磁光材料與其原理實(shí)用教案

1、10.1.1光的基本概念 （1）光的偏振 1、自然光 2、線偏振光 3、部分(b fen)偏振光 4、圓偏振光：左旋圓偏振光，右旋圓偏振光； 5、橢圓偏振光：左旋橢圓偏振光，右旋橢圓偏振 光；第1頁(yè)/共23頁(yè)第一頁(yè)，共24頁(yè)。 設(shè)一單色平面波沿軸方向傳播，根據(jù)光的橫波性，可將其電 矢量寫成： （10-1） 式中光波長(zhǎng)； 光波的圓頻率(pnl)或角頻率(pnl)； 兩個(gè)橫向電矢量之間的相位差。 消去式（10-1）中的 ，整理得 （10-2）002cos2cos0 xxyyzEEztEEztE2zt22200002cossinyyxxxyxyEEEEEEEE第2頁(yè)/共23頁(yè)第二頁(yè)，共24頁(yè)。 當(dāng)

2、時(shí)，式（10-2）成為(chngwi)： （10-3） 當(dāng) 時(shí)，式（10-2）成 為： （10-4） 如果 代表左旋橢圓偏振光 如果 代表右旋橢圓偏振光（2）光的雙折射和二向色性n00= -1yyxxEEEE00= ,m/ 21, 3, 5,xyEEAm 2-/ 20, 1, 2,nn 2/ 20, 1, 2,nn 0, 1, 2,nn222xyEEA第3頁(yè)/共23頁(yè)第三頁(yè)，共24頁(yè)。10.1.2法拉第效應(yīng)(xioyng)（1）磁旋光效應(yīng)及其非互易性 當(dāng)線偏振光通過(guò)一個(gè)處于磁場(chǎng)大小為的順磁性(cxng)或逆磁性(cxng) 材料后，透射光偏振方向的旋轉(zhuǎn)角正比于磁場(chǎng)大小和材料 厚度,即 （10-

3、5） 式中 費(fèi)爾德常數(shù)。 在鐵磁性(cxng)或反鐵磁介質(zhì)中，法拉第旋轉(zhuǎn)角正比于磁化強(qiáng)度 ，即 （10-6） 式中 孔特常數(shù)。（2）磁光旋轉(zhuǎn)的測(cè)量=VHL=KML第4頁(yè)/共23頁(yè)第四頁(yè)，共24頁(yè)。10.1.3科頓-莫頓效應(yīng)(xioyng) 這是一個(gè)當(dāng)外加磁場(chǎng)垂直于光的行進(jìn)方向時(shí)產(chǎn)生 的光偏振面旋轉(zhuǎn)效應(yīng)(xioyng)，又稱磁線振雙折射（1）磁線振雙折射（2）磁線振雙折射的測(cè)量第5頁(yè)/共23頁(yè)第五頁(yè)，共24頁(yè)。10.1.4克爾效應(yīng)(xioyng) 一束(y sh)偏振光入射到具有磁矩的介質(zhì)界面上，反射 后其偏振狀態(tài)會(huì)發(fā)生變化，這個(gè)效應(yīng)稱為克爾效應(yīng)。 克爾效應(yīng)分為三種類型： （1）極向克爾效應(yīng) （

4、2）橫向克爾效應(yīng) （3）縱向克爾效應(yīng) 克爾效應(yīng)的測(cè)量第6頁(yè)/共23頁(yè)第六頁(yè)，共24頁(yè)。10.1.5 塞曼效應(yīng) 入射單射光經(jīng)過(guò)處于磁場(chǎng)的某些物質(zhì)后，譜線會(huì) 受到磁場(chǎng)的影響而分裂成若干條譜線，分裂的各譜線 間隔( jin g)大小與磁場(chǎng)強(qiáng)度成正比，這一磁光效應(yīng)稱塞曼效 應(yīng)。第7頁(yè)/共23頁(yè)第七頁(yè)，共24頁(yè)。10.2 磁光材料(cilio) 10.2.1 磁旋光材料(cilio) 10.2.2 磁光存儲(chǔ)材料(cilio)第8頁(yè)/共23頁(yè)第八頁(yè)，共24頁(yè)。10.2.1 磁旋光材料(cilio) （1）磁光晶體( jngt) 1、石榴石單晶 2、尖晶石晶體( jngt) （2）磁光薄膜 1、石榴石單晶薄

5、膜 2、合金薄膜第9頁(yè)/共23頁(yè)第九頁(yè)，共24頁(yè)。（3）磁光玻璃(b l) 三種玻璃(b l)材料的費(fèi)爾德常數(shù)可有如下經(jīng)驗(yàn)公式給出： AOT-44B (10-7) AOT-5 (10-8) FR-5 (10-9) 其中是以“ ”為單位的費(fèi)爾德常數(shù)，是以“”為單位的波長(zhǎng)。 22240.02760.98 100.473 10V 22-1-40.01620.96 100.36 10V 2-3-40.0781-0.128-0.513 10V410 min/ T cm第10頁(yè)/共23頁(yè)第十頁(yè)，共24頁(yè)。10.2.2 磁光存儲(chǔ)材料(cilio) （1）MnBi多晶材料(cilio) （2）非晶態(tài)材料(ci

6、lio) （3）石榴石薄膜第11頁(yè)/共23頁(yè)第十一頁(yè)，共24頁(yè)。10.3 磁光材料(cilio)的應(yīng)用 10.3.1 磁旋光材料的應(yīng)用(yngyng) 10.3.2 磁光材料非互易性的應(yīng)用(yngyng) 10.3.3 磁光存儲(chǔ)材料的應(yīng)用(yngyng)第12頁(yè)/共23頁(yè)第十二頁(yè)，共24頁(yè)。10.3.1 磁旋光材料(cilio)的應(yīng)用（1）磁光調(diào)制 設(shè)由交變電流產(chǎn)生的交變磁場(chǎng)引起的法拉第旋轉(zhuǎn)角 為 ，則低頻磁光調(diào)制器系統(tǒng)的輸出光強(qiáng)為 (10-10) 當(dāng)用正弦波電流輸入調(diào)制線圈時(shí)，則在垂直(chuzh)石榴石單晶薄膜平面的方向上產(chǎn)生一個(gè)正弦變化的交變磁場(chǎng)，由此引起的交變法拉第旋轉(zhuǎn)角 為 (10-

7、11) 式中 是交變法拉第旋轉(zhuǎn) 的幅度，稱為調(diào)制幅度。 20t0tcos+=/ 21 cos2tIII 0sintttt0ttt第13頁(yè)/共23頁(yè)第十三頁(yè)，共24頁(yè)。 由于交變磁場(chǎng)引起的法拉第旋轉(zhuǎn)使輸出(shch)光強(qiáng)幅度變化（磁光調(diào)制幅度）為 （10-12） 由式（10-10）、式（10-12）兩式可知： （a）當(dāng) 為定值時(shí)，磁光調(diào)制幅度隨而變化。 =45 時(shí)，磁光調(diào)制幅度最大。此時(shí)由式（10-10）得 （10-13） 隨 作正弦變化。 （b）當(dāng)=45時(shí)， =45磁光調(diào)制幅度最大。由式（10-13） 可以看出，當(dāng) 45 時(shí)，調(diào)制波形將產(chǎn)生畸變。220t00t000coscos+sin2sin

8、2tIII 0t045 +=/ 2 1-sin2ttIIt0t0tI第14頁(yè)/共23頁(yè)第十四頁(yè)，共24頁(yè)。 （c）當(dāng)45時(shí)，不僅與 有關(guān)，而且與的變化也有 關(guān)，因此調(diào)制波形及其幅度將隨起偏器和檢偏器相對(duì)位置值 而變化， 45也會(huì)引起調(diào)制波形的畸變。 （d）當(dāng)90 ，即兩偏振器處于正交位置時(shí)，輸出光強(qiáng)為 (10-14) 此時(shí)， 是 的偶函數(shù)，輸出光強(qiáng)僅與 的大小有關(guān)，即與 交變磁場(chǎng)的大小有關(guān)，與磁場(chǎng)的方向(fngxing)無(wú)關(guān)。 當(dāng)0時(shí)，輸出光強(qiáng)為： (10-15) 輸出光強(qiáng) 的變化情況與90 時(shí)相類似。0tt20t090 +=cos90 +=/ 2 1-cos2ttIIItt 20t0cos/

9、 2 1 cos2ttIIIII第15頁(yè)/共23頁(yè)第十五頁(yè)，共24頁(yè)。 1、釔鐵石榴石單晶磁光調(diào)制器 2、石榴石單晶薄膜磁光調(diào)制器 3、玻璃磁光調(diào)制器 4、薄膜波導(dǎo)磁光調(diào)制器 將平均磁化強(qiáng)度表示為靜態(tài)和動(dòng)態(tài)分量之和， ，并利用Landau-Lifshitz方程可得 （10-16） 式中 旋磁比， ； 真空(zhnkng)磁導(dǎo)率。 介電常數(shù)張量的非對(duì)角分量 決定了 模的耦合，對(duì) 的貢獻(xiàn)來(lái)源于法拉第旋轉(zhuǎn)，輸出端TE模的光強(qiáng) 正比 于 ，所以 （10-17） 偏振光的強(qiáng)度與磁化強(qiáng)度的變化量有關(guān)，當(dāng) 的取向垂直 于光的傳播方向時(shí)， 達(dá)到最大值。si tMMme0si mMHO mH228GHz T 0

10、yxTMTEMOI2yx22cosMOzMOImIyxTEMOIsM第16頁(yè)/共23頁(yè)第十六頁(yè)，共24頁(yè)。（2）磁光開(kāi)關(guān)（3）磁光傳感 根據(jù)法拉第效應(yīng)原理，當(dāng)一束線偏振光通過(guò)置于磁場(chǎng)中的逆磁性或順磁性磁光材料時(shí)，偏振方向?qū)l(fā)生(fshng)一定的旋轉(zhuǎn)。法拉第旋轉(zhuǎn)可表示為 （10-18） 式中 材料的費(fèi)爾德常數(shù)； 磁場(chǎng)強(qiáng)度； 光在磁光材料中通過(guò)的長(zhǎng)度。=d lVH第17頁(yè)/共23頁(yè)第十七頁(yè)，共24頁(yè)。 設(shè)光源光強(qiáng)為 ，起偏器與檢偏器偏振軸夾角為 ，則馬呂斯定律可得： (10-19) 在相位探測(cè)原理中，起偏器的透光軸以 的角速度旋轉(zhuǎn)，由于法拉第效應(yīng)，從磁光材料中出射的是偏離了角的旋轉(zhuǎn)著的線偏振光，

11、由光電管轉(zhuǎn)變成電信號(hào)后，出射信號(hào) 是被2調(diào)制的正弦信號(hào) (10-20) 其中為小于1的常數(shù)。 從光源中選出參考(cnko)信號(hào) (10-21) 則兩者相位角差 (10-22)這種方法使相位差在 內(nèi)能被線性探測(cè)。200cos451 sin22III0I01 sin2sIItsinrIt22tt218045/2sI第18頁(yè)/共23頁(yè)第十八頁(yè)，共24頁(yè)。常用(chn yn)的傳感頭有以下幾種 1、正方形傳感頭 2、圓環(huán)狀傳感頭 3、全光纖傳感頭 對(duì)于無(wú)損耗雙折射光學(xué)系統(tǒng)的瓊斯矩陣 (10-23) 其中矩陣元 和 中 號(hào)分別表示傳播方向，星號(hào)表示復(fù)共軛，對(duì)于無(wú)損耗系統(tǒng)， 。在互易系統(tǒng)中，有 和 ?？啥?/p>

12、義這種傳感器的正向強(qiáng)度傳遞函數(shù)為 (10-24) 反向強(qiáng)度傳遞函數(shù)則為 (10-25)ABMBABA1M _AAA_BBB2211ReReImIm22TABAB2211ReReImIm22TABAB第19頁(yè)/共23頁(yè)第十九頁(yè)，共24頁(yè)。 其中不失普遍性，假定一個(gè)偏振器的偏振方向沿坐標(biāo)軸，另一偏振器的相對(duì)偏振方向角為 ，通過(guò)計(jì)算反向傳播的傳播系數(shù)，可得系統(tǒng)地強(qiáng)度傳遞函數(shù) (10-26) 若耦合器的插入損耗(snho)可以忽略，二個(gè)光探測(cè)器的接收光強(qiáng)可以表示為 (10-27) 和 (10-28) 式中 從光源出射的光強(qiáng)； 光纖的總損耗(snho)； 二個(gè)相反方向的強(qiáng)度傳遞函數(shù)，因子1/8來(lái)源于耦合

13、器耦合損耗(snho)。221cossincos2TTAB0118IL TI0218IL TI0IL,T T第20頁(yè)/共23頁(yè)第二十頁(yè)，共24頁(yè)。 互易補(bǔ)償信號(hào)定義為 (10-29)全光纖傳感頭結(jié)構(gòu)的傳感器，強(qiáng)度(qingd)傳遞函數(shù)為 (10-30)和 (10-31) 其中 和 分別表示的實(shí)部和虛部。IITTSIITT2211ReReImIm22TABAB2211ReReImIm22TABAB Re x Im x第21頁(yè)/共23頁(yè)第二十一頁(yè)，共24頁(yè)。10.3.2 磁光材料非互易(h y)性的應(yīng)用（1）磁光隔離 1、偏振相關(guān)磁光隔離器 2、偏振無(wú)關(guān)近紅外磁光隔離器（2）磁光環(huán)(gunghun)行 1、三端口不完全光環(huán)(gunghun)行器 2、四端口完全環(huán)行器第22頁(yè)/共23頁(yè)第二