磁光效应及其应用_周静

磁光效应及其应用_周静
磁光效应及其应用_周静

17卷5期(总101期)

19世纪中至20世纪初是科学发现的黄金时

期,各领域的伟大发现如雨后春笋般涌出,若干种对于了解固体物理特性并揭示其内部电子态结构有着重要意义的磁光效应现象也相继被发现,但至20世纪60年代末,对这一现象的研究主要集中在基础理论的探索和实验数据的积累方面。近几十年来,当光电子技术在新兴高科技领域获得日益广泛应用的同时,以磁光效应原理为背景的各种磁光器件也显示了其独特的性能和极为广阔的应用前景,并引起了人们浓厚的兴趣。

一、磁光效应(Magnetic-opticalEffect)磁光效应指的是具有固有磁矩的物质在外磁场的作用下,电磁特性发生变化,因而使光波在其内部的传输特性也发生变化的现象。1845年,英国物理学家法拉第(Faraday)发现,入射光线在被磁化的玻璃中传播时,其偏振面会发生旋转,这是物理学史上第一次发现的磁光效应,称之为法拉第效应。受法拉第效应的启发,1876年克尔(Kerr)又发现了光在磁化介质表面反射时偏振面旋转的现象,即磁光克尔效应。随之在八九十年代又发现了塞曼效应和磁致线双折射效应。

法拉第效应当线偏振光沿磁场方向通过置于磁场中的磁光介质时,其偏振面发生旋转的现象称为磁致旋光效应,这一效应最早由法拉第发现,通常又称为法拉第旋转效应。如图1所示,假设有一圆柱形磁光介质,沿着轴线方向外加一稳恒磁场H(此磁场值处在法拉第旋转器件的工作区内)。在这种情况下,将发生法拉第旋转效应,光波的偏振面绕传输轴连续右旋(相对于H而言),直至磁光介质的终端,偏振面右旋了某一角度!。

法拉第效应可分为右旋和左旋两种:当线偏振光沿着磁场方向传播时,振动面向左旋;当光束逆着磁场方向传播时,振动面将向右旋。

磁光克尔效应磁光克尔效应指的是一束线偏振光在磁化了的介质表面反射时,反射光将是椭圆偏振光,而以椭圆的长轴为标志的“

偏振面”相对于入射偏振光的偏振面旋转了一定的角度。这个角度通常被称为克尔转角,记作"k,如图2所示。

按照磁化强度取向磁光克尔效应又大致分为三种情况:(1)极向克尔效应,即磁化强度M与介质表面垂直时的克尔效应;(2)横向克尔效应,即M与介质表面平行,但垂直于光的入射面时的克尔效应;(3)纵向克尔效应,即M既平行于介质表面又平行于光入射面时的克尔效应。在磁光存储技术中主要应用的是极向克尔效应。

塞曼效应1886年,塞曼(Zeeman)发现当光源放在足够强的磁场中时,原来的一条谱线分裂为几条具有完全偏振态的谱线,分裂的条数随能级的类别而不同,后人称此现象为塞曼效应。

塞曼效应证实了原子具有磁矩和在磁场空间取向量子化,从塞曼效应的实验结果可以推断能级分裂的情况,根据光谱线分裂的数目可以知道量子数

J的数值,根据光谱线分裂的间隔可以测量g因子

的数值,因此,塞曼效应是研究原子结构的重要方法之一。

磁致线双折射效应磁致线双折射在磁光晶体

的光学研究中也会经常遇到。构成介质的分子有各

磁光效应及其应用

周静

王选章

谢文广

图1法拉第效应

图2

克尔效应

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现代物理知识

向异性的性质,即具有永久磁矩。在不加磁场时各分子的排列杂乱无章,使得介质在宏观上表现为各向同性,而在加上足够强的外磁场时,分子磁矩受到了力的作用,各分子对外磁场有了一定的取向,从而使介质在宏观上有了各向异性的性质。在磁场中的介质,当光以不同于磁场的方向通过它时,也会出现象单轴晶体那样的双折射现象,称为磁致线双折射效应。磁致线双折射效应又包括科顿—穆顿效应(Cotton-Moutoneffect)和瓦格特效应(Voigteffect),通常把铁磁和亚铁磁介质中的磁致线双折射称为科顿—穆顿效应,反铁磁介质中的磁致线双折射称为瓦格特效应。

二、磁光效应的应用

虽然有关磁光现象的理论研究快速发展,但其相应的实用性研究直到上个世纪50年代才开始。美国贝尔实验室的狄龙于1956年在偏光显微镜下,利用透射光观察到了钇铁石榴石单晶中的磁畴结构。从此,各种以磁光效应为基础的磁光器件相继研制开发出来,如磁光调制器、磁光隔离器、磁光传感器及磁光盘等。

磁光调制器磁光调制器是利用偏振光通过磁光介质发生偏振面旋转来调制光束。磁光调制器有广泛的应用,可作为红外检测器的斩波器,可制成红外辐射高温计、高灵敏度偏振计,还可用于显示电视信号的传输、测距装置以及各种光学检测和传输系统。

磁光调制器的原理如图3所示。在没有调制信号时,磁光材料中无外场,输出的光强随起偏器与检偏器光轴之间的夹角!变化。在磁光材料外的磁化线圈加上调制的交流信号时,由此而产生的交变磁场使光的振动面发生交变旋转。由于法拉第效应,信号电流使光振动面的旋转转化成光的强度调制,出射光以强度变化的形式携带调制信息。调制信号,比如说是转变成电信号的声音信号,经磁光调制,声信息便载于光束上。光束沿光导纤维传到远处,再经光

电转换器,把光强变化转变为电信号,再经电声转换器(如扬声器)又可以还原成声信号。

磁光隔离器在光纤通信、光信息处理和各种测量系统中,都需要有一个稳定的光源,由于系统中不同器件的连接处往往会反射一部分光,一旦这些反射光进入激光源的腔体,会使激光输出不稳定,从

而影响了整个系统的正常工作。磁光隔离器就是专为解决这一问题而发展起来的一种磁光非互易器件。普通的磁光隔离器结构如图4所示。其核心部分由两偏振片和法拉第旋光器组合,利用法拉第旋光器的非互易性,使正向传输的光无阻挡地通过,而全部排除从器件接点处反射回来的光,从而有效地消除了激光源的噪声。目前的光隔离器主要有偏振相关型与偏振无关型两种类型,前者又分空间相关型光隔离器、磁敏光纤偏振相关隔离器、波导型隔离器等,后者包括Walk-off型光隔离器和Wedge型在线式偏振无关光隔离器。

光纤电流传感器现代工业的高速发展,对电网的输送和检测提出了更高的要求,传统的高压大电流的测量手段将面临严峻的考验。随着光纤技术和材料科学的发展而发展起来的光纤电流传感系统,因具有很好的绝缘性和抗干扰能力,较高的测量精度,容易小型化,没有潜在的爆炸危险等一系列优越性,而受到人们的广泛重视。

图3磁光调制器

4磁光隔离器

图4磁光隔离器

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17卷5期(总101期)

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科苑快讯

通常光纤电流传感器结构如图5所示。其工作原理是:由光源发出的光经过起偏器后变为线偏振光,该线偏振光在光纤里面传输,光纤绕制在电流导线上面,由于法拉第效应,线偏振光的偏振角度发生偏转,从而导致光强发生变化,在末端偏振检测器检测到法拉第偏角引起的线偏振光强度变化,从而测量出实际电流的大小。

磁光记录磁光记录是近十几年迅速发展起来的最先进的信息存储技术,它兼有磁盘和光盘两者的优点。磁光盘广泛应用于国家管理、军事、公安、航空航天、天文、气象、水文、地质、石油矿产、邮电通讯、交通、统计规划等需要大规模数据实时收集、记录、存储及分析的领域,特别是对于集音、像、通讯、数据计算、分析、处理和存储于一体的多媒体计算机来说,磁光存储系统的作用是其他存储方式无法代

替的。

磁光纪录的主要过程大致可分为:信息的写入和擦除,信息的读取两部分。

具有垂直各向异性的磁性薄膜为

记录介质,采用数

字信号存储。记录时,在外磁场作用下热磁写入。根据不同材料的性能,热磁写入分为居里点写入和补偿点写入。图6表示了磁光存储介质的记录原理:在外加磁场H的同时再加上表示信息的脉冲激光束,激光束照射的介质部分由于吸收光能而温度升高,假设垂直于膜面向下,我们定义为“0”状态。信息写入时,磁光读写头的脉冲激光聚焦在介质表面(通常激光斑的直径1μm),被照射的部分温度升高,当达到居里点或补偿点时,被照射的部分变为顺磁状态,在冷却过程中通过读写头的线圈施加一个反偏场,使之反向磁化,磁矩垂直于膜面向上,为“1”状态,从而实现信息的写入。此外,要在已有信息的磁光盘上重新记录新的信息时,可先用连续激光照射介质,同时外加一个与记录磁场强度相同,但方向相反的磁场,使磁矩全部沿外加磁场方向排列以抹去旧信息,然后再进行新记录操作。

当记录信号以后,需要对信号读出,这就是磁光记录的重放过程。该过程是用光读出记录在介质内

的磁化强度的取向的,整个过程利用了光和磁的相互作用—克尔效应:一束线偏振光照射磁性记录介质的某一区域时,其反射或透射光为椭圆偏振光,以椭圆的长轴为标志的偏振面相对于入射光的偏振面有一转角,其大小由这一区域的磁矩取向决定。不同局域的磁矩指向,对应于不同的偏角,如图7所示,由此可以对记录信号进行读取。

近年来,新的磁光材料不断被发现,对磁光特性的研究也日益深入,以磁光效应为基础的磁光器件更加展现出其广阔的应用空间。

(周静王选章哈尔滨师范大学物理系

150025;谢文广黑龙江大学物理学院150080)

图6信息写入

图7信息读取

########################################能“听”到肾结石破碎声的回声探测仪据英国广播公司报道,英国科

学家发明一种能“听”到肾脏中结石破碎声音的“回声探测仪”,仪器能捕捉结石击碎时形成的声波回声,根据回声的音调医生能判断碎石成功的程度。

根据研究者提供的资料,新型碎石机虽无法避免X光检查,至少能减少X光检查的次数,医生常常利用X光检查来了解碎石的效果。正如研制者之一的南安普敦大学季姆?莱托恩教授指出的:“这就像敲击停在车站上的列车轮子一样,如果轮子上有裂缝,则轮子发出的声音更闷哑。”

莱托恩还指出,这种新型碎石机能与计算机相连,这时碎石情况可以通过显示器上的彩色信号来评估:绿色表示结石已被粉碎,红色表示结石仍完整保留。在50名患者身上进行的试验结果表明,新型碎石机具有很高的效率。

(周道其译自《俄罗斯医学信息网》2004/11/8

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磁光材料简介

磁光材料的研究现状 1.综述 磁光材料是具有磁光效应的材料,磁光效应包括法拉第效应、磁光克尔效应、塞曼效应和磁致线双折射效应(科顿-穆顿效应和瓦格特效应)等。磁光材料需要同时具备一定的光学特性和磁学特性。 1.1法拉第效应 法拉第效应指偏振光通过磁场下的介质后,偏振面因磁场作用而发生偏转。 其中是沿着光线传播方向看去偏振面的旋转角,叫做法拉第转角;V是Verdet 常数,与材料性质有关;B是磁感应强度在光线传播方向上的投影;d是光在介质中传播的距离。当磁感应强度投影B与光线传播方向同向时,偏振面右旋,<0;反之,偏振面左旋,>0。 与普通旋光效应不同的是,光线通过介质后再反射,原路返回再次通过介质,偏振面会在原来的基础上再旋转角,而不是恢复原状。这为利用法拉第效应的磁致旋光材料提供了一种新的应用空间,如磁光调制器、磁光隔离器等。 目前,对法拉第效应磁光材料的研究相对透彻,应用也相对广泛。以钇铁石榴石(,简称YIG)为代表的稀土铁石榴石()材料是常见的法拉第效应磁光材料[1]。 1.2磁光克尔效应 磁光克尔效应指线偏振光在磁化的介质表面反射后,在磁场作用下偏振面发生偏转,偏转角度称为磁光克尔转角。根据磁场强度方向的不同,磁光克尔效应分为三种:极向克尔效应:磁场方向垂直于介质表面,通常,随入射角的减小而增大; 横向克尔效应:磁场方向平行与介质表面且垂直于入射面,光线的偏振方向不会发生变化,p偏振光入射时会发生微小的反射率变化; 纵向克尔效应:磁场方向平行与介质表面且平行于入射面,随入射角的减小而减小,纵向克尔效应的强度比极向克尔效应小几个数量级,不易观察。 1 / 8

应用最广的是极向克尔效应,可用来进行磁光存储和观察磁体表面或磁性薄膜的磁畴分布。 1.3塞曼效应 塞曼效应指光源位于强磁场中时,分析其发光的谱线,发现原来的一条谱线分裂成三条或更多条。原子位于强磁场中时,破坏自旋-轨道耦合,一个能级分裂成多个能级,而且新能级间有一定的间隔,能级的分裂导致了谱线的分裂。能级分裂的方式与角量子数J和朗德因子g有关。 塞曼效应证明了原子具有磁矩,而且磁矩的空间取向量子化。塞曼效应可应用于测定角量子数和朗德因子,还可分析物质的元素组成。 1.4磁致线双折射效应 磁致线双折射效应指透明介质处于磁场中时,表现出单轴晶体的性质,光线入射能产生两条折射线。在铁磁和亚铁磁体中的磁致线双折射效应称作科顿-穆顿效应,反铁磁体中的磁致线双折射效应称作瓦格特效应[2]. 磁致线双折射效应可用于测量物质能级结构,研究单原子层磁性的微弱变化等2.研究现状 本章将介绍多种磁光材料的前沿应用和理论研究,并结合本人所学知识给出相应的评价和启发。个人评价用加粗字体给出。 2.1利用法拉第效应进行焊接检测[3] 根据法拉第效应,偏振光通过磁场中的介质后,偏振面转过一定角度,通过偏振角一定的偏振片后,就会表现为不同的亮度。工作时,将光源、起偏器、反射镜、直流电磁铁、光反射面、磁光薄膜、检偏器、CMOS成像装置和焊件按图1组装。 2 / 8

磁光材料简介

磁光材料的研究现状 1. 综述 磁光材料是具有磁光效应的材料,磁光效应包括法拉第效应、磁光克尔效应、塞曼效应和磁致线双折射效应(科顿-穆顿效应和瓦格特效应)等。磁光材料需要同时具备一定的光学特性和磁学特性。 法拉第效应 法拉第效应指偏振光通过磁场下的介质后,偏振面因磁场作用而发生偏转。 6 f = VBd| 其中是沿着光线传播方向看去偏振面的旋转角,叫做法拉第转角;V是Verdet 常数,与材料性质有关;B是磁感应强度在光线传播方向上的投影;d是光在介质中传播的距离。当磁感应强度投影B与光线传播方向同向时,偏振面右旋,|e t <0;反之,偏振面左旋,阡>0。 与普通旋光效应不同的是,光线通过介质后再反射,原路返回再次通过介质,偏振面会在原来的基础上再旋转角,而不是恢复原状。这为利用法拉第效应的磁致旋光材料提供了一种新的应用空间,如磁光调制器、磁光隔离器等。 目前,对法拉第效应磁光材料的研究相对透彻,应用也相对广泛。以钇铁石榴石(¥才忧0口,简称YIG)为代表的稀土铁石榴石(R材料是常见的法拉第效应磁光材料 [1]。 磁光克尔效应 磁光克尔效应指线偏振光在磁化的介质表面反射后,在磁场作用下偏振面发生偏转,偏转角度称为磁光克尔转角戸。根据磁场强度方向的不同,磁光克尔效应分为三种:极向克尔效应:磁场方向垂直于介质表面,通常,° k随入射角的减小而增大; 横向克尔效应:磁场方向平行与介质表面且垂直于入射面,光线的偏振方向不会发生变化,p偏振光入射时会发生微小的反射率变化; 纵向克尔效应:磁场方向平行与介质表面且平行于入射面,随入射角的减小而减小,纵向克尔效应的强度比极向克尔效应小几个数量级,不易观察。 应用最广的是极向克尔效应,可用来进行磁光存储和观察磁体表面或磁性薄膜的磁 畴分布。 塞曼效应

磁光效应及其应用_周静

17卷5期(总101期) 19世纪中至20世纪初是科学发现的黄金时 期,各领域的伟大发现如雨后春笋般涌出,若干种对于了解固体物理特性并揭示其内部电子态结构有着重要意义的磁光效应现象也相继被发现,但至20世纪60年代末,对这一现象的研究主要集中在基础理论的探索和实验数据的积累方面。近几十年来,当光电子技术在新兴高科技领域获得日益广泛应用的同时,以磁光效应原理为背景的各种磁光器件也显示了其独特的性能和极为广阔的应用前景,并引起了人们浓厚的兴趣。 一、磁光效应(Magnetic-opticalEffect)磁光效应指的是具有固有磁矩的物质在外磁场的作用下,电磁特性发生变化,因而使光波在其内部的传输特性也发生变化的现象。1845年,英国物理学家法拉第(Faraday)发现,入射光线在被磁化的玻璃中传播时,其偏振面会发生旋转,这是物理学史上第一次发现的磁光效应,称之为法拉第效应。受法拉第效应的启发,1876年克尔(Kerr)又发现了光在磁化介质表面反射时偏振面旋转的现象,即磁光克尔效应。随之在八九十年代又发现了塞曼效应和磁致线双折射效应。 法拉第效应当线偏振光沿磁场方向通过置于磁场中的磁光介质时,其偏振面发生旋转的现象称为磁致旋光效应,这一效应最早由法拉第发现,通常又称为法拉第旋转效应。如图1所示,假设有一圆柱形磁光介质,沿着轴线方向外加一稳恒磁场H(此磁场值处在法拉第旋转器件的工作区内)。在这种情况下,将发生法拉第旋转效应,光波的偏振面绕传输轴连续右旋(相对于H而言),直至磁光介质的终端,偏振面右旋了某一角度!。 法拉第效应可分为右旋和左旋两种:当线偏振光沿着磁场方向传播时,振动面向左旋;当光束逆着磁场方向传播时,振动面将向右旋。 磁光克尔效应磁光克尔效应指的是一束线偏振光在磁化了的介质表面反射时,反射光将是椭圆偏振光,而以椭圆的长轴为标志的“ 偏振面”相对于入射偏振光的偏振面旋转了一定的角度。这个角度通常被称为克尔转角,记作"k,如图2所示。 按照磁化强度取向磁光克尔效应又大致分为三种情况:(1)极向克尔效应,即磁化强度M与介质表面垂直时的克尔效应;(2)横向克尔效应,即M与介质表面平行,但垂直于光的入射面时的克尔效应;(3)纵向克尔效应,即M既平行于介质表面又平行于光入射面时的克尔效应。在磁光存储技术中主要应用的是极向克尔效应。 塞曼效应1886年,塞曼(Zeeman)发现当光源放在足够强的磁场中时,原来的一条谱线分裂为几条具有完全偏振态的谱线,分裂的条数随能级的类别而不同,后人称此现象为塞曼效应。 塞曼效应证实了原子具有磁矩和在磁场空间取向量子化,从塞曼效应的实验结果可以推断能级分裂的情况,根据光谱线分裂的数目可以知道量子数 J的数值,根据光谱线分裂的间隔可以测量g因子 的数值,因此,塞曼效应是研究原子结构的重要方法之一。 磁致线双折射效应磁致线双折射在磁光晶体 的光学研究中也会经常遇到。构成介质的分子有各 磁光效应及其应用 周静 王选章 谢文广 图1法拉第效应 图2 克尔效应 ?45 ?

磁光效应实验报告讲解

磁光效应实验报告 班级:光信息31 姓名:张圳 学号:21210905023 同组:白燕,陈媛,高睿孺

近年来,磁光效应的用途愈来愈广,如磁光调制器,磁光开关,光隔离器,激光陀螺中的偏频元件,可擦写式的磁光盘。所以掌握磁光效应的原理和实验方法非常重要。 一.实验目的 1.掌握磁光效应的物理意义,掌握磁光调制度的概念。 2.掌握一种法拉第旋转角的测量方法(磁光调制倍频法)。 3.测出铅玻璃的法拉第旋转角度θ和磁感应强度B之间的关系。二.实验原理 1. 磁光效应 当平面偏振光穿过某种介质时,若在沿平行于光的传播方向施加一磁场,光波的偏振面会发生旋转,实验表面其旋转角θ正比于外加的磁场强度B,这种现象称为法拉第(Faraday)效应,也称磁致旋光效应,简称磁光效应,即: θ(9-1) = vlB 式中l为光波在介质中的路径,v为表征磁致旋光效应特征的比例系数,称为维尔德常数,它是表征物质的磁致旋光特性的重要参数。根据旋光方向的不同(以顺着磁场方向观察),通常分为右旋(顺时针旋转)和左旋(逆时针旋转),右旋时维尔德常数v>O,左旋时维尔德常数v<0。实验还指出,磁致旋光的方向与磁场的方向有关,由于磁致旋光的偏振方向会使反射光引起的旋角加倍,而与光的传播方向无关,利用这一特性在激光技术中可制成具有光调制、光开关、光隔离、光偏振等功能性磁光器件,在激光技术发展后,其应用价值倍增。如

用于光纤通讯系统中的磁光隔离器等。 2.在磁场作用下介质的旋光作用 从光波在介质中传播的图象看,法拉第效应可以做如下理解:一束平行于磁场方向传播的线偏振光,可以看作是两束等幅左旋和右旋圆偏振光的迭加。这里左旋和右旋是相对于磁场方向而言的。 图3 法拉第效应的唯象解释 如果磁场的作用是使右旋圆偏振光的传播速度c / n R 和左旋圆偏振光的传播速度c / n L 不等,于是通过厚度为d 的介质后,便产生不同的相位滞后: d n R R λπ ?2= , d n L L λ π?2= (2) 式中λ 为真空中的波长。这里应注意,圆偏振光的相位即旋转电矢量的角位移;相位滞后即角位移倒转。在磁致旋光介质的入射截面上,入射线偏振光的电矢量E 可以分解为图3(a)所示两个旋转方向不同的圆偏振光E R 和E L ,通过介质后,它们的相位滞后不同,旋转方向也不同,在出射界面上,两个圆偏振光的旋转电矢量如图5.16.3(b)所示。当光束射出介质后,左、右旋圆偏振光的速度又恢复一致,我们又可以将它们合成起来考虑,即仍为线偏振光。从图上容易看出,由介质

磁光克尔效应研究

磁光克尔效应研究 摘要当光电子技术日益在新兴高科技领域获得广泛应用的同时,以磁光效应原理为背景的磁光器件显示了其独特的性能和广阔的应用前景,引起了人们的浓厚兴趣。表面磁光克尔效应,作为测量材料磁光特性特别是薄膜材料的物性的一种有效方法,已被广泛应用于磁有序、磁各向异性、多层膜中的层间耦合以及磁性超薄膜的相变行为等问题的研究。本文简单介绍了什么是磁光克尔效应、磁光克尔效应的发展、以及表面磁光克尔效应作为一种测量方法的原理、实验装置和发展。 关键词磁光克尔效应磁光特性表面磁光克尔效应 一、引言 1845年,Michael Faraday发现当给玻璃样品加一磁场时,透射光的偏振面将发生旋转,首次发现磁光效应。随后他在处于外加磁场中的金属表面做反射实验,但由于他所谓的表面不够平整,因而实验结果不能使人信服。1877年John Kerr在观察偏振光从抛光过的电磁铁磁极反射出来时,发现了磁光克尔效应(magneto-optic Kerr effect)[]1。1985年Moog和Bade r两位学者对铁超薄膜磊晶成长在金单晶(100)面上的磁光克尔效应做了大量实验,成功得到一原子层厚度磁性物质的磁滞回线,并提出SMOKE作为表面磁光克尔效应(surface magneto-optic Kerr effect)的缩写,用以表示应用磁光克尔效应在表面磁学上的研究。由于此方法磁性测量灵敏度达一原子层厚度,且此装置可配置于超高真空系统上面工作,所以成为表面磁学的重要研究方法。 二、光学中的磁光克尔效应 当一束单色线偏振光照射在磁光介质薄膜表面时,透射光线的偏振面与入射 θ)[]2。反射光线的光的偏振面相比有一转角,这个转角被称作磁光法拉第转角( F 偏振面与入射光线的偏振面相比也有一转角,这个转角被叫做磁光克尔转角θ),这种效应叫做磁光克尔效应。 ( K 磁光克尔效应包括三种情况[]3:(1)纵向磁光克尔效应,即磁化强度方向即平行于介质表面又平行于光线的入射面时的磁光克尔效应;(2)极向磁光克尔效应,即磁化强度方向与介质表面垂直时发生的磁光克尔效应;(3)横向磁光克尔效应,即磁化强度方向与介质表面平行与反射面垂直时的磁光克尔效应。 三、磁光克尔测量技术 (一)工作原理 当一束线偏振光入射到不透明的样品表面时,如果样品室各向异性的,反射光将变成椭圆偏振光,并且偏振方向与入射光的偏振方向相比会发生一定角度的偏转。如果此时样品还处于铁磁状态,铁磁性还会导致反射光偏振面相对于入射 θ,如图1所示光的偏振面额外转过一个小的角度,此角即为磁光克尔旋转角 K 即椭圆长轴和参考轴之间的夹角。一般而言,由于样品对P偏振光和S偏振光的的吸收率不同,即使样品处于非磁状态,反射光的椭偏率也要发生变化,而样 ε,即品的铁磁性会导致椭偏率有一个附加的变化,这个变化称为克尔椭偏率 K

磁光克尔效应研究.

磁光克尔效应研究 摘要:当光电子技术日益在新兴高科技领域获得广泛应用的同时,以磁光效应原理为背景的磁光器件显示了其独特的性能和广阔的应用前景,引起了人们的浓厚兴趣。表面磁光克尔效应,作为测量材料磁光特性特别是薄膜材料的物性的一种有效方法,已被广泛应用于磁有序、磁各向异性、多层膜中的层间耦合以及磁性超薄膜的相变行为等问题的研究。本文简单介绍了什么是磁光克尔效应、磁光克尔效应的发展、以及表面磁光克尔效应作为一种测量方法的原理、实验装置和发展。 关键词:磁光克尔效应;磁光特性;表面磁光克尔效应 1.引言 1845年,Michael Faraday发现当给玻璃样品加一磁场时,透射光的偏振面将发生旋转,首次发现磁光效应。随后他在处于外加磁场中的金属表面做反射实验,但由于他所谓的表面不够平整,因而实验结果不能使人信服。1877年John Kerr在观察偏振光从抛光过的电磁铁磁极反射出来时,发现了磁光克尔效应(magneto-optic Kerr effect)。1985年Moog和Bade r两位学者对铁超薄膜磊晶成长在金单晶(100)面上的磁光克尔效应做了大量实验,成功得到一原子层厚度磁性物质的磁滞回线,并提出SMOKE作为表面磁光克尔效应(surface magneto-optic Kerr effect)的缩写,用以表示应用磁光克尔效应在表面磁学上的研究。由于此方法磁性测量灵敏度达一原子层厚度,且此装置可配置于超高真空系统上面工作,所以成为表面磁学的重要研究方法。 2.磁光克尔效应 图1 克尔效应示意图 一束线偏振光从具有磁矩的介质表面反射时,反射光将是一束椭圆偏振光,而且偏振方向将发生产生旋转。相对于入射的线偏振光(以椭圆的长轴为标志)

表面磁光克尔效应

表面磁光克尔效应 (物教101林晗) 摘要 克尔磁光效应:入射的线偏振光在已磁化的物质表面反射时,振动面发生旋转的现象,1876年由J.克尔发现。克尔磁光效应的最重要应用是观察铁磁体的磁畴(见磁介质、铁磁性)。不同的磁畴有不同的自发磁化方向,引起反射光振动面的不同旋转,通过偏振片观察反射光时,将观察到与各磁畴对应的明暗不同的区域。用此方法还可对磁畴变化作动态观察。 利用磁光克尔效应测量磁性薄膜的磁信号和磁滞回线,确定磁性薄膜的磁各向异性随薄膜厚度的影响。研究铁磁(FM)/反铁磁(AFM)双层膜的交换偏置(Exange bias)现象。 关键词:偏振光;振动面;磁畴

目录 摘要 (1) 序论 (3) 1表面磁光克尔效应原理 (3) 1.1 表面磁光克尔效应 (4) 1.2 交换偏置 (4) 2三种克尔效应分析 (4) 2.1极向克尔效应 (5) 2.2纵向克尔效应 (5) 2.3横向克尔效应 (5) 3实验光路图 (5) 3.1光路图的连接 (5) 3.2光路图的特点 (6) 4克尔信号分析 (7) 4.1磁滞回线原理 (7) 4.2磁化原理 (8) 5表面克尔磁光效应的实际应用 (8) 5.1磁性材料的开发 (9) 5.2提高器件的速率. (9) 结语 (9) 参考文献 (9) 附件一 (10)

序论 磁光效应指的是光与处于磁化状态的物质之间发生相互作用而引起的各种光学现象。包括克尔磁光效应、科顿-穆顿效应(磁双折射效应)和塞曼效应、法拉第效应等。物质的磁化都是这些效应起源的重要条件,这些效应反映了物质磁性与光间的联系。这些都被广泛用于探索研究与技术相关的磁材料。 目前研究和应用最广泛的磁光效应为法拉第效应和克尔效应。1845年,英国物理学家法拉第首次发现了线偏振光透过放置磁场中的物质,沿着磁场方向传播时,光的偏振面发生旋转的现象,后来被称为法拉第效应[1]。受到了法拉第效应的启示,1876年,克尔发现了线偏振光入射到磁化媒质表面反射时偏振面发生旋转的现象,即克尔效应[2]。直到1985年,Moog和Bader两位学者提出用SMOKE 来作为表面磁光克尔效应(surface magneto-optic Kerreffect)的缩写,以此表示应用磁光克尔效应在表面磁学上的研究,成功地得到一原子层厚度磁性物质的磁滞回线,开启了超薄磁性物质与界面磁性材料研究的大门 1表面磁光克尔效应原理 克尔磁光效应分极向、纵向和横向三种,分别对应物质的磁化强度与反射表面垂直、与表面和入射面平行、与表面平行而与入射面垂直三种情形。极向和纵向克尔磁光效应的磁致旋光都正比于磁化强度,一般极向的效应最强,纵向次之,横向则无明显的磁致旋光。 1.1 表面磁光克尔效应

磁光晶体材料的研究现状与发展趋势的概况

磁光晶体材料的研究现状与发展趋势 δ1.1磁光晶体的定义 晶体在外磁场的作用下,线偏振光通过该晶体时光的偏振面发生旋转的现象称为法拉弟效应.此种晶体称为磁旋光晶体,简称磁光晶体。 δ1.2磁光晶体材料的发现 历史上对光和磁的关系的探索也是一个很重要的问题, 虽则这个问题没有电磁现象那样突出, 但是就其所达到的理论高度和为之所付出的努力而言, 前者是不逊于后者的。 人类对光磁的关系的认识, 是从晶体的自然旋光性现象开始的。阿喇戈发现的偏振光通过石英晶体时的旋转现象( 1811年 ) 和法拉第发现的电磁旋转现象( 1821年 ) 是一组类似的现象。〔1 〕后来经过一系列的实验与实践,磁光材料被开始应用于器件的制作,磁光晶体也在其中逐渐发现并加以应用。 δ1.3磁光晶体材料的应用 磁光晶体主要应用在光纤通信与集成光学器件、计算机存储、逻辑运算和传输功能、磁光显示、磁光记录、微波新型器件及激光陀螺等领域。各种器件需要的磁光晶体材料都不同,随着磁光晶体材料的不断发现,可用以器件的范围也在不断扩大。 б2 基本原理 δ2.1磁光效应 磁光效应是指处于磁化状态的物质与光之间发生相互作用而引起的各种光学现象。包括法拉第效应、克尔磁光效应、塞曼效应和科顿-穆顿效应等。这些效应均起源于物质的磁化,反映了光与物质磁性间的联系。

δ2.2法拉第效应 1845 年法拉第(Michal Faraday)发现玻璃在强磁场的作用下具有旋光性,加在玻璃棒上的磁场引起了平行于磁场方向传播的线偏振光偏振面的旋转。此现象被称为法拉第效应。 法拉第效应第一次显示了光和电磁现象之间的联系。促进了对光本性的研究。之后费尔德(Verdet)对许多介质的磁致旋转进行了研究,发现法拉第效应在固体、液体和气体中都存在。大部分物质的法拉第效应很弱,掺稀土离子玻璃的费尔德常数稍大。近年来研究的YIG等晶体的费尔德常数较大,从而大大提高了实用价值。法拉第效应有许多重用的应用,尤其在激光技术发展后,其应用价值倍增。如用于光纤通讯系统中的磁光隔离器,因为偏振面的磁致旋转取决于磁场的方向,与光的传播方向无关,由此可设计成光隔离器,使光沿规定的方向通过同时阻挡反向传播的光,从而减少光纤中器件表面反射光对光源的干扰;磁光隔离器也被广泛用于激光多级放大技术和高分辨的激光光谱技术,激光选模等技术中。法拉第效应的弛豫时间不大于10-10秒量级。在激光通讯,激光雷达等技术中已发展成类似微波器件的光频环行器、调制器等,利用法拉第效应的调制器(磁光调制器)在1m~5m的红外波段将起重用作用。且磁光调制器需要的驱动功率较电光调制器小的多。对温度稳定性的要求也较低。所以磁光调制是激光调制技术的重用组成之一,也常用于激光强度的稳定装置。又如作为重要的传感机理应用于电工测量技术中。在磁场测量方面,利用它弛豫时间短(约10-10秒)的特点制成的磁光效应磁强计可测量脉冲强磁场、交变强磁场;利用它对温度不敏感的特点,磁光效应磁强计可适用于较宽的温度范围,如等离子体中强磁场、低温超导磁场;在电流测量方面,利用电流的磁效应和光纤材料的法拉第效应,可测量几千个安培的大电流或几千KV的高压电流等。 法拉第效应示意图 其中θ是法拉第转角,L是样品长度,H是磁场强度 关系式: θF = HLV V 为Verdet 常数,是物质固有的比例系数。

克尔效应实验报告

近代物理实验报告 实验题目:表面磁光克尔效应班级: 学号: 学生姓名: 实验教师:

表面磁光克尔效应实验报告 一、实验目的 (1)了解表面磁光克尔效应的原理和实验方法; (2)掌握表面磁光克尔效应谱的测量和应用。 二、实验装置 (1)光学减震台;(2)光路系统,包括入射光路与接收光路;(3)励磁电源主机和可程控电磁铁;(4)前级放大器和直流电源组合器(a.为激光器提供精密稳压电源;b.将光电检测装置接收到的克尔信号作前级放大,并送入系统控制装置中的信号检测装置中;c.将霍尔传感器探测到的信号送入检测装置);(5)信号检测主机;(6)控制系统和计算机。 三、实验原理 磁光效应有两种:法拉第效应和克尔效应,1845 年,Michael Faraday 首先发现介质的磁化状态会影响透射光的偏振状态,这就是法拉第效应。1877 年,John Kerr 发现铁磁体对反射光的偏振状态也会产生影响,这就是克尔效应。克尔效应在表面磁学中的应用,即为表面磁光克尔效应(surface magneto-optic Kerr effect)。它是指铁磁性样品(如铁、钴、镍及其合金)的磁化状态对于从其表面反射的光的偏振状态的影响。当入射光为线偏振光时,样品的磁性会引起反射光偏振面的旋转和椭偏率的变化。表面磁光克尔效应作为一种探测薄膜磁性的技术始于1985 年。 图1 表面磁光克尔效应原理 如图 1 所示,当一束线偏振光入射到样品表面上时,如果样品是各向异性的,那么反射光的偏振方向会发生偏转。如果此时样品还处于铁磁状态,那么由于铁磁性,还会导致反射光的偏振面相对于入射光的偏振面额外再转过了一个小的角度,这个小角度称为克尔旋转角θk。同时,一般而言,由于样品对p光和s 光的吸收率是不一样的,即使样品处于非磁状态,反射光的椭偏率也发生变化, 而铁磁性会导致椭偏率有一个附加的变化,这个变化称为克尔椭偏率εk由于克尔旋转角θk和克尔椭偏率εk都是磁化。 强度M的函数。通过探测θk或εk的变化可以推测出磁化强度M的变化。 按照磁场相对于入射面的配置状态不同,磁光克尔效应可以分为三种:极向克尔效应、纵向克尔效应和横向克尔效应。 图2 极向克尔效应 1.极向克尔效应:如图2 所示,磁化方向垂至于样品表面并且平行于入射面。通常情况下,极向克尔信号的强度随光的入射角的减小而增大,在入射角时(垂直入射)达到最大。

8、磁光效应汇总

8、磁光效应 磁光效应是指处于磁化状态的物质与光之间发生相互作用而引起的各种光学现象。包括法拉第效应、克尔磁光效应、塞曼效应和科顿-穆顿效应等。这些效应均起源于物质的磁化,反映了光与物质磁性间的联系。笔者认为这些磁光效应实验进一步说明光子具有电磁质量。 (一)、“法拉第效应” 1845年M.法拉第发现,当线偏振光在介质中传播时,若在平行于光的传播方向上加一强磁场,则光振动方向将发生偏转,偏转角度ψ与磁感应强度B和光穿越介质的长度l的乘积成正比,即ψ=VBl,比例系数V称为费尔德常数,与介质性质及光波频率有关。偏转方向取决于介质性质和磁场方向。上述现象称为法拉第效应或磁致旋光效应。该效应可用来分析碳氢化合物,因每种碳氢化合物有各自的磁致旋光特性;在光谱研究中,可借以得到关于激发能级的有关知识;在激光技术中可用来隔离反射光,也可作为调制光波的手段。 因为磁场下电子的运动总附加有右旋的拉穆尔进动﹐当光的传播方向相反时﹐偏振面旋转角方向不倒转﹐所以法拉第效应是非互易效应。这种非互易的本质在微波和光的通信中是很重要的。许多微波﹑光的隔离器﹑环行器﹑开关就是用旋转角大的磁性材料制作的。 “法拉第是很熟悉借助于偏振光来研究产生在透明固体中的协变的方法的。他作了许多实验,希望发现偏振光在通过内部存在着电解导电或介电感应的媒质时所受到的某种作用。然而他并没有能找到任何这种作用,尽管实验是用按照最适宜发现拉力的效应的方式装置起来的--电力或电流和光线相垂直,并和偏振平面成45度角。法拉第用各种方式改变了实验,但是没有发现由电解电流或静电感应引起的对光的任何作用。 然而他在确立光和磁之间的关系方面却取得了成功,而他作到这一点的那些实验则描述在他的《实验研究》的第十九组中。我们将把法拉第的发现取作我们有关磁的本性的进一步探索的出发点。从而我们将描述一下他所观察到的现象。一条平面偏振的光线从一种透明的抗磁性媒质中通过;当从媒质中出来时,用一个检偏器截断它的路程,以测定它的偏振面。然后加上一个磁力,使透明媒质中的磁力方向和光线的方向相重合。于是光立即重新出现,但是如果把检偏器转过某一角度,光就又被截断。这就表明,磁力的效应就是使偏振面以光线方向为轴而转过一个确定的角度,这个角度为了截断光线而必须使检偏器转过的那个角度来描述。偏振面转过的角度和下列各量成正比:(1)光线在媒质中超过的距离。因此偏振面是从它的原始位置开始而连续变化的。(2)磁力在光线方向上的分量。(3)转动角的大小依赖于媒质的种类。当媒质是空气或任何其他气体时,还没有观察到任何的转动。这三点说法

磁光效应

磁光效应 磁光效应是指处于磁化状态的物质与光之间发生相互作用而引起的各种光学现象.包括法拉第效应、克尔磁光效应、塞曼效应和科顿-穆顿效应等.这些效应均起源于物质的磁化,反映了光与物质磁性间的联系.笔者认为这些磁光效应实验进一步说明光子具有电磁质量. (一)、“法拉第效应” 1845年M.法拉第发现,当线偏振光在介质中传播时,若在平行于光的传播方向上加一强磁场,则光振动方向将发生偏转,偏转角度ψ与磁感应强度B和光穿越介质的长度l的乘积成正比,即ψ=VBl,比例系数V称为费尔德常数,与介质性质及光波频率有关.偏转方向取决于介质性质和磁场方向.上述现象称为法拉第效应或磁致旋光效应.该效应可用来分析碳氢化合物,因每种碳氢化合物有各自的磁致旋光特性;在光谱研究中,可借以得到关于激发能级的有关知识;在激光技术中可用来隔离反射光,也可作为调制光波的手段. 因为磁场下电子的运动总附加有右旋的拉穆尔进动﹐当光的传播方向相反时﹐偏振面旋转角方向不倒转﹐所以法拉第效应是非互易效应.这种非互易的本质在微波和光的通信中是很重要的.许多微波﹑光的隔离器﹑环行器﹑开关就是用旋转角大的磁性材料制作的. “法拉第是很熟悉借助于偏振光来研究产生在透明固体中的协变的方法的.他作了许多实验,希望发现偏振光在通过内部存在着电解导电或介电感应的媒质时所受到的某种作用.然而他并没有能找到任何这种作用,尽管实验是用按照最适宜发现拉力的效应的方式装置起来的--电力或电流和光线相垂直,并和偏振平面成45度角.法拉第用各种方式改变了实验,但是没有发现由电解电流或静电感应引起的对光的任何作用. 然而他在确立光和磁之间的关系方面却取得了成功,而他作到这一点的那些实验则描述在他的《实验研究》的第十九组中.我们将把法拉第的发现取作我们有关磁的本性的进一步探索的出发点.从而我们将描述一下他所观察到的现象.一条平面偏振的光线从一种透明的抗磁性媒质中通过;当从媒质中出来时,用一个检偏器截断它的路程,以测定它的偏振面.然后加上一个磁力,使透明媒质中的磁力方向和光线的方向相重合.于是光立即重新出现,但是如果把检偏器转过某一角度,光就又被截断.这就表明,磁力的效应就是使偏振面以光线方向为轴而转过一个确定的角度,这个角度为了截断光线而必须使检偏器转过的那个角度来描述.偏振面转过的角度和下列各量成正比:(1)光线在媒质中超过的距离.因此偏振面是从它的原始位置开始而连续变化的.(2)磁力在光线方向上的分量.(3)转动角的大小依赖于媒质的种类.当媒质是空气或任何其他气体时,还没有观察到任何的转动.这三点说法被包括在一个更普遍的叙述中,那就是,旋转角在数值上等于光线从进入媒质的一点到离开媒质

克尔效应

表面磁光克尔效应实验 1877年John Kerr 在观测偏振光通过抛光过的电磁铁磁极反射时,发现了偏振面旋转的现象,此 现象称磁光克尔效应。1985年Moog 和Bader 进行铁磁超薄膜的磁光克尔效应测量,首次成功地测得了1 个原子层磁性薄膜的磁滞回线,并提议将该技术称为SMOKE ( surface magneto-optic Kerr effect) 从此这种探测薄膜磁性的先进技术开始在科研中得到大量的应用。 材料表面磁性以及由数个原子层所构成的超薄膜和多层不同材料膜磁性,是当今凝聚态物理领 域中的较为重要的研究热点。SMOKE 的磁性解析灵敏度达到1个原子层厚度,并可配置于超高真空系统 中进行超薄膜磁性的原位测量,从而成为表面磁学的重要研究方法,已被广泛应用于纳米磁性材料、 磁光器件、巨磁阻、磁传感器元件等磁参量测量。 现这一重要的前沿性技术已成为高校近代物理实 验中的重要研究性实验。 一 实验目的 二 实验原理 当线偏振光入射到不透明样品表面时,如果样品是各向异性的,反射光将变成椭圆偏振光且偏振 方向会发生偏转。而如果此时样品为铁磁状态,还会导致反射光偏振面相对于入射光的偏振面额外再 转过一小角度,这个小角度称为克尔旋转角 K θ,即椭圆长轴和参考轴间的夹角, 如图1所示。同时,一般而言, 由于样品对p 偏振光和s 偏振光的吸收率不同, 图1 表面磁光克尔效应原理图 即使样品处于非磁状态,反射光的椭偏率也要发生变化,而铁磁性会导致椭偏率有一附加的变化,这 个变化称为克尔椭偏率K ε,即椭圆长短轴之比。 按照磁场相对入射面的配置状态不同, 表面磁光克尔效应可以分为3种: a. 极向克尔效应,其磁化方向垂直于样品表面并且平行于入射面; b. 纵向克尔效应, 其磁化方向在样品膜面内,并且平行于入射面; c. 横向克尔效应,其磁化方向在样品膜面内,并且垂直于入射面。 对于磁性薄膜,通常纵向克尔效应较明显。 待测物的极向、纵向、横向克尔旋转角的强弱由其磁易向轴的方向决定。 以下以极向克尔效应为例详细讨论SMOKE 系统。原则上完全适用于纵向克尔效应和横向克尔效 应。激光器发射的激光束通过起偏棱镜后变为线偏振光,然后从样品表面反射,经过检偏棱镜进入探 测器。检偏棱镜的偏振方向要与起偏棱镜设置成偏离消光位置很小的角度δ( 如图2 所示),这主要 是为了区分正负克尔旋转角。若检偏棱镜方向设置在消光位置,无论反射光偏振面是顺时针还是逆时 针旋转,反映在光强的变化上都是强度增大。这样就无法区分偏振面的正负旋转方向,也就无法判断 样品的磁化方向。 当2个偏振方向之间有小角度δ时,通过检偏棱镜的光线有本底光强0I 。反射光 偏振面旋转方向和δ同向时光强增大,反向时光强减小,这样样品的磁化方向可以通过光强的变化来 区分。

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