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。光与磁场中的物质，或光与具有自发磁化强度的物质之间相互作用所产生的各种现象，主要包括法拉第效应、科顿-穆顿效应、克尔磁光效应、塞曼效应和光磁效应，其中最为人所熟知的是磁光法拉第效应， 它指的是一束线偏振光通过某种透明介质时，透射光的偏振化方向与入射光的偏振化方向相比，转过了一个角度，通常把这个角度叫做法拉第转角.。

磁光存储技术是建立在磁光效应基础上的，与磁光存储技术直接相关的是磁光克尔效应。磁光信息记录在介质上以后，主要是利用磁光克尔效应读出信息。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磁光克尔转角。

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。也称法拉第旋转或磁圆双折射效应,简记为MCB。一般材料中，法拉第旋转（用旋转角θF表示）和样品长度l、磁感应强度B有以下关系θF=VlB,

V是与物质性质、光的频率有关的常数,称为费尔德常数。

因为磁场下电子的运动总附加有右旋的拉莫尔进动，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。利用法拉第效应，还可实现光的显示、调制等许多重要应用。

线偏振光入射到磁化媒质表面反射出去时，偏振面发生旋转的现象。也叫克尔磁光效应或克尔磁光旋转。这是继法拉第效应发现后，英国科学家J.克尔于1876年发现的第二个重要的磁光效应。

按磁化强度和入射面的相对取向，克尔磁光效应包括三种情况：

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;

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;

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（如下图所示）.

在磁光存储技术中主要应用的是极向克尔效应。

极向和纵向克尔磁光旋转都正比于样品的磁化强度。通常极向克尔旋转最大、纵向次之。偏振面旋转的方向与磁化强度方向有关。横向克尔磁光效应中实际上没有偏振面的旋转，只是反射率有微小的变化，变化量也正比于样品的磁化强度。1898年P.塞曼等人证实了横向克尔磁光效应的存在。克尔磁光效应的物理基础和理论处理与法拉第效应的相同，只是前者发生在物质表面，后者发生在物质体内；前者出现于仅在有自发磁化的物质（铁磁、亚铁磁材料）中，后者在一般顺磁介质中也可观察到。它们都与介电张量非对角组元的实部、虚部有关。

塞曼效应是荷兰物理学家塞曼在 1896 年发现的。他发现，发光体放在磁场中时，光谱线发生分裂的现象。是由于外磁场对电子的轨道磁矩和自旋磁矩的作用，或使能级分裂才产生的。其中谱线分裂为2条(顺磁场方向观察)或3条（垂直于磁场方向观察）的叫正常塞曼效应；3条以上的叫反常塞曼效应（见塞曼效应）。

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。塞曼效应也可以用来测量天体的磁场。1908 年美国天文学家海尔等人利用塞曼效应，首次测量到了太阳黑子的磁场。

当左、右旋圆偏振光在置于磁场中的媒质内传播而有不同的吸收系数时，入射的线偏振光传播一段距离后会变为椭圆偏振光，这个效应叫法拉第椭圆度效应或磁圆二向色性效应,简记为MCD。法拉第椭圆度和法拉第旋转均由媒质的介电张量非对角组元的实部和虚部决定。

又称磁双折射效应，简记为MLB。科顿－穆顿效应是 1907 年科顿和穆顿发现的。。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。当光的传播方向与磁场垂直时，平行于磁场方向的线偏振光的相速不同于垂直于磁场方向的线偏振光的相速而产生的双折射现象。其相位差正比于两种线偏振光的折射率之差，同磁场强度大小的二次方成正比

当光的传播方向与外磁场方向垂直时，媒质对偏振方向不同的两种光的吸收系数也可不同。这就是磁的线偏振光的二向色性，称磁线二向色性效应，简记为MLD。

MCD、MLB、MLD的物理起因、宏观表述及量子力学处理都与法拉第效应类同(实际上可同时完成)。MLB和MLD通常比MCB和MCD要弱得多，但它们与磁场强度（磁化强度）的二次方成正比。因此对这些效应的测量除能得到物质中能级结构的信息外，还能用于微弱磁性变化（单原子层的磁性）的研究。

克尔磁光效应的最重要应用就是观察铁磁材料中难以捉摸的磁畴。因不同磁畴区的磁化强度的不同取向使入射偏振光产生方向、大小不同的偏振面旋转，再经过检偏器后就出现了与磁畴相应的明暗不同的区域。利用现代技术,不但可进行静态观察,还可进行动态研究。这些都导致一些重要发现和关于磁畴、磁学参数的有效测量。

光照射物质后,物质磁性（如磁化率、磁晶各向异性、磁滞回线等）发生变化的现象。早在1931年就有光照引起磁化率变化的报道，但直到1967年R.W.蒂尔等人在掺硅的钇铁石榴石(YIG)中发现红外光照射引起磁晶各向异性变化之后才引起人们的重视。这些效应多与非三价离子的代换有关，这种代换使亚铁磁材料中出现了二价铁离子，光照使电子在二、三价铁离子间转移，从而引起磁性的变化。因此，光磁效应是光感生的磁性变化，也称光感效应。当然这只是一种机制，其他机制的光磁效应在光存储、光检测、光控器件方面的应用还在研究之中。

虽然法拉第早在 1845 年就发现了磁光效应，但在其后相当长的时间内并未获得实质性的应用，只是不断在发现新的磁光效应和建立初步的磁光理论。直到 1956 年，贝尔实验室②③在偏光显微镜下，应用透射光观察到钇铁石榴 单晶材料中的磁畴结构，才使得磁光效应的研究向应用领域发展。特别是上世纪60年代，由于激光的诞生及光电子技术的开发，对物质的磁性和磁光性能的研究才走上快速发展道路。

随着光纤通信、光信息处理和磁光记录等技术的高速发展，光源的稳定性和鲁棒性就显得至关重要。各种反射光都会严重干扰光源的正常输出，从而影响了整个系统的正常工作。磁光隔离器通过防止反向传输的干扰光对光源的影响，提高系统的工作稳定性，实现正向通过，反向隔离的目的。

磁光调制器是利用偏振光，通过磁光介质，透射光的偏振面发生旋转来对光束进行调制的一种工具。磁光调制器可用作红外检测器的斩波器，红外辐射高温计、高灵敏度偏振计等。磁光调制器的工作原理是将电信号先转换成与之对应的交变磁场，再由磁光效应改变在介质中传输的光波的偏振态，从而达到改变光强等参的目的。

光纤电流传感器具有很好的绝缘性和抗干扰能力以及较高的测量精度，容易小型化。磁光效应传感器就是利用激光技术发展而成的高性能传感器。光纤电流传感器是根据法拉第效应原理，当一束线偏振光通过置于磁场中的磁光材料时，光的偏振方向发生改变来实现传感器的功能。磁光效应传感器作为一种特定用途的传感器，能够在特定的环境中发挥自己的功能，也是一种非常重要的工业传感器。

随着光纤通信技术在通信领域的应用，具有光的非互易性和自光行进方向耦合端循环的磁光环行器被广泛应用于光纤通信技术中。利用环行器可在一根光纤内传输两个不同方向的信号，从而大大减小了系统的体积和成本。

磁光记录是近年来发展起来的高新技术，是存储技术的一大飞跃发展。磁光记录是目前最先进的信息存储技术，它兼有磁记录和光记录两者的优点，磁光记录兼有光记录的大容量和磁记录的可重写性。磁光记录利用磁光克尔效应对记录信号进行读出。

随着时代的进步、科学技术的发展，对磁光特性的研究必将日益深入，新的磁光材料也会不断被发现，随着计算机科学技术的迅速发展, 磁存储技术获得巨大进步 , 无论是材料还是技术均日渐成熟，同时越来越多软件的开发, 对信息存储设备提出 更高记录密度、更大存储容量、体积小、成本低的新要求.磁光学必将获得更大的发展，磁光材料、器件和测量技术将会展现出更广阔的应用空间。