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1、磁光晶体材料的研究现状与发展趋势1.1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。1.2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，
2、磁光晶体也在其中逐渐发现并加以应用。1.3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。2 基本原理2.1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。2.2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
3、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，
4、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1m5m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；
5、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是法拉第转角 ，L是样品长度，H是磁场强度 关系式：F = HLV V 为Verdet 常数，是物质固有的比例系数。2.3克尔磁光效应克尔磁光效应就是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
6、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。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。 克尔磁光效应示意图 塞曼效应示意图2.4塞曼效应 塞曼效应是1896年由荷兰物理学家塞曼发现的.他发现，原子光谱线在外磁场发生了分裂。随后洛仑兹在理论上解释了谱线分裂成3条的原因。这种现象称为“塞曼效应”。 塞曼效应是继1845年法拉第效应和1875年克尔效应之后发现的第三个磁场对光有
7、影响的实例。塞曼效应证实了原子磁矩的空间量子化，为研究原子结构提供了重要途径，被认为是19世纪末20世纪初物理学最重要的发现之一。利用塞曼效应可以测量电子的荷质比。在天体物理中，塞曼效应可以用来测量天体的磁场。 2.5科顿-穆顿效应 科顿-穆顿效应又称磁双折射效应，简记为MLB。是1907年A.科顿和H.穆顿在液体中发现。光在透明介质中传播时，若在垂直于光的传播方向上加一外磁场，则介质表现出单轴晶体的性质，光轴沿磁场方向，主折射率之差正比于磁感应强度的平方。此效应也称磁致双折射。 科顿-穆顿效应示意图W.佛克脱在气体中也发现了同样效应，称佛克脱效应，它比前者要弱得多。当介质对两种互相垂直的振动
8、有不同吸收系数时，就表现出二向色性的性质，称为磁二向色性效应。 类似于电场的克尔效应，某些透明液体在磁场作用下变为各向异性，性质类似于单轴晶体，光轴平行磁场。3 分类3.1晶体材料的分类 晶体的性能通常分为固有物性和功能物性晶体常按功能物性进行分类，主要有以下9种: 压电晶体：在外力作用下发生变形时，其表面产生电荷效应的晶体可制成换能器、拾音器、振子以及传感器最初采用酒石酸钾钠一类水溶性晶体，现已为性能优良的人工水晶、四硼酸锂(Li2B4O7)、铌酸锂(LiNbO3)、钽酸锂(LiTaO3)等取代。 激光晶体：已获得有激光输出的晶体有数百种以上，但真正成为激光工作物质的主要是红宝石(Al2O3
9、Cr，激光波长为0.6943m)、钇铝石榴石(Y3Al5O12Nd1.065m)对激光晶体的研究主要是向波长可调谐(如BeAlO4Cr，Al2O3Ti)、高效率和大功率(钇镓石榴石系列)、多功能(LiNbO3Mg、Fe等)的方向发展。 电光晶体：在外加电场作用下折射率发生变化，从而使通过晶体的一束激光分解为两束偏振方向相互垂直的偏振光，并产生一相位差效应的晶体适用于激光的调制和偏振常用的电光晶体有铌酸锂、钽酸锂以及磷酸二氢钾(KDP)类晶体。 声光晶体：具有声光效应的晶体主要有二氧化碲(TeO2)和钼酸铅(PbMoO4)适用于激光的偏振和调制。 非线性光学晶体：组成晶体的原子因外层电子在光作用
10、下偏离其平衡位置而发生极化常用的有磷酸二氢钾类晶体、铌酸锂、铌酸钾以及偏硼酸钡(BaB2O4)、三硼酸锂(LiB3O5)晶体。 光折变晶体：在光的作用下可引起折射率变化的晶体主要有钛酸钡(BaTiO3)、硅酸铋(Bi12SiO20)、铌酸锂、铌酸钡钠(Ba2NaNb5O15)等。 热释电晶体：在外界温度变化时由其自发极化引起表面电荷效应的晶体可用于制备热释电探测器主要有铌酸锂、钽酸锂等。 闪烁晶体：具有闪烁效应的晶体广泛用于测量核辐射能量20世纪80年代中，用坩埚下降法生长的大尺寸锗酸铋(Bi4Ge3O12)晶体，取代掺铊的碘化钠(NaITl)晶体，成为性能最佳的闪烁晶体其他如氟化钡(BaF2
11、)、氟化铈(CeF3)、氟化铅(PbF2)等正在研制中磁光晶体：具有较大的纯法拉第效应，对使用波长的吸收系数低，磁化强度和磁导率高用于制作光隔离器、光非互易元件、磁光存储器及磁光调制器等。此外，晶体材料按来源又分为天然晶体和人工晶体，后者应用较多广泛使用的晶体材料主要有人工水晶、磷酸钛氧钾晶体、铌酸锂晶体、锗酸铋晶体、四硼酸锂晶体、磷酸二氢钾晶体、钇铝石榴石、合成云母和氟化钡等处于研究阶段的还有C60及其化合物晶体材料广泛用于激光技术、电子技术、生物医学、高能物理及家用电器等方面。4 研究现状4.1磁光晶体材料的应用领域磁光晶体材料具有较大的纯法拉第效应，使用波长的吸收系数低，磁化强度和磁导率
12、高主要应用于制作光隔离器、光非互易元件、磁光存储器及磁光调制器、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、激光陀螺等。随着磁光晶体材料的不断发现，可应用制作的器件范围也将随之变大。4.2基于磁光晶体材料制作的一些器件介绍1 光隔离器 光隔离器是一种只允许单向光通过的无源光器件，其工作原理是基于法拉第旋转的非互易性。通过光纤回波反射的光能够被光隔离器很好的隔离。光隔离器主要利用磁光晶体的法拉第效应。光隔离器的特性是：正向插入损耗低，反向隔离度高，回波损耗高。 光隔离器是允许光向一个方向通过而阻止向相反方向通过的无源器件，作用是对光的方向进行限制，使
13、光只能单方向传输，通过光纤回波反射的光能够被光隔离器很好的隔离，提高光波传输效率。 光隔离器 2 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光纤电流传感器的主要原理是利用磁光晶体的法拉弟效应根据臼F=V。lHL，通过对法拉弟旋转角0F的测量，可得到电流所产生的磁场强度，从而可以计算出电流大小由于光纤具有抗电磁干扰能力强、绝缘性能好、信号衰减小的优点，因而在
14、法拉弟电流传感器研究中，一般均采用光纤作为传输介质，其工作原理如下图： 光纤电流传感器示意图激光束通过光纤，并经起偏器产生偏振光，经自聚焦透镜人射到磁光晶体:在电流产生的外磁场作用下，偏振面旋转F角度；经过检偏器、光纤，进人信号检测系统，通过对F的测量得到电流值当设置系统中两偏振器透光主轴的夹角为45，经过传感系统后的出射光强为: l=(Io2)(1+sin2F) 式中Io为入射光强通过对出射光强的测量，就可以得出F，从而可测出电流的大小3 激光陀螺激光陀螺是一种不用外部参考而用Sagnac效应的光学方法来敏感测量旋转体的旋转角速度的新型固态惯性器件Sagnac效应就是在环形光路中，当环路相对
15、于惯性空间以角速度r转动时，顺、逆时针的光程将产生差值L，L=SrC，这种效应被称为Sagnac效应激光陀螺的共同基础就是Sagnac效应由于激光陀螺具有尺寸小、功耗低、抗振动、抗电磁干扰、噪声小、线性度好、动态范围宽、灵敏度高等诸多优点，而广泛用于导弹制导、飞机、舰船、宇航、人造卫星、潜艇、无人驾驶飞机的惯性导航系统、汽车导向等此外，在石油钻探、摄像机、天线平台和稳定化、机器人等自控定向装置的姿态控制中也得到了广泛的应用下面介绍它的工作原理，如下图所示，介质膜高反镜构成低损耗的激光谐振腔，HeNe激光增益管对光的增益作用，使腔内维持着稳定的顺、逆行波的振荡，为了检测出反向行波的频差，需利用一
16、片腔镜M1的部分透射，将反向行波引出腔外，再经合光棱镜合光干涉，最后被光电元件PD接收在激光陀螺中所选用的法拉弟元件主要是火石玻璃、冕牌玻璃等各向均匀的介质而在横向克尔效应中，目前常选用的是磁光晶体稀土钇铁石榴石，如(BiPrGdYb)3(FeAl)5O12构成的磁膜，作为磁镜代替M1，当K+，K_两束偏振光人射到横向加磁场的磁镜上时，将发生非互易性相移，频率有一差值，当入射磁场交变时，则通过PD接收到交变的偏频，根据这个偏频信号，对惯性系统进行导航，这就是激光陀螺的工作原理4 微波器件YIG具有铁磁共振线宽窄，结构致密，温度稳定性好，在高频下具有很小的特征电磁损耗等特点这些特点使YIG适宜于
17、制成各种诸如高频合成器、带通滤波器、振荡器、AD调谐驱动器等微波器件，在X光波段以下的微波频段得到了广泛的应用。另外，磁光晶体还可做成环形器、磁光显示器等磁光器件。磁光晶体材料的研发以及数据5 YIG单晶YIG单晶（钇铁石榴石）是一种具有多项磁特性的氧化铁合成晶体, 常用以调节激光。国外对YIG单晶材料的研究始于1956年到1958年，美国贝尔实验室采用助溶剂法率先研制成功YIG单晶体，1965年，美国帕肯-爱勒莫公司推出了YIG单晶薄膜。通过努力，在60年代，YIG单晶/薄膜即已基本达到了实用化程度。1964年，我国也研制出了具有小线宽的YIG铁氧体块状单晶，并着手将其制成直径仅1mm左右的
18、YIG小球高Q谐振子。用于YIG调谐宽带滤波器、振荡器及其各种组件中。1974年，改课题组就完成了X波段YIG调谐宽带体效应管固体震荡器研制任务；1975年，何水校采用重量超过100g的YGalG大单晶，加工成14.43.85mm的圆盘谐振子，继日本TDK、FDK之后研制成功了4GHZ四端单晶低损耗环形器，正向损耗小于0.1DB，用于卫星地面站常温参量放大器中。70年代后，我国有十来个企事业单位，包括一些大专院校，科研院所从事YIG铁氧体单晶材料和器件的研发，但到90年代初，大都因为各种原因而退出了这一领域。YIG单晶在生长上具有一定的缺点。它与其它的宝石一样, 自然形成的这种晶体是非常稀有的
19、, 一般应用的都是人工制备的。且由于这种晶体是分解熔融型化合物, 用通常的晶体制备方法不能制备，只能采用溶剂生长法制备。其缺点具体表现在： 制作的周期长，使用的溶剂对人体与环境的损害大，生长的方向无法控制，参杂不均匀，晶粒长不大且成本高。为了改良它的生产，研究人员研发出了一种特殊的聚光加热炉来进行人工制备。聚光炉结构简单独特, 主要部件是辐射源和聚光镜, 它是把辐射源辐射出的射线经聚光镜聚焦后, 能产生很高的能量密度, 从而产生很高的温度。这种加热方法具有电阻加热、高频加热、电子束加热、等离子体加热等所不能比拟的优点。采用这种加热炉，可以使得生长效率提高1020倍，生长过程中不会生成毒素，结晶
20、方向可控制, 掺杂均匀, 可满足大尺寸器件的要求,成本相对降低了许多。6 TGG单晶 TGG是由福建福晶科技股份有限公司（CASTECH）在2008年研发出来的晶体。 TGG单晶是用于制作法拉第旋光器与隔离器的最佳磁光材料，适用波长为400-1100nm（不包括470-500nm）。法拉第旋光器由TGG晶棒和一个特殊设计的磁体组成。穿过磁光材料的光束的偏振方向将在磁场作用下发生偏转，其偏转方向只与磁场方向有关，与光束传播方向无关。光隔离器由一个45度偏转的旋光器和一对适当放置的偏振器组成，它使光束仅能沿一个方向通过，而阻断反向传播的光束。 其主要优点： TGG单晶具有大的磁光常数、高热导性、低
21、的光损失和高激光损伤阈值，广泛应用于YAG 、掺Ti蓝宝石等多级放大、环型、种子注入激光器中。4.3各种磁光晶体材料的研发以及数据下面是一些近年来石榴石晶体材料的数据：5 发展趋势 磁光晶体材料的发展面临着一定的难题，主要在于新晶体的发现方面。传统的YIG钇铁石榴石无法用于可见波段。现在的晶体材料不适宜制成大体积块材且不能形成复杂的形状。其晶体可应用范围不够宽广，有着一定局促性。因此，面对着种种的难题，我们主要的发展趋势就在于提高材料的本证法拉第旋转等磁光效应已增加器件效能。尽可能降低材料的光损耗和波长温度敏感系数，扩展器件对环境的适应力，促进块状磁光晶体生长技术的突破，加快新晶体的发现等等。随着世界范围内光纤通信网络的迅速普及, 小型化、高灵敏度、低损耗将成为我们前进的主要方向。其稳定性，高效性也必将继续是我们研究的主要方向之一。6 结论 磁光晶体材料的应用带给我们的财富是巨大的。至今为止，随着晶体的研究与发展，对晶体材料的逐步了解让我们生活得到了质的飞跃，并且在将来将会继续发现新的晶体材料，使用的性能也将更优异，应用范围将更加广阔。 总而言之，晶体不仅是美丽的，而且也是有用的。是人类的宝贵财富，我们现在的认知也还在于冰山一角，还有很多领域需要我们去探索研究。12