一文詳解磁光調(diào)制技術(shù)

光調(diào)制技術(shù)---磁光調(diào)制技術(shù)

1 磁光調(diào)制

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

1.1法拉第效應(yīng)

當(dāng)一束線偏振光在位于磁場(chǎng)中的介質(zhì)里傳播時(shí)，若在平行于光的傳播方向上加一強(qiáng)磁場(chǎng)，則透射光的振動(dòng)方向相對(duì)于入射光的偏振方向?qū)l(fā)生一定的偏轉(zhuǎn)，上述這種現(xiàn)象，我們把它稱為法拉第效應(yīng)或磁致旋光效應(yīng)。如下圖1所示。表征法拉第效應(yīng)大小的法拉第旋轉(zhuǎn)即是偏振光的偏振面轉(zhuǎn)過(guò)的角度，亦被人們稱為磁光旋轉(zhuǎn)。

圖1法拉第磁致旋光效應(yīng)示意圖

所以當(dāng)法拉第效應(yīng)發(fā)生時(shí)，在光傳播方向上，光振動(dòng)面的法拉第旋轉(zhuǎn)角?與光在介質(zhì)中通過(guò)的路程d及外加磁場(chǎng)強(qiáng)度H的分量將成正比，即

??? (6)

式中V是用來(lái)描述物質(zhì)在磁場(chǎng)中偏振面旋轉(zhuǎn)的本領(lǐng)，是旋光特性的比例因子，亦稱為費(fèi)爾德常數(shù)。

幾乎所有物質(zhì)（包括氣體，液體，固體）都存在法拉第效應(yīng)，不過(guò)一般都不顯著。不同的物質(zhì)偏振旋轉(zhuǎn)的方向也可能不同。習(xí)慣上規(guī)定，以順著磁場(chǎng)方向觀察偏振面旋轉(zhuǎn)繞向與磁場(chǎng)方向，滿足右手螺旋關(guān)系的稱為“右旋”介質(zhì)，其費(fèi)爾德常數(shù)V>0；反向旋轉(zhuǎn)的稱為“左旋”介質(zhì)，費(fèi)爾德常數(shù)V<0。

下表為一些物質(zhì)的費(fèi)爾德常數(shù)值

1.2磁光調(diào)制器

利用法拉第效應(yīng)來(lái)控制光束，通過(guò)控制光信號(hào)代替其他信號(hào)的控制，間接完成其他信號(hào)的調(diào)制。如圖 6所示。當(dāng)沒(méi)有加外加磁場(chǎng)時(shí)，出射光強(qiáng)I會(huì)跟著夾角α而變化。當(dāng)加上磁調(diào)制信號(hào)后，產(chǎn)生的外加磁場(chǎng)會(huì)使輸出偏振光線產(chǎn)生角度為?的旋轉(zhuǎn)，隨之出射光的強(qiáng)度也會(huì)隨著?的變化而發(fā)生變化。即輸出光線的強(qiáng)度變化承載著調(diào)制信號(hào)的變化。在現(xiàn)實(shí)生活中光信號(hào)和聲音信號(hào)可以通過(guò)這種調(diào)制器進(jìn)行相互的轉(zhuǎn)化。

圖6 磁光調(diào)制器原理示意圖

根據(jù)馬呂斯定律，入射的線偏振光經(jīng)過(guò)系統(tǒng)后其投射光強(qiáng)I為

?? (7)

此時(shí)，為檢偏器的偏振方向和起偏器之間的夾角，?為磁場(chǎng)引起的光偏振方向變化的角度。當(dāng)磁場(chǎng)穩(wěn)定時(shí)?不變，當(dāng)磁場(chǎng)變化時(shí)?隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度變化，可以表示為。

當(dāng)磁場(chǎng)變化按照正選規(guī)律變化時(shí)，法拉第旋轉(zhuǎn)角依據(jù) (6)式可以寫為

?? (8)

為磁場(chǎng)變化角頻率。將(8)帶入到（7）得到

?(9)

根據(jù)三角函數(shù)關(guān)系cos2a=(1+cos2a)/2 將(9)式子展開(kāi)得到

?? (10)

當(dāng)°

??? (11) ? ?

當(dāng)°

?? (12)

1.3磁光隔離器

光隔離器的基本功能是實(shí)現(xiàn)光信號(hào)的正向傳輸，同時(shí)擬制反向光，具有不可逆性。通常情況下，光在介質(zhì)中的傳播光路是可逆的，光隔離器的設(shè)計(jì)就是實(shí)現(xiàn)光路的不可逆性。目前是利用磁光材料對(duì)其偏振態(tài)調(diào)整的非互易性實(shí)現(xiàn)光的不可逆?zhèn)鬏敗?/p>

偏振相關(guān)型隔離器的基本結(jié)構(gòu)

圖7偏振相關(guān)型隔離器的基本結(jié)構(gòu)

偏振無(wú)關(guān)型的基本結(jié)構(gòu)

圖8 Wedge 型隔離器結(jié)構(gòu)與光路圖

圖9 Walk-off 型光纖隔離器結(jié)構(gòu)

1.4 磁光克爾效應(yīng)

1876年，克爾(Kerr)觀測(cè)到線偏振光入射到不透明的磁化材料表面時(shí)，反射光的偏振方向相對(duì)入射線偏振方向發(fā)生旋轉(zhuǎn)。當(dāng)線偏振光被磁化的介質(zhì)反射后，會(huì)變?yōu)闄E圓偏振光。橢圓偏振光長(zhǎng)軸方向相對(duì)于入射線偏振光存在一定角度的轉(zhuǎn)動(dòng)，這個(gè)角度被稱為克爾旋轉(zhuǎn)角。

圖10 表面磁光克爾效應(yīng)原理

克爾磁光效應(yīng)分為極向、縱向和橫向三種，分別對(duì)應(yīng)物質(zhì)的磁化強(qiáng)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(yīng)的磁致炫光都正比于磁化強(qiáng)度，一般極向的效應(yīng)最強(qiáng)，縱向次之，橫向則無(wú)明顯的磁致旋光。

極向克爾效應(yīng)：

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(hào)的強(qiáng)度隨光的入射角的減小而增大，在垂直入射達(dá)到最大。

圖11 極向克爾效應(yīng)

縱向克爾效應(yīng)：

磁化方向在樣品膜面內(nèi)，并且平行于入射面?？v向克爾信號(hào)的強(qiáng)度一般隨光的入射角的減小而減小，在入射角時(shí)為零。通常情況下，縱向克爾信號(hào)中，無(wú)論是克爾旋轉(zhuǎn)角，還是克爾橢偏率，都要比極向克爾信號(hào)小一個(gè)數(shù)量級(jí)。

圖12 縱向克爾效應(yīng)

橫向克爾效應(yīng)：

磁化方向在樣品膜內(nèi)面內(nèi)，并且垂直于入射面。橫向克爾效應(yīng)中反射光的偏振狀態(tài)沒(méi)有變化。這是因?yàn)樵谶@種配置下，光電場(chǎng)與磁化強(qiáng)度矢積的方向永遠(yuǎn)沒(méi)有與光傳播方向相垂直的分量。橫向克爾效應(yīng)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(gè)很小的反射率的變化。

圖13 橫向克爾效應(yīng)

1.4 塞曼效應(yīng)

19世紀(jì)末，由塞曼首次在觀察磁場(chǎng)中的鈉光譜時(shí)發(fā)現(xiàn)塞曼效應(yīng)。他發(fā)現(xiàn)將有些物質(zhì)放置在磁場(chǎng)中，由入射光源發(fā)射的譜線會(huì)受到磁場(chǎng)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(chǎng)強(qiáng)度成正比的。對(duì)于一個(gè)置于靜磁場(chǎng)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(chǎng)的振動(dòng)(稱為π振動(dòng))外，還有兩個(gè)相對(duì)于(稱為π振動(dòng))移動(dòng)了的偏振光。其中移動(dòng)了頻率有較高頻率的為左旋偏振光，移動(dòng)了頻率有較低頻率的為右旋偏振光。兩者均垂直于磁場(chǎng)方向，稱為σ振動(dòng)。對(duì)于輻射光子的電子來(lái)說(shuō)，這種振動(dòng)頻率的分裂就會(huì)造成分裂的光譜線。沿著垂直于磁場(chǎng)方向觀察，π振動(dòng)的電矢量方向是平行于磁場(chǎng)方向的，而σ振動(dòng)的電矢量方向是垂直于磁場(chǎng)方向的；沿著磁場(chǎng)方向觀察，此時(shí)觀察不到π振動(dòng)，而σ振動(dòng)表現(xiàn)為兩個(gè)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(fā)光散射

磁激發(fā)光散射,是指一束光入射到某些磁化的媒質(zhì)中時(shí)，入射光波會(huì)受到媒質(zhì)中磁化強(qiáng)度波的散射，此時(shí)會(huì)有對(duì)應(yīng)于磁化強(qiáng)度波的磁波子和光子相互作用產(chǎn)生的兩種具有電磁性的粒子。磁激發(fā)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(zhì)。

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(yīng)的光信息功能材料。傳統(tǒng)磁光材料主要是指含有稀土磁材料的導(dǎo)光材料，稀土元素由于4f電子層未填滿，因而產(chǎn)生未抵消的磁矩，這是強(qiáng)磁性的來(lái)源。同時(shí)，4f電子的躍遷是光激發(fā)的起因，從而導(dǎo)致強(qiáng)的磁光效應(yīng)．在外磁場(chǎng)的作用下，材料的磁導(dǎo)率(或磁化強(qiáng)度)、介電常數(shù)、磁化方向等電磁特性發(fā)生，從而導(dǎo)致材料中電磁波的傳輸特性發(fā)生相應(yīng)的變化。目前在應(yīng)用于可見(jiàn)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(diào)制器、磁光開(kāi)關(guān)、磁場(chǎng)測(cè)量和高壓輸電線路的電流測(cè)量傳感器以及磁光存儲(chǔ)等磁光功能器件。在可見(jiàn)光以及近紅外波段目前最常用的磁光介質(zhì)就是磁光玻璃，因其具有較高的旋光系數(shù)、高透過(guò)率以及良好的機(jī)械、物理和光學(xué)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(yīng),低吸收系數(shù),高Verdet常數(shù),高熱導(dǎo)率,高激光損傷閾值等優(yōu)點(diǎn),是未來(lái)的主要發(fā)展方向。磁光晶體主要分為三個(gè)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