光調制技術---磁光調制技術

1 磁光調制

磁光效應：一束入射光進入具有固有磁矩的物質內部傳輸或者在物質界面反射時，光的傳播特性，例如偏振面、相位、或者散射特性發生變化，這個物理現象被稱為磁光效應。磁光效應包括法拉第效應，克爾效應、塞曼效應、磁線振雙折射(科頓一莫頓效應或者佛赫特效應)、磁圓振二向色性、磁線振二向色性和磁激發光散射等許多類型。迄今為止，法拉第效應和克爾效應是被最廣泛的研究和應用的磁光效應。

1.1法拉第效應

當一束線偏振光在位于磁場中的介質里傳播時，若在平行于光的傳播方向上加一強磁場，則透射光的振動方向相對于入射光的偏振方向將發生一定的偏轉，上述這種現象，我們把它稱為法拉第效應或磁致旋光效應。如下圖1所示。表征法拉第效應大小的法拉第旋轉即是偏振光的偏振面轉過的角度，亦被人們稱為磁光旋轉。

圖1法拉第磁致旋光效應示意圖

所以當法拉第效應發生時，在光傳播方向上，光振動面的法拉第旋轉角?與光在介質中通過的路程d及外加磁場強度H的分量將成正比，即

??? (6)

式中V是用來描述物質在磁場中偏振面旋轉的本領，是旋光特性的比例因子，亦稱為費爾德常數。

幾乎所有物質（包括氣體，液體，固體）都存在法拉第效應，不過一般都不顯著。不同的物質偏振旋轉的方向也可能不同。習慣上規定，以順著磁場方向觀察偏振面旋轉繞向與磁場方向，滿足右手螺旋關系的稱為“右旋”介質，其費爾德常數V>0；反向旋轉的稱為“左旋”介質，費爾德常數V<0。

下表為一些物質的費爾德常數值

1.2磁光調制器

利用法拉第效應來控制光束，通過控制光信號代替其他信號的控制，間接完成其他信號的調制。如圖 6所示。當沒有加外加磁場時，出射光強I會跟著夾角α而變化。當加上磁調制信號后，產生的外加磁場會使輸出偏振光線產生角度為?的旋轉，隨之出射光的強度也會隨著?的變化而發生變化。即輸出光線的強度變化承載著調制信號的變化。在現實生活中光信號和聲音信號可以通過這種調制器進行相互的轉化。

圖6 磁光調制器原理示意圖

根據馬呂斯定律，入射的線偏振光經過系統后其投射光強I為

?? (7)

此時，為檢偏器的偏振方向和起偏器之間的夾角，?為磁場引起的光偏振方向變化的角度。當磁場穩定時?不變，當磁場變化時?隨著磁場強度變化，可以表示為。

當磁場變化按照正選規律變化時，法拉第旋轉角依據 (6)式可以寫為

?? (8)

為磁場變化角頻率。將(8)帶入到（7）得到

?(9)

根據三角函數關系cos2a=(1+cos2a)/2 將(9)式子展開得到

?? (10)

當°

??? (11) ? ?

當°

?? (12)

1.3磁光隔離器

光隔離器的基本功能是實現光信號的正向傳輸，同時擬制反向光，具有不可逆性。通常情況下，光在介質中的傳播光路是可逆的，光隔離器的設計就是實現光路的不可逆性。目前是利用磁光材料對其偏振態調整的非互易性實現光的不可逆傳輸。

偏振相關型隔離器的基本結構

圖7偏振相關型隔離器的基本結構

偏振無關型的基本結構

圖8 Wedge 型隔離器結構與光路圖

圖9 Walk-off 型光纖隔離器結構

1.4 磁光克爾效應

1876年，克爾(Kerr)觀測到線偏振光入射到不透明的磁化材料表面時，反射光的偏振方向相對入射線偏振方向發生旋轉。當線偏振光被磁化的介質反射后，會變為橢圓偏振光。橢圓偏振光長軸方向相對于入射線偏振光存在一定角度的轉動，這個角度被稱為克爾旋轉角。

圖10 表面磁光克爾效應原理

克爾磁光效應分為極向、縱向和橫向三種，分別對應物質的磁化強度與反射表面垂直、與表面和入射面平行、與表面平行而與入射面垂直三種情形。極向和縱向克爾磁光效應的磁致炫光都正比于磁化強度，一般極向的效應最強，縱向次之，橫向則無明顯的磁致旋光。

極向克爾效應：

磁化方向垂直于樣品表面并且平行于入射面。通常情況下，極向克爾信號的強度隨光的入射角的減小而增大，在垂直入射達到最大。

圖11 極向克爾效應

縱向克爾效應：

磁化方向在樣品膜面內，并且平行于入射面。縱向克爾信號的強度一般隨光的入射角的減小而減小，在入射角時為零。通常情況下，縱向克爾信號中，無論是克爾旋轉角，還是克爾橢偏率，都要比極向克爾信號小一個數量級。

圖12 縱向克爾效應

橫向克爾效應：

磁化方向在樣品膜內面內，并且垂直于入射面。橫向克爾效應中反射光的偏振狀態沒有變化。這是因為在這種配置下，光電場與磁化強度矢積的方向永遠沒有與光傳播方向相垂直的分量。橫向克爾效應中，只有在偏振光（偏振方向平行于入射面）入射條件下，才有一個很小的反射率的變化。

圖13 橫向克爾效應

1.4 塞曼效應

19世紀末，由塞曼首次在觀察磁場中的鈉光譜時發現塞曼效應。他發現將有些物質放置在磁場中，由入射光源發射的譜線會受到磁場的影響而分裂成若干條譜線，而且分裂各譜線的間隔大小是與外加磁場強度成正比的。對于一個置于靜磁場H且頻率為ω0的電子波而言，除了仍有固定頻率ω0的且平行于磁場的振動(稱為π振動)外，還有兩個相對于(稱為π振動)移動了的偏振光。其中移動了頻率有較高頻率的為左旋偏振光，移動了頻率有較低頻率的為右旋偏振光。兩者均垂直于磁場方向，稱為σ振動。對于輻射光子的電子來說，這種振動頻率的分裂就會造成分裂的光譜線。沿著垂直于磁場方向觀察，π振動的電矢量方向是平行于磁場方向的，而σ振動的電矢量方向是垂直于磁場方向的；沿著磁場方向觀察，此時觀察不到π振動，而σ振動表現為兩個圓偏振光。同樣有較高頻率的為左旋偏振光，有較低頻率的為右旋偏振光。 ? ?

1.1磁激發光散射

磁激發光散射,是指一束光入射到某些磁化的媒質中時，入射光波會受到媒質中磁化強度波的散射，此時會有對應于磁化強度波的磁波子和光子相互作用產生的兩種具有電磁性的粒子。磁激發光散射是拉曼散射的一種形式，它與其他形式的光波散射，如瑞利散射、布里淵散射和其他形式的拉曼散射都有相同的散射原理和本質。

1.6 磁光材料

磁光材料是指在紫外到紅外波段具有磁光效應的光信息功能材料。傳統磁光材料主要是指含有稀土磁材料的導光材料，稀土元素由于4f電子層未填滿，因而產生未抵消的磁矩，這是強磁性的來源。同時，4f電子的躍遷是光激發的起因，從而導致強的磁光效應．在外磁場的作用下，材料的磁導率(或磁化強度)、介電常數、磁化方向等電磁特性發生，從而導致材料中電磁波的傳輸特性發生相應的變化。目前在應用于可見光波段的磁光材料主要可以分為以下幾種

磁光玻璃

磁光玻又叫旋光玻璃或者法拉第旋光玻璃，可以制作光纖通訊中隔離器、磁光調制器、磁光開關、磁場測量和高壓輸電線路的電流測量傳感器以及磁光存儲等磁光功能器件。在可見光以及近紅外波段目前最常用的磁光介質就是磁光玻璃，因其具有較高的旋光系數、高透過率以及良好的機械、物理和光學性能，從而可以制造出體積小、性能高的旋光器。

磁光晶體

晶體具有較大的Faraday效應,低吸收系數,高Verdet常數,高熱導率,高激光損傷閾值等優點,是未來的主要發展方向。磁光晶體主要分為三個體系:

②釔鐵石榴石體系YIG,摻雜YIG體系;

②鎵酸鹽石榴石體系:GGG,TGG;

③稀土鋁酸鹽石榴石體系:TAG,TAG-TGG。

審核編輯：湯梓紅