用熔盐法生长出含铽铌酸盐(Tb3NbO7)晶体。

研究发现，含铽铌酸盐在可见-红外波段没有明显的基质吸收，并且由于其对称性较高，晶体的双折射对磁光效应影响较少。此外，其费尔德常数很高(在λ=532nm处可达283rad/(m·T))，但助熔剂法生长得到的晶体容易有杂质且尺寸较小，因此只适用于小型化磁光器件。

4.钇铁石榴石磁光晶体(YIG)

YIG是一类发现较早、研究较广且应用历史也较悠久的磁光晶体。它属于立方晶系、石榴石结构，每个单位晶胞中包含8个Y3Fe5O12，64个金属离子均处于间隙位置。由于YIG晶体为非同成分熔融化合物，不适合使用提拉法生长，多年来晶体尺寸很难得到突破。

5.含铽石榴石晶体

含铽石榴石晶体包括铽铝石榴石(TAG)、铽镓石榴石(TGG)和铽钪铝石榴石(TSAG)晶体，是目前磁光晶体领域研究和应用较广的一类晶体，主要应用于可见-近红外波段。这类晶体属于立方晶系、Ia-3d空间群。

TGG 样品图

TSAG 样品图

三、磁光晶体材料应用

1.偏振有关型磁光隔离器

偏振有关型磁光隔离器的基本结构包括起偏器、检偏器、沿轴向的环形永磁铁和磁光材料。磁光材料通常固定在环形磁铁中心，FR旋光角度45°，起偏器和检偏器通光方向夹角为45°。光沿磁场方向正向入射时，从起偏器射出的线偏光穿过FＲ后，其偏振面旋转45°，之后完全透过检偏器。由于磁光效应具有非互易性，当光线反向入射时，从检偏器射出的线偏光经过FＲ后，偏振面沿同方向继续旋转45°，此时偏振方向与起偏器夹角为90°，无法通过。经过这样一个过程就实现了正向通过，反向隔离的效果。

2.偏振无关型磁光隔离器

偏振无关型磁光隔离器与光的偏振方向不敏感，适合向小型化方向发展，在光纤通信与光缆电视系统等领域较为常用。这种隔离器包括两个双折射楔形透镜、两个渐变折射率透镜和一个法拉第旋光器。楔形透镜的楔角约1°～6°，视不同晶体材料而定，通常是钒酸钇、方解石或者金红石，在实际光路中，两个颠倒放置的双折射楔形晶体的光轴夹角45°。正向入射的自然光通过第一个楔形透镜(W1)之后，会分解为o光(寻常光)和e光(非寻常光)射出，而楔角的存在，使得二者的传播方向存在一小夹角。两束偏振光在经过FＲ之后，原来的o光变成e光，原来的e光变成o光，射入第二个楔形透镜(W2)。在出射后，这两束光成为稍有横向位移的平行光束，然后由渐变折射率透镜耦合至光纤。当光反向射入时，从W2射出的o光和e光，经过FＲ偏正面旋转后，到达W1时还是相应的o光、e光，这就导致两束光夹角再次加大，实际中，正向透过时，光斑中心只有几十微米位移，损耗较低］。联系17768100252获得更多交流。2015年，杜伟等用YVO4晶体作为楔形透镜材料，TGG晶体作为FＲ的旋光材料，NdFeB材料作为FＲ的磁体材料，设计了偏振无关型磁光隔离器，并将两个相同的磁光隔离器级联，形成双级偏振无关型磁光隔离器，其隔离度达到50dB。在两类磁光隔离器中，都需要利用法拉第磁光效应使线偏光的偏振面发生偏转，其中以磁光材料为核心的法拉第旋转器(FＲ)发挥了不可替代的作用。磁光材料的性能直接决定了磁光隔离器的性能，磁光材料的尺寸也决定了磁光隔离器的大小。