磁光材料的研究现状 1. 综述 磁光材料是具有磁光效应的材料，磁光效应包括法拉第效应、磁光克尔效应、塞曼效应和磁致线双折射效应（科顿-穆顿效应和瓦格特效应）等。磁光材料需要同时具备一定的光学特性和磁学特性。 法拉第效应 法拉第效应指偏振光通过磁场下的介质后，偏振面因磁场作用而发生偏转。 6 f = VBd| 其中是沿着光线传播方向看去偏振面的旋转角，叫做法拉第转角；V是Verdet 常数，与材料性质有关；B是磁感应强度在光线传播方向上的投影；d是光在介质中传播的距离。当磁感应强度投影B与光线传播方向同向时，偏振面右旋，|e t <0；反之，偏振面左旋，阡>0。 与普通旋光效应不同的是，光线通过介质后再反射，原路返回再次通过介质，偏振面会在原来的基础上再旋转角，而不是恢复原状。这为利用法拉第效应的磁致旋光材料提供了一种新的应用空间，如磁光调制器、磁光隔离器等。 目前，对法拉第效应磁光材料的研究相对透彻，应用也相对广泛。以钇铁石榴石（￥才忧0口，简称YIG）为代表的稀土铁石榴石（R材料是常见的法拉第效应磁光材料 ［1］。 磁光克尔效应 磁光克尔效应指线偏振光在磁化的介质表面反射后，在磁场作用下偏振面发生偏转，偏转角度称为磁光克尔转角戸。根据磁场强度方向的不同，磁光克尔效应分为三种：极向克尔效应：磁场方向垂直于介质表面，通常，° k随入射角的减小而增大； 横向克尔效应：磁场方向平行与介质表面且垂直于入射面，光线的偏振方向不会发生变化，p偏振光入射时会发生微小的反射率变化； 纵向克尔效应：磁场方向平行与介质表面且平行于入射面，随入射角的减小而减小，纵向克尔效应的强度比极向克尔效应小几个数量级，不易观察。 应用最广的是极向克尔效应，可用来进行磁光存储和观察磁体表面或磁性薄膜的磁 畴分布。 塞曼效应
铌酸锂的性质及应用 一、晶体基本介绍 铌酸锂(LINbO3，LN)晶体是一种集压电、铁电、热释电、非线性、电光、光弹、光折变等性能于一体的多功能材料，具有良好的热稳定性和化学稳定性，可以利用提拉法生长出大尺寸晶体，而且易于加工，成本低，是少数经久不衰、并不断开辟应用新领域的重要功能材料。目前，已经在红外探测器、激光调制器、光通讯调制器、光学开关、光参量振荡器、集成光学元件、高频宽带滤波器、窄带滤波器、高频高温换能器、微声器件、激光倍频器、自倍频激光器、光折变器件(如高分辨的全息存储)、光波导基片和光隔离器等方面获得了广泛的实际应用，被公认为光电子时代光学硅的主要侯选材料之一。基于准相位匹配技术的周期极化铌酸锂(PeriodieallyPoledLiNbO3，PPLN)，可以最大程度地利用其有效非线性系数，广泛应用于倍频、和频/差频、光参量振荡等光学过程，在激光显示和光通信领域具有广阔的应用前景，因而成为非常流行的非线性光学材料。 二、基本化学性质 铌酸锂晶体简称LN，属三方晶系，钛铁矿型(畸变钙钛矿型)结构，AB03型晶体结构的一种类型。其原子堆积为ABAB堆积，并形成畸变的氧八面体空隙，1/3被A离子占据，1/3被B离子占据，余下1/3则为空位。此类结构的主要特点是:A和B两种阳离子的离子半径相近，且比氧离子半径小得多。分子式为LiNbO3，分子量为147.8456。相对密度4.30，晶格常数a=0.5147 nm，c=1.3856 nm，熔点1240℃，莫氏硬度5，折射率n0=2.797，ne=2.208(λ=600 nm)，界电常数ε=44，ε=29．5，ε=84，ε=30，一次电光系数γ13=γ23=10×10m/V，
磁光效应综合实验 【实验目的】 1、了解法拉第效应，会用消光法检测磁光玻璃的费尔德常数。 2、能够熟练应用特斯拉计测量电磁铁磁头中心的磁感应强度，并能其分析线性范围。 3、熟悉磁光调制的原理，理解倍频法精确测定消光位置。 4、学会用磁光调制倍频法研究法拉第效应，精确测量不同样品的费尔德常数。 【实验仪器】 FD-MOC-A磁光效应综合实验仪，双踪示波器 【实验原理】 概述：1845年，法拉第（M.Faraday）在探索电磁现象和光学现象之间的联系时，发现了一种现象：当一束平面偏振光穿过介质时，如果在介质中，沿光的传播方向上加上一个磁场，就会观察到光经过样品后偏振面转过一个角度，即磁场使介质具有了旋光性，这种现象后来就称为法拉第效应。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光进行了研究，发现了法拉第效应在固体、液体和气体中都存在。 法拉第效应有许多重要的应用，尤其在激光技术发展后，其应用价值越来越受到重视。如用于光纤通讯中的磁光隔离器，是应用法拉第效应中偏振面的旋转只取决于磁场的方向，而 与光的传播方向无关，这样使光沿规定的方向通过同时阻挡反方向传播的光， 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应用于激 光多级放大和高分辨率的激光光谱，激光选模等技术中。在磁场测量方面，利 用法拉第效应驰豫时间短的特点制成的磁光效应磁强计可以测量脉冲强磁场、 交变强磁场。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， 可以测量几千安培的大电流和几兆伏的高压电流。 磁光调制主要应用于光偏振微小旋转角的测量技术，它是通过测量光束经 过某种物质时偏振面的旋转角度来测量物质的活性，这种测量旋光的技术在科 M.Faraday (1791-1876) 学研究、工业和医疗中有广泛的用途，在生物和化学领域以及新兴的生命科学 领域中也是重要的测量手段。如物质的纯度控制、糖分测定；不对称合成化合 物的纯度测定；制药业中的产物分析和纯度检测；医疗和生化中酶作用的研究；生命科学中研究核糖和核酸以及生命物质中左旋氨基酸的测量；人体血液中或尿液中糖份的测定等。 一、法拉第效应 实验表明，在磁场不是非常强时，如图1所示，偏振面旋转的角度θ与光波在介质中走过的路程d及介质中的磁感应强度在光的传播方向上的分量B成正比，即： θ（1） VBd = 比例系数V由物质和工作波长决定，表征着物质的磁光特性，这个系数称为费尔德（Verdet）常数。 费尔德常数V与磁光材料的性质有关，对于顺磁、弱磁和抗磁性材料（如重火石玻璃等），V为常数，即θ与磁场强度B有线性关系；而对铁磁性或亚铁磁性材料（如YIG等立方晶体材料），θ与B不是简单的线性关系。
铌酸锂晶体的横向电光效应研究 1实验要求 1研究内容 1.1熟悉沿光轴条件下铌酸锂晶体的横向电光效应。 1.2研究近轴条件下铌酸锂晶体的横向电光效应，对铌酸锂晶体的电光效应进行理论推 导，分析降低晶体驱动电压的方法。 1.3研究非近轴条件下铌酸锂晶体的横向电光效应，分析入射角对晶体电光效应的影 响，进行数值仿真。 2成果形式 2.1采用理论分析与数值仿真结合的方式，研究结果以图表的形式给出。 2.2完成课题研究报告。 2背景介绍 铌酸锂( LINBO3) 晶体作为一种优良的横向电光调制材料，具有驱动电压低、插入损耗小、光谱工作范围宽、消光比高和易于大规模生产等优点，在光通信、光信号传输、电光开关等领域得到了广泛的应用。 理想情况下光线沿着铌酸锂晶体的光轴方向传播，并且在理论分析时不考虑自然双折射的影响，但是，实际应用中光线与光轴完全校准是不可能实现的，这就会造成理论与实际之间存在误差。分析铌酸锂晶体在近轴及非近轴情况下的横向电光效应，对于利用角度调节以改善其电光性能具有指导意义。同时，近轴及非近轴条件下晶体的电光特性对既需要利用晶体双折射效应进行分束或者合束，又需要利用其电光效应产生附加相移的新型电光器件来说是至关重要的。 3基础知识 研究铌酸锂晶体的横向电光效应，涉及到光的偏振、双折射及晶体的电光效应等较为基础的知识，为了更加深入地理解电光效应，更加透彻地分析不沿光轴条件下铌酸锂晶体的横向电光效应，对该问题所涉及一系列基础知识进行复习整理，如下所示。 1光的偏振 1.1电磁波是横波，具有偏振现象，这是许多的光学现象的重要基础，包括电光效应。 1.2对人眼、照相底片及光电探测器起作用的是电磁波中的电场强度E，因此常把电矢 量E称为光矢量，把E的振动称为光振动。在讨论光振动的性质时，只需要考虑 电矢量E即可。 1.3完全偏振光包括线偏振光、圆偏振光和椭圆偏振光，可用如下模型描述（图中给出 了线偏振光的例子，线偏振光的例子里x、y方向的振动无相位差）：
磁光晶体材料的研究现状及其发展趋势(doc 14页)
磁光晶体材料的研究现状与发展趋势 摘要：简要介绍了磁光晶体材料的一些基本理论，通过对磁光晶体材料应用的器件进行了解磁光晶体材料的优势、缺点以及发展的历程。通过不同的磁光晶体材料的介绍，了解他们的结构特性，生长过程以及生产技术。通过各种方面的了解，理解其发展的方向及其困难之处，并从中思考解决的方法。 关键词：晶体材料，旋磁光晶体，研究现状，发展趋势 Magneto-optical crystal materials' Research and Development Wu zhuofu Departement of Optoelectronic Information Engineering, Jinan University,Guangzhou,China 510632 Abstract：It introduces something about magneto-optical crystal by material and device. We use it to know history of magneto-optical crystal. We can see the strong point and the weakness about it. Understand the structure of them and solve the problem. Key Words：crystalline material , magneto-optical crystal, SituationofStudy , development
１７卷５期（总１０１期） １９世纪中至２０世纪初是科学发现的黄金时 期，各领域的伟大发现如雨后春笋般涌出，若干种对于了解固体物理特性并揭示其内部电子态结构有着重要意义的磁光效应现象也相继被发现，但至２０世纪６０年代末，对这一现象的研究主要集中在基础理论的探索和实验数据的积累方面。近几十年来，当光电子技术在新兴高科技领域获得日益广泛应用的同时，以磁光效应原理为背景的各种磁光器件也显示了其独特的性能和极为广阔的应用前景，并引起了人们浓厚的兴趣。 一、磁光效应（Ｍａｇｎｅｔｉｃ－ｏｐｔｉｃａｌＥｆｆｅｃｔ）磁光效应指的是具有固有磁矩的物质在外磁场的作用下，电磁特性发生变化，因而使光波在其内部的传输特性也发生变化的现象。１８４５年，英国物理学家法拉第（Ｆａｒａｄａｙ）发现，入射光线在被磁化的玻璃中传播时，其偏振面会发生旋转，这是物理学史上第一次发现的磁光效应，称之为法拉第效应。受法拉第效应的启发，１８７６年克尔（Ｋｅｒｒ）又发现了光在磁化介质表面反射时偏振面旋转的现象，即磁光克尔效应。随之在八九十年代又发现了塞曼效应和磁致线双折射效应。 法拉第效应当线偏振光沿磁场方向通过置于磁场中的磁光介质时，其偏振面发生旋转的现象称为磁致旋光效应，这一效应最早由法拉第发现，通常又称为法拉第旋转效应。如图１所示，假设有一圆柱形磁光介质，沿着轴线方向外加一稳恒磁场Ｈ（此磁场值处在法拉第旋转器件的工作区内）。在这种情况下，将发生法拉第旋转效应，光波的偏振面绕传输轴连续右旋（相对于Ｈ而言），直至磁光介质的终端，偏振面右旋了某一角度!。 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时，振动面向左旋；当光束逆着磁场方向传播时，振动面将向右旋。 磁光克尔效应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克尔转角，记作"ｋ，如图２所示。 按照磁化强度取向磁光克尔效应又大致分为三种情况：（１）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；（２）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；（３）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。在磁光存储技术中主要应用的是极向克尔效应。 塞曼效应１８８６年，塞曼（Ｚｅｅｍａｎ）发现当光源放在足够强的磁场中时，原来的一条谱线分裂为几条具有完全偏振态的谱线，分裂的条数随能级的类别而不同，后人称此现象为塞曼效应。 塞曼效应证实了原子具有磁矩和在磁场空间取向量子化，从塞曼效应的实验结果可以推断能级分裂的情况，根据光谱线分裂的数目可以知道量子数 Ｊ的数值，根据光谱线分裂的间隔可以测量ｇ因子 的数值，因此，塞曼效应是研究原子结构的重要方法之一。 磁致线双折射效应磁致线双折射在磁光晶体 的光学研究中也会经常遇到。构成介质的分子有各 磁光效应及其应用 周静 王选章 谢文广 图１法拉第效应 图２ 克尔效应 ?４５ ?
1.晶体的电光效应 2.KDP 晶体线性电光效应 3.KDP 晶体的应用 1 晶体的电光效应 因为晶体折射率的各向异性与组成晶体的原子或分子的排列方式及相互作用的特点有关，因此，外界作用可以改变他们的排列方式（例如压力下的形变）或相互作用的状况（例如电场使原子极化），导致晶体光学性质产生相应的变化。 人工双折射就是指光学介质受到人为施加的外力或外场作用而产生的偏振和双折射现象。 人工双折射可以根据人们的意愿加以控制。例如将一块受到电场作用的晶体放在两块偏振器之间，人们就可以通过改变电场的大小或方向而有效的控制出射光束的强度、方向和偏振态等，达到电光调制、偏转、调Q 等目的。 1.1 电光效应基本原理 在各向异性晶体中，介电常数是随作用在介质上的电场强度而变化的，尤其在强场作用下这种变化就更加明显，光波在其中的传播规律也要改变。 对于无对称中心的晶体，外加电场沿一个主轴方向作用于晶体上，感生电位移矢量D 和外加电场E 的方向一致，大小关系可表示为： ?+++=320E E E D βαε 以D(E)曲线的切线斜率定义介电常数，上式可写为： ?+++== 2032d d E E E D βαεε 显然，折射率随外加电场而变化（如下图）。我们把介质由于外加电场作用而引起的折射率变化的现象称为电光效应。
为了定量的描述电场引起的折射率变化，上式写为: 2 /122020022 0232132n ??? ? ??++=? +++=E n E n n n E E n βαβα 利用公式，上式可简化为： ?++ + =2 023n n n E n E βα 令：,2/3,/00n b n a βα== 则有电场引起折射率变化为： ?++=20n -n bE aE 此外，不仅电场能够引起介质折射率变化，而且外力也能引起介质的折射率变化。沿晶体主轴方向作用单向压力，参照上述分析方法，折射率因应力而产生的变化，可表示为： ?++=2''0n -n σσb a 其中σ表示应力。由于应力产生的折射率变化成为弹光效应。 当介质上作用一外电场时，除了由于介电常数的变化引起折射率的变化外，电场还通过反压电效应作用，使介质产生应变，这种应变通过弹光效应引起折射率变化。为了区别这两种折射率变化， 我们把由外加电场通过介电常数引起的折 ())0x (11→+≈+当mx x m
实验五 晶体的磁光调制实验 一、实验目的： 1、了解磁光效应的原理。 2、掌握磁光调制的调试方法并测量和计算磁光效应的旋光特性和调制特性参数。 二、实验仪器： CGT —1磁光调制实验仪，铽玻璃，重火石玻璃，半导体激光器，双踪示波器等。 三、实验原理： 1、磁光效应 当平面偏振光穿透某种介质时，若在沿平行于光的传播方向施加一磁场，光波的偏振面会发生旋转，实验表明其旋转角θ正比于外加的磁场强度B ，这种现象称为法拉第（Faraday ）效应，也称磁致旋光效应，简称磁光效应，即： vlB =θ (1) 式中l 为光波在介质中的路径，ν为表征磁致旋光效应特征的比例系数，称为维尔德（Verdet ）常数。由于磁致旋光的偏振方向会使反射光引起的旋角加倍，而与光的传播方向无关，利用这一特性在激光技术中可制成具有光调制、光开关、光隔离、光偏转等功能性磁光器件，其中磁光调制为其最典型的一种。 图1 磁光效应示意图 如图1所示，在磁光介质的外围加一个励磁线圈就构成基本的磁光调制器件。 2 直流磁光调制 当线偏振光平行于外磁场入射磁光介质的表面时，偏振光的光强I 可以分解成如图2所示的左旋圆偏振光I L 和右旋圆偏振光I R （两者旋转方向相反）。由于介质对两者具有不同的折射率n L 和n R ，当它们穿过厚度为l 的介质后分别产生不同的相位差，体现在角位移上有： l n L L λπ θ2=
１ l n R R λπθ2= 式中λ为光波波长 因θθθθ+=-R L ()()l n n R L R L ?-=-=λ πθθθ221 ( 2 ) 如折射率差()R L n n -正比于磁场强度B ，即可得（1）式，并由θ值与测得的B 与l 求出维尔德常数υ。 图2 入射光偏振面的旋转运动 3 交流磁光调制 用一交流电信号对励磁线圈进行激励，使其对介质产生一交变磁场，就组成了交流（信号）磁光调制器（此时的励磁线圈称为调制线圈），在线圈未通电流并且不计光损耗的情况下，设起偏器P 的线偏振光振幅为A 0，则A 0可分解为A 0 cos α及A 0 sin α两垂直分量，其中只有平行于P 平面的A 0 cos α分量才能通过检偏器，故有输出光强 αα2020cos )cos (I A I == （马吕斯定律） 其中200A I =为其振幅。 式中α为起偏器P 与检偏器A 主截面之间的夹角，I 0为光强的幅值，当线圈通以交流电信号i=i 0 sin ωt 时，设调制线圈产生的磁场为B=B 0 sin ωt ，则介质相应地会产生旋转角θ=θ0 sin ωt ，则从检偏器输出的光强为： [][])s i n (2c o s 12 )(2c o s 12)(c o s 00020t I I I I ωθαθαθα++=++= += （3） 由此可知光输出可以是调制波的倍频信号。 以上就是电信号致使入射光旋光角变化从而完成对输出光强调制的基本原理。
法拉第效应与磁光调制实验 1845年，法拉第（M.Faraday）在探索电磁现象和光学现象之间的联系时，发现了一种现象：当一束平面偏振光穿过介质时，如果在介质中，沿光的传播方向上加上一个磁场，就会观察到光经过样品后偏振面转过一个角度，即磁场使介质具有了旋光性，这种现象后来就称为法拉第效应。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光进行了研究，发现了法拉第效应在固体、液体和气体中都存在。 法拉第效应有许多重要的应用，尤其在激光技术发展后，其应用价值越来越受到重视。如用于光纤通讯中的磁光隔离器，是应用法拉第效应中偏振面的旋转只取决于磁场的方向，而与光的传播方向无关，这样使光沿规定的方向通过同时阻挡反方向传播的光，从而减少光 于激光多级放大和高分辨率的纤中器件表面反射光对光源的干扰；磁光隔离器也被广泛应用Array激光光谱，激光选模等技术中。在磁场测量方面，利用法拉第 效应驰豫时间短的特点制成的磁光效应磁强计可以测量脉冲 强磁场、交变强磁场。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，可以测量几千安培的大电流和几兆伏 的高压电流。 磁光调制主要应用于光偏振微小旋转角的测量技术，它是 通过测量光束经过某种物质时偏振面的旋转角度来测量物质 的活性，这种测量旋光的技术在科学研究、工业和医疗中有广 泛的用途，在生物和化学领域以及新兴的生命科学领域中也是 重要的测量手段。如物质的纯度控制、糖分测定；不对称合成 M.Faraday(1791－1876) 化合物的纯度测定；制药业中的产物分析和纯度检测；医疗和 生化中酶作用的研究；生命科学中研究核糖和核酸以及生命物质中左旋氨基酸的测量；人体血液中或尿液中糖份的测定等。 一、实验目的 1. 用特斯拉计测量电磁铁磁头中心的磁感应强度，分析线性范围。 2. 法拉第效应实验：正交消光法检测法拉第磁光玻璃的费尔德常数。 3. 磁光调制实验：熟悉磁光调制的原理，用倍频法精确测定消光位置；精确测量不同样品 的费尔德常数。 二、实验原理 1、法拉第效应 实验表明，在磁场不是非常强时，如图1所示，偏振面旋转的角度θ与光波在介质中走 d B成正比，即： 过的路程及介质中的磁感应强度在光的传播方向上的分量 θ （1） = VBd 比例系数V由物质和工作波长决定，表征着物质的磁光特性，这个系数称为费尔德（Verdet）常数。附录中，表1为几种物质的费尔德常数。几乎所有物质（包括气体、液体、固体）都
磁光效应实验报告 班级：光信息31 姓名：张圳 学号：21210905023 同组：白燕，陈媛，高睿孺
近年来，磁光效应的用途愈来愈广，如磁光调制器，磁光开关，光隔离器，激光陀螺中的偏频元件，可擦写式的磁光盘。所以掌握磁光效应的原理和实验方法非常重要。 一．实验目的 1.掌握磁光效应的物理意义，掌握磁光调制度的概念。 2.掌握一种法拉第旋转角的测量方法（磁光调制倍频法）。 3.测出铅玻璃的法拉第旋转角度θ和磁感应强度B之间的关系。二．实验原理 1. 磁光效应 当平面偏振光穿过某种介质时，若在沿平行于光的传播方向施加一磁场，光波的偏振面会发生旋转，实验表面其旋转角θ正比于外加的磁场强度B，这种现象称为法拉第（Faraday）效应，也称磁致旋光效应，简称磁光效应，即： θ（9-1） = vlB 式中l为光波在介质中的路径，v为表征磁致旋光效应特征的比例系数，称为维尔德常数，它是表征物质的磁致旋光特性的重要参数。根据旋光方向的不同(以顺着磁场方向观察)，通常分为右旋(顺时针旋转)和左旋(逆时针旋转)，右旋时维尔德常数v>O，左旋时维尔德常数v<0。实验还指出，磁致旋光的方向与磁场的方向有关，由于磁致旋光的偏振方向会使反射光引起的旋角加倍，而与光的传播方向无关，利用这一特性在激光技术中可制成具有光调制、光开关、光隔离、光偏振等功能性磁光器件，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等。 2.在磁场作用下介质的旋光作用 从光波在介质中传播的图象看，法拉第效应可以做如下理解：一束平行于磁场方向传播的线偏振光，可以看作是两束等幅左旋和右旋圆偏振光的迭加。这里左旋和右旋是相对于磁场方向而言的。 图3 法拉第效应的唯象解释 如果磁场的作用是使右旋圆偏振光的传播速度c / n R 和左旋圆偏振光的传播速度c / n L 不等，于是通过厚度为d 的介质后，便产生不同的相位滞后： d n R R λπ ?2= ， d n L L λ π?2= （2） 式中λ 为真空中的波长。这里应注意，圆偏振光的相位即旋转电矢量的角位移；相位滞后即角位移倒转。在磁致旋光介质的入射截面上，入射线偏振光的电矢量E 可以分解为图3(a)所示两个旋转方向不同的圆偏振光E R 和E L ，通过介质后，它们的相位滞后不同，旋转方向也不同，在出射界面上，两个圆偏振光的旋转电矢量如图5.16.3(b)所示。当光束射出介质后，左、右旋圆偏振光的速度又恢复一致，我们又可以将它们合成起来考虑，即仍为线偏振光。从图上容易看出，由介质
晶体的电光效应 贺艺华 2013.3 【实验目的】 1. 掌握晶体的电光效应和实验方法。 2. 掌握晶体电光调制器的工作原理。 3. 掌握LiNbO 3电光晶体半波电压和晶体透过率的测量方法。 【实验仪器】 电光效应实验仪 【实验原理】 1、一次电光效应和晶体的折射率椭球 我们知道光波在介质中的传播规律受到介质折射率分布的制约。理论和实验均表明晶体介质的介电系数与晶体中电荷的分布有关。对于一些晶体材料，当上施加电场之后，将引起束缚电荷的重新分布，并可能导致离子晶格的微小形变，其结果将引起介电系数的变化，最终导致晶体折射率的变化，所以折射率成为外加电场E 的函数，即 ++=-=2 210ΔE c E c n n n (1) 式中第一项称为线性电光效应或泡克耳（Pockels ）效应；第二项，称为二次电光效应或克尔（Kerr ）效应。对于大多数电光晶体材料，一次效应要比二次效应显著，故在此只讨论线性电光效应。 当光线穿过某些晶体（如方解石、铌酸锂、钽酸锂等）时，会折射成两束光。其中一束符合一般折射定律称之为寻常光（简称ｏ光），折射率以0n 表示；而另一束的折射率随入射角不同而改变，称为非常光（简称ｅ光），折射率以e n 表示。一般讲晶体中总有一个或二个方向，当光在晶体中沿此方向传播时，不发生双折射现象，把这个方向叫做晶体的光轴方向。只有一个光轴的称为单轴晶体，有两个光轴方向的称为双轴晶体。 对电光效应的分析和描述有两种方法：一种是电磁理论方法，但数学推导相当繁复；另一种是用几何图形——折射率椭球的方法，这种方法直观简洁，故通常采用这种方法。 光在各向异性晶体中传播时，因光的传播方向不同或矢量的振动方向不同，光的折射率就不同。根据光的电磁理论知道，光波是一种电磁波。在各向异性介质中，光波中的电场强度矢量E 与电位移矢量D 的方向是不同的。对于任意一种晶体，我们总可以找到一个直角坐标系（z y x ,,）,在此坐标系中有 i o ri i D E εε= (z y x i ,,=)。这样的坐标系（z y x ,,）叫做主轴坐标系。
铌酸锂晶体电光调制器的性能测试---OK
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铌酸锂(LiNb03)晶体电光调制器的性能测试 铌酸锂（LiNbO3）晶体是目前用途最广泛的新型无机材料之一，它是很好的压电换能材料，铁电材料，电光材料，非线性光学材料及表面波基质材料。电光效应是指对晶体施加电场时，晶体的折射率发生变化的效应。有些晶体内部由于自发极化存在着固有电偶极矩，当对这种晶体施加电场时，外电场使晶体中的固有偶极矩的取向倾向于一致或某种优势取向，因此，必然改变晶体的折射率，即外电场使晶体的光率体发生变化。铌酸锂调制器，应具有损耗低、消光比高、半波电压低、电反射小的高可靠性的性能。 【实验目的】 1．了解晶体的电光效应及电光调制器的基本原理性能． 2. 掌握电光调制器的主要性能消光比和半波电压的测试方法 3. 观察电光调制现象 【实验仪器】 1．激光器及电源 2．电光调制器(铌酸锂) 3．电光调制器驱动源 4. 检流计 5．示波器 6．音频输出的装置 7．光具台及光学元件 【实验原理】 1．电光效应原理 某些晶体在外电场作用下，构成晶体的原子、分子的排列和它们之间的相互作用随外电场E 的改变发生相应的变化，因而某些原来各向同性的晶体，在电场作用下，显示出折射率的改变。这种由于外电场作用而引起晶体折射率改变的现象称为电光效应。折射率N 和外电场E 的关系如下： ++=-2 20 211RE rE n n (1) 式中，0n 为晶体未加外电场时某一方向的折射率，r 是线性电光系数，R 是二次电光系数。通常把电场一次项引起的电光效应叫线性电光效应，又称泡克尔斯效应；把二次项引起的电光效应叫做二次电光效应，又称克尔效应。其中，泡克尔斯效应只在无对称中心的晶体中才有，而克尔效应没有这个限制。只有在无对称中心的晶体中，与泡克尔斯效应相比，克尔效应较小，通常可忽略。 目前普遍采用线性电光效应做电光调制器，这样就不再考虑（1）式中电场E 的二次项和高次项。因此（1）式为：
第17卷 第10期光 学 学 报V ol.17,No.10 1997年10月ACT A O PT ICA SIN IC A O ctober,1997 磁光效应的各向异性和非线性特性 刘公强 梁 波 (上海交通大学应用物理系,上海200030) 卫邦达 (上海工程技术大学基础部,上海200335) 摘 要 应用经典电磁场理论和(间接)交换作用有效场概念,推导了顺磁性、铁磁性、反铁磁性 和亚铁磁性介质中的磁光效应及其温度特性。理论分析表明,法拉第磁光效应具有各向异性特 性;法拉第旋转不仅与顺磁性和铁磁性介质中的磁化强度M或反铁磁性和亚铁磁性介质中的次晶 格磁化强度M i的线性项有关,而且还应与M或M i的高次项有关。(间接)交换作用是导致磁光效 应、磁光效应各向异性以及它们的复杂温度特性的重要原因。理论较为圆满地解释了实验结果。 关键词 磁光各向异性, 法拉第旋转, 交换作用, 经典理论。 1 引 言 随着磁光测量技术不断提高和新型磁光材料的大量涌现,一些新的磁光性质被相继发现。80年代以来,在一些顺磁性、铁磁性和亚铁磁性介质中发现了磁光效应的各向异性[1]和非线性现象[2]。迄今为止,磁光经典理论还无法解释这些新的磁光性质。 众所周知,在顺磁性、铁磁性和亚铁磁性介质中存在着(间接)交换作用。作者认为,这种电子间的电相互作用对磁光效应有着极为重要的贡献。基于这一点,应用经典和量子理论较为成功地解释了上述各种磁性介质中的磁光效应及其复杂温度特性[3～5]。本文将应用经典场论和(间接)交换作用有效场概念,进一步解释各种介质中磁光效应的各向异性和非线性性质。计算表明,(间接)交换作用亦是导致这些磁光性质的重要因素。 2 磁光效应的基本关系式 在弱磁性介质中,电子运动方程为 m r=-m k20r+e(E+P/3ε0)-ζr+e_0H i r×h(1)等式右边第一项为正电中心对电子的作用力,k0为电子运动的固有频率,第二项为介质中电子受区域电场的作用力。第三项为电子加速运动中受到的阻尼力。第四项为有效场H i对电子的作用力, H i=H e+H v(2) 收稿日期:1996年1月24日
中国石油大学 近代物理实验 实验报告 成 绩： 班级： 姓名： 同组者： 教师： 晶体磁光效应 【实验目的】 1. 理解磁光效应的物理意义； 2. 掌握法拉第旋转角的测量方法； 3. 计算物样品的费尔德常数。 【实验原理】 1、法拉第效应实验规律 当磁场不是非常强时，法拉第效应中偏振面转过的角度θ，与沿介质厚度方向所加磁场的磁感 应强度B 及介质厚度L 成正比，即： VBL θ= （1—1） 式中比例常数V 叫做费尔德常数，由物质和工作波长决定，它表征物质的磁光特件，随波长λ的 增加而减小。实验表明，法拉第旋光方向仅由磁场方向决定，而与光的传播方向无关。 2、法拉第效应的旋光角 一束线偏振光可以视为两个频率相等，振幅相等的左旋和右旋圆偏振光的叠加，它们在加有磁 场的介质中传播的速度不同，也就是两偏振光在介质中的折射率不同，在介质中通过相同的距离， 产生的相位延迟不同。设线偏振光的电矢量为R L E E E =+。角频率为ω，真空中的波长为λ。L E 的传播速度为L v ，折射率为L n 。 R E 的传播速度为R v ，折射率为R n 。正入射到磁场中的介质时， 两光振动的相位差为零。通过长度D 的介质后，出射的线偏振光相对于入射介质前的线偏振光振动 方向转过的角度F α即为法拉第效应的旋转角： [][]D n -n -21R L R L F λ π ??α== （1—2） 3、法拉第旋转角的计算 在磁场作用下，具有能量为()ω的左旋光子所遇到的轨道电子能级机构等于不加磁场时能量为( )L V ω?-的左旋光子所遇到的轨道电子能级结构（其中L eB V 2m ?= ），因此有 ()()L L n n V ωω?=- （1—3） d d ()()()()d d L L L V V n eB n n n n 2m ??ωωωωωω =- ≈- =- （1—4） 同理，右旋光量子，有： ()()R R n n V ωω?=- （1—5） d d ()()()()d d R R R V V n eB n n n n 2m ??ωωωωωω =- ≈- =+ （1—6）
磁光效应 磁光效应的概念 在磁场的作用下，物质的电磁特性(如磁导率、磁化强度、磁畴结构等)会发生变化，使光波在其内部的传输特性(如偏振状态、光强、相位、传输方向等)也随之发生变化的现象称为磁光效应。磁光效应包括法拉第效应、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、磁线振二向色性、磁激发光散射、磁场光吸收、磁离子体效应和光磁效等，其中人们所熟悉的磁光效应是前四种。 （1）法拉第效应 法拉第效应示意图1 法拉第效应是指一束线偏振光沿外加磁场方向通过置于磁场中的介质时，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θF的现象，如图l 所示。通常，材料中的法拉第转角θF与样品长度L 和磁场强度H 有以下关系：
θF= HLV 其中，V 为Verdet 常数，是物质固有的比例系数，单位是min/(Oe ?cm)。 （2）克尔效应 克尔效应示意图2 线偏振光入射到磁光介质表面反射出去时，反射光偏振面相对于入射光偏振面转过一定角度θk，此现象称之为克尔效应，如图2 所示。克尔效应分极向、纵向和横向三种，分别对应物质的磁化强度与反射面垂直、与反射面和入射面平行、与反射面平行而与入射面垂直三种情形。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。（3）塞曼效应 磁场作用下，发光体的光谱线发生分裂的现象称之为塞曼效应。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）的为正常塞曼效应；3 条以上的为反常塞曼效应。塞曼效应是由于外磁场对电子的轨道磁矩和自旋磁矩的作用使能级分裂而产生的，分裂的条数随能级的类别而不同。 （4）磁致线双折射效应 当光以不同于磁场方向通过置于磁场中的介质时，会出现像单轴晶体那样的双折射现象，称为磁致线双折射效应。磁致线双折射效应包括科顿-穆顿效应和瓦格特效应。通常把铁磁和亚铁磁介质中的磁致线双折射称为科顿-穆顿效应，反铁磁介质中的磁致线双折射称为瓦格特效应。 法拉第磁光效应实验 一、实验目的 1、了解法拉第磁光效应基本原理。 2、熟悉法拉第磁光效应实验器材，掌握实验方法及步骤，并获得明显的实验想象。 二、实验器材 磁光调制实验仪（光电倍增管、高压直流电源、检流计）
5.16 法拉第磁光效应实验 1845年，法拉第（M.Faraday）在探索电磁现象和光学现象之间的联系时，发现了一种现象：当一束平面偏振光穿过介质时，如果在介质中，沿光的传播方向上加上一个磁场，就会观察到光经过样品后偏振面转过一个角度，即磁场使介质具有了旋光性，这种现象后来就称为法拉第效应。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光进行了研究，发现了法拉第效应在固体、液体和气体中都存在。 法拉第效应有许多重要的应用，尤其在激光技术发展后，其应用价值越来越受到重视。如用于光纤通讯中的磁光隔离器，是应用法拉第效应中偏振面的旋转只取决于磁场的方向，而与光的传播方向无关，这样使光沿规定的方向通过同时阻挡反方向传播的光，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应用于激光多级放大和高分辨率的激光光谱，激光选模等技术中。在磁场测量方面，利用法拉第效应驰豫时间短的特点制成的磁光效应磁强计可以测量脉冲强磁场、交变强磁场。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，可以测量几千安培的大电流和几兆伏的高压电流。 磁光调制主要应用于光偏振微小旋转角的测量技术，它是通过测量光束经过某种物质时偏振面的旋转角度来测量物质的活性，这种测量旋光的技术在科学研究、工业和医疗中有广泛的用途，在生物和化学领域以及新兴的生命科学领域中也是重要的测量手段。如物质的纯度控制、糖分测定；不对称合成化合物的纯度测定；制药业中的产物
分析和纯度检测；医疗和生化中酶作用的研究；生命科学中研究核糖和核酸以及生命物质中左旋氨基酸的测量；人体血液中或尿液中糖份的测定等。在工业上，光偏振的测量技术可以实现物质的在线测量；在磁光物质的研制方面，光偏振旋转角的测量技术也有很重要的应用。 5.1 6.1 实验要求 1．实验重点 ①用特斯拉计测量电磁铁磁头中心的磁感应强度，分析线性范围。 ②法拉第效应实验：正交消光法检测法拉第旋光玻璃的费尔德常数。 ③磁光调制实验：熟悉磁光调制的原理，理解倍频法精确测定消光位置。 ④磁光调制倍频法研究法拉第效应，精确测量不同样品的费尔德常数。 2．预习要点 ①什么是法拉第效应？法拉第效应有何重要应用？ ②了解顺磁、弱磁、抗磁性、铁磁性或亚铁磁性材料的基本特性，以及费尔德常数V与磁光材料性质的关系。 ③比较法拉第磁光效应与固有旋光效应的异同。 ④磁光调制过程中，调制信号与输入信号之间的函数关系。
对铌酸锂晶体的简单 研究
对铌酸锂晶体的简单研究 摘要：近年来，铌酸锂晶体由于其自身所具有的多种优异性能和巨大的应用前景而受到了人们的广泛关注，本文讨论了铌酸锂晶体的基本性质及其成因，重点关注铌酸锂晶体参杂和纳米铌酸锂的制备方法。 关键词：铌酸锂、晶体生长、掺杂、纳米材料、配体 引言：自1965年Ballman等报道利用Czochralshi技术成功生长出铌酸锂（LiNbO3，简称LN）单晶，以及1968年Larner等报道了大直径、同成分的铌酸锂晶体生长出来，LN晶体被广泛研究和应用。铌酸锂晶体有优良的光电、双折射、非线性光学、声光、光弹、光折变、压电、热释电、铁电与光生伏打效应等物理特性；机械性能稳定、耐高温、抗腐蚀；易于生长大尺寸晶体、易于加工、成本低廉；在实施参杂后能呈现出各种各样的特殊性质。因为如此铌酸锂晶体在各个领域，被誉为“光学硅”。而纳米材料具有很大的比表面积，呈现出许多奇妙的性质，纳米铌酸锂的性质令人期待。 1 铌酸锂晶体的基本性质 铌酸锂属于三方晶系，常用六角原胞表示。原胞中含有六个分子，三度对称轴为原胞的c 轴，晶胞常数：a=0.5148，c=1.3863，α=55.867。。原胞见图1。从图中可以看出铌酸锂晶胞是由扭曲的氧八面体组成，这些氧八面体沿着不同方向共面，共棱或共顶点。锂离子和铌离子分别与六个阳离子形成六配位，而氧离子则与两个锂离子和两个铌离子形成四配位。
图1 铌酸锂晶体原胞 1.1 磁性 铌酸锂晶体拥有很高的居里温度，在居里温度以上铌酸锂晶体为顺电相，居里温度以下为铁电相。图1实际上是铁电相的铌酸锂晶胞图，其顺电相晶胞图如图2。 图2 铌酸锂顺电相晶胞图 从图中可以看出，顺电相的锂离子在氧平面上，铌离子关于氧平面对称分布，整个晶体电荷分布对称，因此沿c轴方向晶体无磁性。而在铁电相中锂离子明显偏离氧平面，由于同性电荷的排斥作用，铌离子亦沿相同方向偏离，这个晶体的电荷重心偏离中心位置，使晶体在c轴方向具有磁性。 1.2 铌酸锂晶体的空位及其半导体性质 铌酸锂晶体是P型半导体材料。从晶胞中也可以看出并非所有氧八面体都有离子填充，而且在制备铌酸锂晶体是很难得到化学计量比的铌酸锂晶体，一
南开大学科技成果——高性能系列铌酸锂、钽酸锂晶 体和光电器件 项目简介 光电晶体及其器件作为激光技术的关键材料和器件，被诸多国家列为优先发展的技术领域。本项目在国家863计划、天津市重大科技攻关、国防科工局民口配套等项目支持下，瞄准国家需求，围绕产品化关键技术攻关，取得了以下主要科技创新： （1）自主设计基于经验数据库的智能计算机晶体生长自动控制系统，并开发了晶体生长成套装备，应用于多种晶体生长，得到批量推广应用。 （2）发展了两种非固液同成分共熔配比晶体的制备方法，实现了SLN晶体和SLT晶体的批量、廉价制备。 （3）开发了宽温度范围工作铌酸锂电光调Q晶体及电光调Q开关，在-55℃到70℃温度区间稳定工作，大幅提高了军用激光系统的温度稳定性。 （4）以高温度稳定性电光调Q开关为核心技术自主研发的系列高温度稳定性铌酸锂电光调Q激光系统，实现了批量生产和应用。 （5）开发了满足激光雷达等长期在线工作的低内电场铌酸锂电光调Q晶体和电光调Q开关。 （6）开发了高抗光损伤阈值的钽酸锂电光调Q晶体和电光调Q 开关，典型1064nm波段的激光损伤阈值比铌酸锂晶体提高两个数量级以上，且能够满足军工宽温度范围要求。
成套设备 LN晶体
电光调Q开关 光学级SLN晶体 已取得的成果 本项目获得授权专利6项，计算机软件著作权1项，获天津市科学技术进步一等奖和天津市技术发明二等奖各1项。 市场应用前景 （1）单晶成套装备可应用于铌酸锂、钽酸锂、钇铝石榴石、蓝宝石、氧化镓、铝酸铍、硅酸钇镥等高质量晶体的生长。
（2）系列电光调Q晶体是纳秒、亚纳秒激光系统的核心部件，这些激光系统在医疗、美容、打标、测量、对抗等领域具有广泛应用。 （3）SLN、SLT晶体是集成光学和铁电超晶格领域的基础材料，在光通讯、激光频率变换、太赫兹等领域具有较好的应用前景。 （4）钽酸锂电光调Q开关可替代昂贵的磷酸钛氧铷（RTP）电光调Q开关，具有广阔的应用前景。
磁光克尔效应研究 摘要:当光电子技术日益在新兴高科技领域获得广泛应用的同时，以磁光效应原理为背景的磁光器件显示了其独特的性能和广阔的应用前景，引起了人们的浓厚兴趣。表面磁光克尔效应，作为测量材料磁光特性特别是薄膜材料的物性的一种有效方法，已被广泛应用于磁有序、磁各向异性、多层膜中的层间耦合以及磁性超薄膜的相变行为等问题的研究。本文简单介绍了什么是磁光克尔效应、磁光克尔效应的发展、以及表面磁光克尔效应作为一种测量方法的原理、实验装置和发展。 关键词:磁光克尔效应;磁光特性;表面磁光克尔效应 1.引言 1845年，Michael Faraday发现当给玻璃样品加一磁场时，透射光的偏振面将发生旋转，首次发现磁光效应。随后他在处于外加磁场中的金属表面做反射实验，但由于他所谓的表面不够平整，因而实验结果不能使人信服。1877年John Kerr在观察偏振光从抛光过的电磁铁磁极反射出来时，发现了磁光克尔效应(magneto-optic Kerr effect)。1985年Moog和Bade r两位学者对铁超薄膜磊晶成长在金单晶(100)面上的磁光克尔效应做了大量实验，成功得到一原子层厚度磁性物质的磁滞回线，并提出SMOKE作为表面磁光克尔效应(surface magneto-optic Kerr effect)的缩写，用以表示应用磁光克尔效应在表面磁学上的研究。由于此方法磁性测量灵敏度达一原子层厚度，且此装置可配置于超高真空系统上面工作，所以成为表面磁学的重要研究方法。 2.磁光克尔效应 图1 克尔效应示意图 一束线偏振光从具有磁矩的介质表面反射时，反射光将是一束椭圆偏振光，而且偏振方向将发生产生旋转。相对于入射的线偏振光（以椭圆的长轴为标志）