磁光效应与磁光材料课件.ppt

1、1845 年，年， 英国物理学家英国物理学家 Faraday首次发现了磁致旋光效应。其首次发现了磁致旋光效应。其后一百多年，人们又不断发现了新的磁光效应和建立了磁光理论后一百多年，人们又不断发现了新的磁光效应和建立了磁光理论，但磁光效应并未获得广泛应用。直到，但磁光效应并未获得广泛应用。直到 1950年代，磁光效应才年代，磁光效应才被广泛应用于磁性材料磁畴结构的观察和研究。近年来，随着激被广泛应用于磁性材料磁畴结构的观察和研究。近年来，随着激光、计算机、信息、光纤通信等新技术的发展，光、计算机、信息、光纤通信等新技术的发展， 人们对磁光效应人们对磁光效应的研究和应用不断向深度和广度发展，的研究

2、和应用不断向深度和广度发展， 从而涌现出许多崭新的磁从而涌现出许多崭新的磁光材料和磁光器件。各种磁光材料光材料和磁光器件。各种磁光材料磁光玻璃、磁光薄膜、磁磁光玻璃、磁光薄膜、磁性液体、磁性光子晶体和磁光液晶等发展极为迅速，磁光材料及性液体、磁性光子晶体和磁光液晶等发展极为迅速，磁光材料及器件的研究从此进入空前发展时期，并在许多高新技术领域获得器件的研究从此进入空前发展时期，并在许多高新技术领域获得了广泛的应用。近几十年来，一门新型分支学科了广泛的应用。近几十年来，一门新型分支学科磁光学磁光学(包括包括磁光效应、磁光理论、磁光材料、磁光测量、磁光器件、磁光光磁光效应、磁光理论、磁光材料、磁光测

3、量、磁光器件、磁光光谱学等谱学等)基本形成，以此为背景的各种磁光材料及器件也显示了其基本形成，以此为背景的各种磁光材料及器件也显示了其独特的性能和广阔的应用前景，并引起了人们浓厚的兴趣。独特的性能和广阔的应用前景，并引起了人们浓厚的兴趣。 引言引言有些物质，如顺磁性、磁铁性、反铁磁性和亚铁磁性物质的内部，有些物质，如顺磁性、磁铁性、反铁磁性和亚铁磁性物质的内部，具有原子或离子磁矩。这些具有固有磁矩的物质在外磁场的作用具有原子或离子磁矩。这些具有固有磁矩的物质在外磁场的作用下，电磁特性会发生变化，因而使光波在其内部的传输特性也发下，电磁特性会发生变化，因而使光波在其内部的传输特性也发生变化，这种

4、现象称为磁光效应。生变化，这种现象称为磁光效应。有些物质，如逆磁性物质内部，没有固有的原子或离子磁矩，但有些物质，如逆磁性物质内部，没有固有的原子或离子磁矩，但这种物质处于外磁场中时，将使其内部的电子轨道产生附加的拉这种物质处于外磁场中时，将使其内部的电子轨道产生附加的拉莫进动。这一进动具有相应的角动量和相应的磁矩，从而亦能使莫进动。这一进动具有相应的角动量和相应的磁矩，从而亦能使光波在其内部传播的特性发生变化，但这种物质产生的磁光效应光波在其内部传播的特性发生变化，但这种物质产生的磁光效应远较铁磁性和亚铁磁性物质的微弱。远较铁磁性和亚铁磁性物质的微弱。磁光效应，包括法拉第效应、克尔效应、磁线

5、振双拆射磁光效应，包括法拉第效应、克尔效应、磁线振双拆射(科顿一科顿一穆顿效应和瓦格特效应穆顿效应和瓦格特效应)、磁圆振二向色性、磁线振二向色性，、磁圆振二向色性、磁线振二向色性，塞曼效应和磁激发光散射等，其中最为人们所熟悉，而且亦最有塞曼效应和磁激发光散射等，其中最为人们所熟悉，而且亦最有用的是法拉第效应。用的是法拉第效应。第一部分第一部分 光和磁的基础知识光和磁的基础知识A 光的横波性与五种偏振态光的横波性与五种偏振态光的干涉和衍射现象只表明光是一种波动，光的偏振现象才清光的干涉和衍射现象只表明光是一种波动，光的偏振现象才清楚地显示光是横波（振动方向与传播方向垂直）而不是纵波。楚地显示光是

6、横波（振动方向与传播方向垂直）而不是纵波。1光的偏振现象与光的偏振现象与光的横波性光的横波性a 机械波的横波性的检验机械波的横波性的检验如图，将橡皮绳的一端固定，上下抖动另一端，于是如图，将橡皮绳的一端固定，上下抖动另一端，于是横波横波沿沿绳传播，在波的传播路径中放置两个栏杆绳传播，在波的传播路径中放置两个栏杆G1、G2，若二者缝，若二者缝隙方向一致隙方向一致图图(a)，则通过，则通过G1的振动可无阻碍地通过的振动可无阻碍地通过G2；若二者缝隙方向垂直；若二者缝隙方向垂直图图(b)，则通过，则通过G1的振动传到的振动传到G2处就被挡住，在处就被挡住，在G2后不后不再有波动。再有波动。这只可能是

7、横波。这只可能是横波。c 光的偏振的含义光的偏振的含义光波振动方向的不全面和振幅不均等的现象称为光的偏振现象。光波振动方向的不全面和振幅不均等的现象称为光的偏振现象。b 光波的横波性的检验（光的偏振现象）光波的横波性的检验（光的偏振现象）阻挡（消光），若阻挡（消光），若继续转过继续转过90度，透射光又变为最亮，再转过度，透射光又变为最亮，再转过90度，又复消光，度，又复消光，如此等等。结论：如此等等。结论：偏振片所起的作用反映了它上面存在一个特殊方向，使光波偏振片所起的作用反映了它上面存在一个特殊方向，使光波中的振动能顺利通过；该实验也反映了光波的振动方向与传播方向垂直即光波中的振动能顺利通过

8、；该实验也反映了光波的振动方向与传播方向垂直即光波是横波。是横波。光的电磁理论建立以后，光的横波性才得以完满说明：在自由空间传播的光波光的电磁理论建立以后，光的横波性才得以完满说明：在自由空间传播的光波是一种纯粹的横波，光波中沿横向振动着的物理量是是一种纯粹的横波，光波中沿横向振动着的物理量是电场矢量和磁场矢量电场矢量和磁场矢量，鉴，鉴于在光和物质的相互作用过程中主要是光波中的电矢量起作用，于在光和物质的相互作用过程中主要是光波中的电矢量起作用，所以常以电矢所以常以电矢量作为光波中振动矢量的代表。量作为光波中振动矢量的代表。光的横波性只表明电矢量与光的传播方向垂直，光的横波性只表明电矢量与光的

9、传播方向垂直，在与传播方向垂直的二维空间里电矢量还可能有各式各样的振动状态，称之为在与传播方向垂直的二维空间里电矢量还可能有各式各样的振动状态，称之为光的偏振态或偏振结构。光的偏振态或偏振结构。如图，让光线依次通过两个偏振片如图，让光线依次通过两个偏振片P1、P2，P1固定不动，以光线为轴固定不动，以光线为轴转动转动P2，发现：随着，发现：随着P2的的取向不的的取向不同，透射光的强度发生变化，当同，透射光的强度发生变化，当P2处于某一位置时透射光的强度最大，处于某一位置时透射光的强度最大，由此位置转过由此位置转过90度后，透射光的强度后，透射光的强度减为零，即光线完全被度减为零，即光线完全被P

10、2所所d 偏振片偏振片（1）晶体的二向色性（选择吸收性）晶体的二向色性（选择吸收性）（2）偏振片及其透振方向和消光方向）偏振片及其透振方向和消光方向（3）偏振片的起偏和检偏性能）偏振片的起偏和检偏性能行时被吸收得较少，光可以较多地通过行时被吸收得较少，光可以较多地通过图图（a），），振动的电矢振动的电矢量与光轴垂直时被吸收得较多，光通过得较少量与光轴垂直时被吸收得较多，光通过得较少图（图（b）。）。偏振片对入射光具有消光和透过的功能，偏振片对入射光具有消光和透过的功能，偏振片上能透过的振动方向称为透振方向偏振片上能透过的振动方向称为透振方向（区别于光的传播方向）。（区别于光的传播方向）。晶体对

11、不同方向的电磁振动具有选择晶体对不同方向的电磁振动具有选择吸收的性质。如当光线射在电气石晶吸收的性质。如当光线射在电气石晶体表面上时，振动的电矢量与光轴平体表面上时，振动的电矢量与光轴平起偏器：起偏器：任何偏振态的光通过后透射光都变为线偏振光的器件。任何偏振态的光通过后透射光都变为线偏振光的器件。检偏器：检偏器：检查入射光偏振态的器件，线偏振光通过此器件后光检查入射光偏振态的器件，线偏振光通过此器件后光强变为零强变为零。偏振片既是起偏器，又是检偏器。偏振片既是起偏器，又是检偏器。2. 光的五种偏振态光的五种偏振态光是横波，才有不同的偏振状态光是横波，才有不同的偏振状态光波的五种偏振态：光波的五

12、种偏振态：自然光、线偏振光、部分自然光、线偏振光、部分偏振光、圆偏振光和椭圆偏振光。偏振光、圆偏振光和椭圆偏振光。a 自然光自然光(1) 自然光自然光 自然光：在垂直光传播方向的平面上，所有方向均有横自然光：在垂直光传播方向的平面上，所有方向均有横振动，各个方向的振动幅度均相等，形成如图所示的轴对称振幅分振动，各个方向的振动幅度均相等，形成如图所示的轴对称振幅分布。布。（2）自然光通过偏振片后的光强度）自然光通过偏振片后的光强度自然光通过偏振片后透射光强为入射光强的一半。任何光线通过自然光通过偏振片后透射光强为入射光强的一半。任何光线通过偏振片后剩下的只是振动沿其透振方向的分量，透射光的强度等

13、偏振片后剩下的只是振动沿其透振方向的分量，透射光的强度等于这分量的平方，由于自然光中各振动的对称分布，它们沿任何于这分量的平方，由于自然光中各振动的对称分布，它们沿任何方向的分量造成的强度方向的分量造成的强度I都一样，它等于总强度都一样，它等于总强度I0的一半。所以当的一半。所以当我们转动我们转动P的透振方向时，透射光的强度的透振方向时，透射光的强度I并不改变。并不改变。b. 椭圆偏振光椭圆偏振光(1)椭圆偏振光椭圆偏振光在垂直光传播方向的平面上，只有单一的振在垂直光传播方向的平面上，只有单一的振动矢量，振动矢量的大小和方向不断地改变，动矢量，振动矢量的大小和方向不断地改变，振动矢量（电矢量）

14、的端点在波面内描绘的振动矢量（电矢量）的端点在波面内描绘的轨迹是一个椭圆。轨迹是一个椭圆。每一时刻的电矢量可分解为每一时刻的电矢量可分解为xyEE iE jcos()yyEAtcosxxEAt02xyAA/2 当当或或时时222222cossinyxyxxyxyEE EEAAA A若消去参量方程中的若消去参量方程中的t椭圆方程椭圆方程椭圆长轴、短轴的大小和取向，与振幅椭圆长轴、短轴的大小和取向，与振幅Ax,Ay和位相差和位相差 都有关系都有关系结论：结论： (1)椭圆偏振光可以分解为两个互相垂直的振幅不相等的相椭圆偏振光可以分解为两个互相垂直的振幅不相等的相位差固定、但不等于位差固定、但不等于

15、 或或 0的线偏振光的线偏振光(2)可以由这两束线偏振可以由这两束线偏振光来代替这束椭圆偏振光。光来代替这束椭圆偏振光。(2) 左旋与右旋椭圆偏振光左旋与右旋椭圆偏振光定义：定义：迎着光线传播的方向观看，若振动矢量迎着光线传播的方向观看，若振动矢量 E顺时针旋转就称为顺时针旋转就称为右旋椭圆偏振光右旋椭圆偏振光，若振动矢量若振动矢量E逆时针旋转就称为逆时针旋转就称为左旋椭圆偏振光。左旋椭圆偏振光。 cos()yyEAtcosxxEAt00对应于左旋对应于左旋对应于右旋对应于右旋(3) 椭圆偏振光通过偏振片后的光强度椭圆偏振光通过偏振片后的光强度若入射的椭圆偏振光强为若入射的椭圆偏振光强为0I旋

16、转偏振片旋转偏振片P一周，透射光强的变化为：一周，透射光强的变化为：MmMIIII即每隔即每隔90度透射光强从极大变为极小，再由极小变为极大度透射光强从极大变为极小，再由极小变为极大,但但没有消光位置。没有消光位置。 与与 的振动方向垂直。的振动方向垂直。 MImIc. 圆偏振光圆偏振光(1)圆偏振光圆偏振光在垂直光传播方向的平面上，只有单一的振动在垂直光传播方向的平面上，只有单一的振动矢量，振动矢量的大小不变，振动方向匀速转矢量，振动矢量的大小不变，振动方向匀速转动，振动矢量动，振动矢量(电矢量电矢量)的端点描绘成一个圆形的端点描绘成一个圆形轨迹。轨迹。圆偏振光可看成是椭圆偏振光的特例，圆偏

17、振光能够分解成两束互相圆偏振光可看成是椭圆偏振光的特例，圆偏振光能够分解成两束互相垂直的线偏振光。垂直的线偏振光。xyEE iE jxyAAA/2 cosxEAtcos()2yEAt消去参量消去参量t有：有：222xyEEA圆方程圆方程结论：结论： 1）圆偏振光可以分解为两个互相垂直的振幅相等、）圆偏振光可以分解为两个互相垂直的振幅相等、相位差为相位差为 的线偏振光。的线偏振光。2）可以由这两束线偏振光来代替这束圆偏振光。）可以由这两束线偏振光来代替这束圆偏振光。/2 (2)左旋圆偏振光与右旋圆偏振光左旋圆偏振光与右旋圆偏振光定义：定义：迎着光线传播方向观看，迎着光线传播方向观看，若振动矢量若

18、振动矢量E顺时针旋转就称为顺时针旋转就称为右旋圆偏振光，此时：右旋圆偏振光，此时： /2 若振动矢量若振动矢量E逆时针旋转就称为逆时针旋转就称为左旋圆偏振光，此时：左旋圆偏振光，此时： /2 (3)圆偏振光通过偏振片后的光强度圆偏振光通过偏振片后的光强度若入射光强为：若入射光强为：22202xyIAAA旋转偏振片旋转偏振片P一周，透射光强不变化一周，透射光强不变化22012xIAAI这是因为圆偏振光可沿任意一对相互垂直的方向分解成振这是因为圆偏振光可沿任意一对相互垂直的方向分解成振幅相等的两个偏振光。其中一个分量通不过偏振器，另一幅相等的两个偏振光。其中一个分量通不过偏振器，另一个能通过。个能

19、通过。d 线偏振光线偏振光(1)线偏振光的定义：线偏振光的定义：在垂直光传播方向的平面上，只有单一在垂直光传播方向的平面上，只有单一方向的振动矢量，随着时间的推移，振方向的振动矢量，随着时间的推移，振动矢量只改变大小、不改变方向。动矢量只改变大小、不改变方向。一束线偏振光可以分解为两束互相垂直的线偏振光一束线偏振光可以分解为两束互相垂直的线偏振光cosEAtcosAAxsinAAycosxxEAtcos()yyEAt0 ,jEiEyx消去参量消去参量t，有：有：直线方程直线方程xyxyAAEE结论：结论：（1）线偏振光可以分解为两个互相垂直）线偏振光可以分解为两个互相垂直 的相位差为的相位差为

20、 0 或或 的线偏振光，的线偏振光，（2）可以由这两束线偏振光代替这束线偏振光。）可以由这两束线偏振光代替这束线偏振光。(2)振动面与平面偏振光振动面与平面偏振光振动面：振动面：线偏振光的传播方向与线偏振光的传播方向与振动方向构成的平面。振动方向构成的平面。同一波线上的线偏振光的光振动均处于同一同一波线上的线偏振光的光振动均处于同一振动面上，又称线偏振光为振动面上，又称线偏振光为平面偏振光平面偏振光。线偏振光是偏振程度最强的光，又称线偏振线偏振光是偏振程度最强的光，又称线偏振光为光为全偏振光全偏振光。 (3)线偏振光通过偏振片后的光强度线偏振光通过偏振片后的光强度若入射的线偏振光强为：若入射的

21、线偏振光强为： 0I旋转偏振片旋转偏振片P一周，一周，透射光强的变化为：透射光强的变化为： 000III存在一个消光方向存在一个消光方向, 在垂直在垂直 P 的透振方向上的透振方向上e部分偏振光部分偏振光(1)部分偏振光部分偏振光在垂直光传播方向的平面上，所有方向均有横振动，但在垂直光传播方向的平面上，所有方向均有横振动，但不同方向的振动幅度不相等，形成如图的振幅分布。不同方向的振动幅度不相等，形成如图的振幅分布。(2)部分偏振光通过偏振片后的光强度部分偏振光通过偏振片后的光强度 若入射的部分偏振光光强为若入射的部分偏振光光强为 0I旋转偏振片旋转偏振片P一周，透射光强的变化为：一周，透射光强

22、的变化为：MmMIIII与与 的振动方向互相垂直的振动方向互相垂直mIMI部分偏振光的总光强部分偏振光的总光强 mMIII偏振度：偏振度： mMmMIIIIP时，时， ，为自然光，为自然光 0P时，时， ，是线偏振光，是线偏振光 1P0mI注意：注意： 与与 是所有线偏振光在这两个互相是所有线偏振光在这两个互相 垂直方向上的投影分量的非相干叠加。垂直方向上的投影分量的非相干叠加。 MImImMIIB 磁畴和磁化磁畴和磁化1.物质由原子、分子、离子组成，有些原子或离子，如物质由原子、分子、离子组成，有些原子或离子，如Fe、Co、Ni、Fe2+、Fe3+、Tb3+、Sm3+、Pr3+等具有一定大小

23、的磁矩，由这些磁性原子、离子组等具有一定大小的磁矩，由这些磁性原子、离子组成的合金和化合物，通常具有很强的磁性。成的合金和化合物，通常具有很强的磁性。 具有强磁性的物质称为磁性物质。（铁磁性与亚铁磁性）具有强磁性的物质称为磁性物质。（铁磁性与亚铁磁性）2. 在磁性物质内部，有许许多多小区域，在每一个小区域内，由于原于或离子在磁性物质内部，有许许多多小区域，在每一个小区域内，由于原于或离子 之间具有很强的电的和磁的相互作用，所有的原子或离于磁矩都互相平行、之间具有很强的电的和磁的相互作用，所有的原子或离于磁矩都互相平行、 整齐地排列起来，这种小区域即整齐地排列起来，这种小区域即磁畴磁畴。因为各磁

24、畴的磁矩方向是不相同的，。因为各磁畴的磁矩方向是不相同的， 因此对外作用互相抵消，宏观上并不显示出磁性因此对外作用互相抵消，宏观上并不显示出磁性(图图a)。若沿物体的某一方向。若沿物体的某一方向 施加一个不大的磁场，物体内的各磁畴磁矩会从各个不同的方向，转到磁场施加一个不大的磁场，物体内的各磁畴磁矩会从各个不同的方向，转到磁场 方向或接近磁场方向，因而在磁场方向存在磁矩的联合分量，对外就显示出磁方向或接近磁场方向，因而在磁场方向存在磁矩的联合分量，对外就显示出磁 性性(图图b)，即物体被外磁场磁化了。单位体积内各个磁畴磁矩的矢量和叫磁化，即物体被外磁场磁化了。单位体积内各个磁畴磁矩的矢量和叫磁

25、化强度矢量（强度矢量（M）。当施）。当施加的外磁场足够大，以加的外磁场足够大，以致所有的磁畴磁矩都沿致所有的磁畴磁矩都沿外磁场方向排列外磁场方向排列(此时此时磁畴消失了磁畴消失了(图图c)，再增，再增加外磁场也不能增强磁加外磁场也不能增强磁化，即物体磁化达到饱化，即物体磁化达到饱和，和，MMs，Ms称为称为饱和磁化强度。饱和磁化强度。3. 外加磁场的方向不同，有些物体沿不同方向磁化的情形是不同的，我们称外加磁场的方向不同，有些物体沿不同方向磁化的情形是不同的，我们称这种现象为磁性的各向异性。这主要是由下列三种因素造成的。这种现象为磁性的各向异性。这主要是由下列三种因素造成的。 (1)结构上的各

26、向异性结构上的各向异性 在晶体中，原子的排列是有规则的，在各个方向上在晶体中，原子的排列是有规则的，在各个方向上排列的状况是不相同的。如在简单立方晶体中，沿排列的状况是不相同的。如在简单立方晶体中，沿100方向的原子排列比较方向的原子排列比较紧密，而沿紧密，而沿111方向的原子排列就比较稀疏。又如在两种以上原子构成的晶方向的原子排列就比较稀疏。又如在两种以上原子构成的晶体中，在其一方向排成直线的是同一种原子，在另一方向排成直线的是两种体中，在其一方向排成直线的是同一种原子，在另一方向排成直线的是两种以上的原子。这些状况属于结构上的各向异性。由于结构上的各向异性，磁以上的原子。这些状况属于结构上

27、的各向异性。由于结构上的各向异性，磁性晶体磁化时，在磁性上亦会表现出各向异性，这种现象称为磁晶各向异性。性晶体磁化时，在磁性上亦会表现出各向异性，这种现象称为磁晶各向异性。 例如：铁单晶属于立方晶系例如：铁单晶属于立方晶系(如图如图)。在。在100方向加不大的磁场，磁化就会方向加不大的磁场，磁化就会达到饱和，在达到饱和，在110加同样大小的磁场，磁化就不如加同样大小的磁场，磁化就不如100方向强，而在方向强，而在111方向，磁化则更弱了。我们把最容易磁化的方向称为易磁化方向，如铁单晶方向，磁化则更弱了。我们把最容易磁化的方向称为易磁化方向，如铁单晶中的中的100方向，最难磁化的方向称为难磁化方

28、向，如铁单晶中的方向，最难磁化的方向称为难磁化方向，如铁单晶中的111方向。方向。(2)形状上的各向异性形状上的各向异性 磁性物体磁化后，在物体的端面会出现磁性物体磁化后，在物体的端面会出现N、S两个磁极，两个磁极，如图如图a所示。这样，在物体内部就会产生一种磁场所示。这样，在物体内部就会产生一种磁场Hd，其方向与外磁场，其方向与外磁场Ha方向方向相反或接近相反，因而有减退磁化的作用，故相反或接近相反，因而有减退磁化的作用，故Hd称为退磁场。真正作用在物体称为退磁场。真正作用在物体内部的磁场强度内部的磁场强度Hi为为Hi=Ha+Hd，在数值上，在数值上Hd越大，越大，Hi就比就比Ha小得越多，

29、这小得越多，这表明物体越难磁化。表明物体越难磁化。 退磁场退磁场Hd一般是不均匀的。可是在椭球中，如果磁化均匀，其内部的一般是不均匀的。可是在椭球中，如果磁化均匀，其内部的Hd则是均匀的，且则是均匀的，且Hd大小与内部的磁化程度大小与内部的磁化程度M成正比，方向与成正比，方向与M相反。相反。HdNM，N称为退磁因子。椭球在三个主轴上的退磁因子称为退磁因子。椭球在三个主轴上的退磁因子Nx，Ny和和Nz有以下关系有以下关系：Nx+Ny+Nz=1。N的数值决定于物体的几何形状。通常物体各方向上的退磁的数值决定于物体的几何形状。通常物体各方向上的退磁因子是不相同的。由此可知，同样大小的外磁场沿不同方向

30、磁化时，各个方向因子是不相同的。由此可知，同样大小的外磁场沿不同方向磁化时，各个方向上的退磁场是不相同的，因而内磁场上的退磁场是不相同的，因而内磁场Hi亦各不相同。这种因物体的几何形状所亦各不相同。这种因物体的几何形状所导致的沿不同方向磁化难易程度不同的现象称为形状各向异性导致的沿不同方向磁化难易程度不同的现象称为形状各向异性图图b、c两种形状是椭球体的两个特殊情况。在无限长圆柱体情两种形状是椭球体的两个特殊情况。在无限长圆柱体情形，形，Nz0，NxNy12。由此不难看出，当外磁场。由此不难看出，当外磁场Ha大小大小一定时，沿无限长圆柱体长轴方向一定时，沿无限长圆柱体长轴方向(z方向方向)磁化

31、时，磁化时，Hi最大，即最大，即最易磁化。在无限大薄片情形最易磁化。在无限大薄片情形NxNy0Nz1。因此，沿垂。因此，沿垂直于无限大薄片方向直于无限大薄片方向(z方向方向)磁化时，薄片内的磁化时，薄片内的Hi最小，即最难最小，即最难磁化，而沿无限大薄片平面内磁化时，磁化，而沿无限大薄片平面内磁化时，Hi最大，即最易磁化。如最大，即最易磁化。如在集成光学器件中，常用到的稀土铁石榴石单晶薄膜的情形，如在集成光学器件中，常用到的稀土铁石榴石单晶薄膜的情形，如果单从形状各向异性考虑，则垂直于薄膜平面的方向是难磁化方果单从形状各向异性考虑，则垂直于薄膜平面的方向是难磁化方向，薄膜平面内的任何方向都是易

32、磁化方向，只要在薄膜平面内向，薄膜平面内的任何方向都是易磁化方向，只要在薄膜平面内施加施加408000Am（0.5100Oe）的磁场，即可使石榴石膜磁）的磁场，即可使石榴石膜磁化到饱和。化到饱和。(3) 应力的各向异性，磁性物体被磁化时，要发生伸缩，如果受到限制而不应力的各向异性，磁性物体被磁化时，要发生伸缩，如果受到限制而不能伸缩，则物体中就会产生应力。例如，在非磁性钆镓石榴石能伸缩，则物体中就会产生应力。例如，在非磁性钆镓石榴石(Gd3Ga5O12简称简称GGG)上外延生长的钇铁石榴石上外延生长的钇铁石榴石(Y3Fe5O12简称简称YIG)单晶薄膜，被磁化单晶薄膜，被磁化后会发生伸缩，但由

33、于受到后会发生伸缩，但由于受到GGG衬底的牵制会在薄膜内产生应力。有时候衬底的牵制会在薄膜内产生应力。有时候人为地使磁性薄膜材料的点阵常数略大子或略小于衬底材料的点阵常数，这人为地使磁性薄膜材料的点阵常数略大子或略小于衬底材料的点阵常数，这种点阵常数的失配会在磁性薄膜内产生一定大小的应力。在各个方向上应力种点阵常数的失配会在磁性薄膜内产生一定大小的应力。在各个方向上应力的情况往往是不一样的，物体磁化时产生的这种应力的各向异性，亦会导致的情况往往是不一样的，物体磁化时产生的这种应力的各向异性，亦会导致磁性的各向异性，这种现象称为应力各向异性。磁性的各向异性，这种现象称为应力各向异性。 那么，磁性

34、物体的哪个方向是易磁化方向呢那么，磁性物体的哪个方向是易磁化方向呢?这要由上述三种因素共同决这要由上述三种因素共同决定。我们可以通过调节成分、配方、工艺条件和样品形状等方法使某一个或定。我们可以通过调节成分、配方、工艺条件和样品形状等方法使某一个或某两个因素起支配作用，这时易磁化方向就由这一个或两个主要因素决定。某两个因素起支配作用，这时易磁化方向就由这一个或两个主要因素决定。在用于磁光器件的磁性薄膜材料中，有时使易磁化方向处于薄膜平面内，有在用于磁光器件的磁性薄膜材料中，有时使易磁化方向处于薄膜平面内，有时使易磁化方向处于垂直于薄膜平面的方向上。例如，用于磁镜偏频激光陀时使易磁化方向处于垂直

35、于薄膜平面的方向上。例如，用于磁镜偏频激光陀螺的螺的(Ei PrGdYb)3(FeAl)6O12单晶薄膜，其易磁化方向在薄膜平面内，而具单晶薄膜，其易磁化方向在薄膜平面内，而具有磁光泡特性有磁光泡特性(Bi Tm)3（Fe Ga)5O12挚晶薄膜，共易磁化方向却在垂直薄膜平挚晶薄膜，共易磁化方向却在垂直薄膜平血的血的111方向上。这样，人们只要在易磁化方向上施加一个较小的磁场，就方向上。这样，人们只要在易磁化方向上施加一个较小的磁场，就可以使薄膜磁化到饱和。可以使薄膜磁化到饱和。第二部分第二部分 磁光效应磁光效应 当光透过铁磁体或被磁体反射，由于铁磁体存在自发当光透过铁磁体或被磁体反射，由于铁

36、磁体存在自发磁化强度，使光的传输特性发生变化，产生新的各种光学磁化强度，使光的传输特性发生变化，产生新的各种光学各向异性现象，统称为磁光效应。各向异性现象，统称为磁光效应。 磁光效应指的是具有固有磁矩的物质在外磁场的作用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下电磁特性(如磁导率、如磁导率、 磁化强度、磁畴结构等磁化强度、磁畴结构等)会发生变会发生变化，使光波在其内部的传输特性化，使光波在其内部的传输特性(如偏振状态、光强、相如偏振状态、光强、相位、传输方向等位、传输方向等)也随之发生变化的现象。也随之发生变化的现象。 磁光效应包括法拉第效应、磁光克尔效应、塞曼效应磁光效应包括

37、法拉第效应、磁光克尔效应、塞曼效应、磁致双折射效应以及后来发现的磁圆振二向色性、磁致双折射效应以及后来发现的磁圆振二向色性、 磁线磁线振二向色性、磁激发光散射、磁场光吸收、磁离子体效应振二向色性、磁激发光散射、磁场光吸收、磁离子体效应和光磁效应等。和光磁效应等。A 法拉第效应（重点）法拉第效应（重点） 法拉第效应是指一束线偏振光沿外加磁场方向（磁化强度矢量法拉第效应是指一束线偏振光沿外加磁场方向（磁化强度矢量的方向）通过置于磁场中的介质时，由于左、右旋圆偏振光（的方向）通过置于磁场中的介质时，由于左、右旋圆偏振光（线偏线偏振光分解来的，透射后存在相位差、仍合成为线偏振光振光分解来的，透射后存在

38、相位差、仍合成为线偏振光）在铁磁体）在铁磁体中的折射率不同，透射光的偏振化方向相对于入射光的偏振化方向中的折射率不同，透射光的偏振化方向相对于入射光的偏振化方向转过一定角度转过一定角度 F （法拉第转角）的现象。（法拉第转角）的现象。材料中的法拉第转角材料中的法拉第转角F与样品长度与样品长度L和磁场强度和磁场强度H的关系：的关系： F=HLV 其中，其中，V为为Verdet常数，是物质固有的比例系数，单位是常数，是物质固有的比例系数，单位是 min/(Oecm)。 注：注：1.这一效应最早由法拉第发现这一效应最早由法拉第发现, 通常又称为法拉第旋转效应。通常又称为法拉第旋转效应。2.从公式看出

39、，光波的偏振面绕传从公式看出，光波的偏振面绕传输轴连续旋转输轴连续旋转(相对相对H) , 直至磁光直至磁光介质的终端，偏振面旋转了介质的终端，偏振面旋转了F。3.法拉第效应可分为右旋和左旋两种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当线偏振光沿着磁场方向传播时时, 振动面向左旋振动面向左旋; 当光束逆着磁场方向传播时当光束逆着磁场方向传播时, 振动面将向右旋。振动面将向右旋。产生法拉第旋转（磁旋光）的内在原因是磁性原子或离子的光产生法拉第旋转（磁旋光）的内在原因是磁性原子或离子的光跃迂，由于这些跃迁导致了磁场中两个旋转方间相反的圆偏振波跃迂，由于这些跃迁导致了磁场中两个旋转

40、方间相反的圆偏振波之间的色散差。例如在之间的色散差。例如在YIG磁性晶体中，导致依赖于波长的磁旋磁性晶体中，导致依赖于波长的磁旋光主要是处于八面体位置上的铁离子的跃迁贡献的。磁旋光包括光主要是处于八面体位置上的铁离子的跃迁贡献的。磁旋光包括磁偶极子和电偶极子两种跃迁的贡献。磁偶极子和电偶极子两种跃迁的贡献。 F M十十E式中式中M和和E分别是由磁偶板子和电偶极子跃迁引起的。分别是由磁偶板子和电偶极子跃迁引起的。当光频率大于磁偶极子跃迁相对应的铁磁共振频率时当光频率大于磁偶极子跃迁相对应的铁磁共振频率时M4Ms其中，其中，为旋磁比，为旋磁比，Ms为饱和磁化强度，磁偶极子跃迁对磁旋为饱和磁化强度，

41、磁偶极子跃迁对磁旋光的贡献与波长无关，是一个恒量。光的贡献与波长无关，是一个恒量。电偶极子对磁旋光的贡献来源子常态与激发态之间的跃迁。对电偶极子对磁旋光的贡献来源子常态与激发态之间的跃迁。对于离跃迁远的波长于离跃迁远的波长E=a/2+b/4+常数常数a、b决定于离子磁化，辐射吸收的跃迁几率和激发态的自决定于离子磁化，辐射吸收的跃迁几率和激发态的自旋一轨道相互作用。旋一轨道相互作用。 磁圆振二向色性是发生在光沿平行于磁化强度方向传磁圆振二向色性是发生在光沿平行于磁化强度方向传播的情况，铁磁体对入射线偏振光的两个圆偏振光的吸收播的情况，铁磁体对入射线偏振光的两个圆偏振光的吸收不同，一个圆偏振光的吸

42、收大于另一个圆偏振光的吸收。不同，一个圆偏振光的吸收大于另一个圆偏振光的吸收。其结果造成左右圆偏振光的吸收有差异，此现象称为磁圆其结果造成左右圆偏振光的吸收有差异，此现象称为磁圆振二向色性。振二向色性。 磁致线双折射效应磁致线双折射效应:构成介质的分子有各向异性的性质构成介质的分子有各向异性的性质, 即具有永久磁矩。即具有永久磁矩。 在不加磁场时各分子的排列杂乱无章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而在加上足够强的外磁场时场时, 分子磁矩受到了力的作用分子磁矩受到了力的作用, 各分子对外磁场有了一定各分子对外

43、磁场有了一定的取向的取向, 从而使介质在宏观上有了各向异性的性质。在磁场从而使介质在宏观上有了各向异性的性质。在磁场中的介质中的介质, 当光以不同于磁场的方向通过它时当光以不同于磁场的方向通过它时, 也会出现象也会出现象单轴晶体那样的双折射现象单轴晶体那样的双折射现象, 称为磁致线双折射效应。磁致称为磁致线双折射效应。磁致线双折射效应又包括科顿线双折射效应又包括科顿穆顿效应穆顿效应( Cotton-Mouton effect)和瓦格特效应和瓦格特效应(Voigt effect) ,通常把铁磁和亚铁磁介通常把铁磁和亚铁磁介质中的磁致线双折射称为科顿质中的磁致线双折射称为科顿穆顿效应穆顿效应, 反

44、铁磁介质中的反铁磁介质中的磁致线双折射称为瓦格特效应。磁致线双折射称为瓦格特效应。B 磁致线双折射效应磁致线双折射效应磁线振二向色性是发生在光沿着垂直于磁化强度方向传播磁线振二向色性是发生在光沿着垂直于磁化强度方向传播的情况，铁磁体对被分解成的两个偏振光的吸收不同，两的情况，铁磁体对被分解成的两个偏振光的吸收不同，两个偏振光以不同的衰减通过铁磁体，从而出现磁线振二向个偏振光以不同的衰减通过铁磁体，从而出现磁线振二向色性。色性。如图当线偏振光垂直于磁化强度矢量如图当线偏振光垂直于磁化强度矢量方向透射时，光波的电矢量将分成两方向透射时，光波的电矢量将分成两束，一束与磁化强度矢量平行，称为束，一束与

45、磁化强度矢量平行，称为正常光波，另一束与磁化强度矢量垂正常光波，另一束与磁化强度矢量垂直，称非正常光波。两者之间有相位直，称非正常光波。两者之间有相位差差，这二者的折射率不同而有双折，这二者的折射率不同而有双折射现象，此称为科顿射现象，此称为科顿穆顿效应。穆顿效应。C 磁光克尔效应（重点）磁光克尔效应（重点）磁光克尔效应磁光克尔效应:线偏振光被磁化了的铁磁体表面反射时线偏振光被磁化了的铁磁体表面反射时,反反射光将是椭圆偏振的射光将是椭圆偏振的,且以椭圆的长轴为标志的偏振面相对且以椭圆的长轴为标志的偏振面相对于入射线偏振光的偏振面转过了一定角度于入射线偏振光的偏振面转过了一定角度k，这种现象就，

46、这种现象就是磁光克尔效应是磁光克尔效应, k称为磁光克尔转角。称为磁光克尔转角。磁光克尔效应包括三种情况磁光克尔效应包括三种情况:1)纵向克尔效应纵向克尔效应:即磁化强度既平行于介质表面又平行于光即磁化强度既平行于介质表面又平行于光线的入射面时的克尔效应线的入射面时的克尔效应;2)极向克尔效应极向克尔效应:即磁化强度与介质表面垂直时发生的克尔即磁化强度与介质表面垂直时发生的克尔效应效应;3)横向克尔效应横向克尔效应,即磁化强度与介质表面平行时发生的克尔即磁化强度与介质表面平行时发生的克尔效应。效应。极向和纵向克尔效应的磁致旋光都正比于磁化强度，一般极向和纵向克尔效应的磁致旋光都正比于磁化强度，

47、一般极向的效应最强，纵向次之，横向则无明显的磁致旋光。极向的效应最强，纵向次之，横向则无明显的磁致旋光。克尔效应最重要的应用是观察铁磁体的磁畴克尔效应最重要的应用是观察铁磁体的磁畴 近几年近几年,市场上出现了一种磁光盘市场上出现了一种磁光盘,它既具有光盘的巨大容量及它既具有光盘的巨大容量及信息存储密度信息存储密度,还同时能像普通磁盘那样可擦重写还同时能像普通磁盘那样可擦重写,因此受到普因此受到普遍的关注遍的关注.磁光盘表面的信息存储材料被称为磁光介质磁光盘表面的信息存储材料被称为磁光介质.评价磁评价磁光介质性能的重要指标是它的磁光克尔转角光介质性能的重要指标是它的磁光克尔转角 ,它直接反映磁光

48、它直接反映磁光介质的信息读出性能介质的信息读出性能.磁光介质写入信息的方法是在激光照射下同时处在磁场当中的磁光介质写入信息的方法是在激光照射下同时处在磁场当中的热磁写入热磁写入.具体过程是具体过程是:将磁光介质以薄膜形式附着在磁光盘表将磁光介质以薄膜形式附着在磁光盘表面上面上,将激光聚焦后逐点照射在材料的表面将激光聚焦后逐点照射在材料的表面,使得该材料局部受使得该材料局部受热而发生矫顽力降低热而发生矫顽力降低,这时利用外加磁场对该材料进行磁化这时利用外加磁场对该材料进行磁化.由由于磁光介质都具有垂直表面各向异性于磁光介质都具有垂直表面各向异性,在介质上的点受热而同在介质上的点受热而同时被磁化时

49、时被磁化时,磁化方向可有两种情况磁化方向可有两种情况:垂直表面向上和垂直表面垂直表面向上和垂直表面向下向下(可称为正向磁化和反向磁化可称为正向磁化和反向磁化) ,通常将这两种磁化情况分通常将这两种磁化情况分别代表信息的别代表信息的 “0” 和和“1” .当激光光点移开刚才被磁化的点当激光光点移开刚才被磁化的点时时,那里的温度迅速降低那里的温度迅速降低,磁畴的磁化方向即固定下来磁畴的磁化方向即固定下来.因此因此,逐点逐点磁化的过程也就是信息写入的过程磁化的过程也就是信息写入的过程.磁光盘上信息读出的原理是利用磁光克尔效应磁光盘上信息读出的原理是利用磁光克尔效应.对已写入信息的磁光介质对已写入信息

50、的磁光介质,要读出所写信息则要利用磁光克尔要读出所写信息则要利用磁光克尔效应。具体方法是效应。具体方法是:将一束单色偏振光聚焦后照射在介质表面将一束单色偏振光聚焦后照射在介质表面上的某点上的某点 ,通过检测该点处磁畴的磁化方向来辨别信息的通过检测该点处磁畴的磁化方向来辨别信息的 “0” 或或 “1” .例如例如 ,被照射的点为正向磁化被照射的点为正向磁化 ,则在该点的反射光磁光则在该点的反射光磁光克尔转角应为克尔转角应为 +k ,相反被照射的点为反向磁化相反被照射的点为反向磁化 ,则在该点的则在该点的反射光磁光克尔转角应为反射光磁光克尔转角应为 - k. 因此因此 ,如果偏振分析器的轴向恰好调