磁光效应简介及其应用

陈俊如

摘 要：磁光效应是电磁波在被施加准静态磁场物体中传播的种种现象。在这些旋磁材料中，左旋和右旋椭圆偏振光可以以不同速率在介质中传播，导致一些很重要的效应。当光线经过一层磁光物质后，会导致法拉第效应：光线的偏振面可以被旋转，成为法拉第旋光器。当光线被磁光物质反射后，会产生磁光克尔效应。在最近的数十年里，光电技术日益在高新领域获得广泛应用，而在同时，以磁光效应为原理的各种器件也展现出了非常独特的性质和极其光明的应用未来。

关键词：磁光效应；法拉第效应；磁光克尔效应；塞曼效应

一、法拉第效应

法拉第效应又称法拉第旋转，它是一种磁光效应。他的机理是，在传播介质中，光——可见的电磁波与介质中的磁场会有相互作用。

这个相互作用的结果就是能导致偏振平面的旋转，同时，旋转幅度与磁场沿着光传播方向的投影分量成正比。

对于透明物质，偏振的旋转角弧与磁场的关系为

β=γBd

在这个公式中，β是旋转的角度，即光波被磁场作用弯折的程度。而B则是磁场沿光传播方向的投影。至于d则是光与磁场相互作用的距离。γ称为韦尔代常数，与材料的本身性质、光波的波长和周围环境温度有密切的关系。

我们先假定韦尔代常数是正数，那么当光的传播的方向和磁场的方向一致的时候，顺着光的传播方向，光波的偏振就会沿着顺时针。同理，当光的传播的方向和磁场的方向相反时，偏振就是逆时针旋转。如果存在反射的现象，即光通过介质后，再被反射回来再次穿过介质，那么相当于作用了两次，也就是说旋转角度就会加倍。

二、磁光克尔效应

磁光克爾效应是偏振光从有磁畴的铁磁体反射后，偏振面变化；进而引起光的强度变化的现象，称为磁光克尔效应。这是约翰·克尔于1877年发现的。

磁光克尔效应的原理是：从铁磁体表面反射的极化光，变成了椭圆偏振光；并且其长轴发生转动；转动的大小与表面磁畴的磁化向量成分成正比。它的物理根源是磁圆二向色性；在磁性材料中，光和自旋轨道偶合，导致对左，右旋的极化光吸收不同的缘故。磁光克尔效应从铁磁体的磁化向量相对光的入射面和反射面又可分成三大类：

（1）极性的磁光克尔效应：磁化向量垂直反射面，但与入射面平行。

（2）纵向磁光克尔效应：磁化向量和入射面及反射面同时平行。

（3）横向磁光克尔效应：磁化向量和入射面垂直，但平行于反射面。

磁光克尔效应一般观察表面深度为1020nm的磁畴，因此，最适合用于磁性薄膜磁性的研究；也可用此效应做成显微镜，作为磁性研究的一种手段。

三、磁光效应的应用

尽管法拉第作为一个先驱者，他在1845年就早早发现了磁光效应。但是，在其后100多年的时间里，磁光效应都没有得到有效的应用，只是不断地完善理论。时间到了1956年，地点贝尔实验室，通过偏光显微镜，使用透射光，来观测钇铁石榴单晶材料中的磁畴结构，这才标志着磁光效应向应用领域发展。在1960年之后，得益于激光技术的从无到有，磁光效应的应用才算走上了快车道。

（一）磁光调制器

磁光调制器是用来调制光束的一起，原理是让偏振光在经过介质时发生旋转。磁光调制器的应用很多，比如红外检测器的斩波器、测量红外辐射的高温计以及高灵敏度的偏振计。

（二）磁光隔离器

光学隔离器，又称光学二极体，是一种可限制光线向特定方向行进的光学仪器。它通常被用来防止多余的反馈光线进入光学振荡器中，例如雷射腔。其运作原理乃为法拉第效应（磁光效应所造成），而该效应被用在其主元件，亦即法拉第旋光器中。

光学隔离器的主元件是法拉第旋光器。我们在旋光器中施加一个磁场。它的磁感应强度在光线传播方向上的分量大小为B。这个磁场会使光线通过旋光器时偏振方向发生旋转。旋转角度β为：

β=γBd

其中γ是旋光器材料（非晶体或晶体；固体，液体或气体）的韦尔代常数，d则是旋光器的长度。在光学隔离器中，旋转角度被特别设为45度。

另外，任何种类的光学隔离器（不仅是法拉第隔离器）都需要某种非互换性机制。

（三）磁光环行器

当光纤技术和通信技术的应用愈加广泛，磁光环行器同时也被用在光纤和通信技术之中。他的原理是，利用环行器能够在同一根光纤内传输两个方向不同的信号的原理，使得系统的体积一次性减半，从而大大降低成本。

四、总结

时代在进步，科学技术也在随之发展，磁光效应从1845年的初步茅庐，继而100多年无人问津，然后到了这近半个世纪的高速发展。在未来，磁光特性的相关研究，一定会更加深入，同时，计算机科学的发展愈快，磁存储技术也将获得质的飞跃。磁光学作为一个整体科学，将来的发展前景可期，相关的磁光应用亦将更加广阔。

参考文献：

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