【知識】稀土磁光材料

一、稀土磁光材料

在磁場或磁矩作用下，物質的電磁特性（如磁導率、介電常數、磁化強度、磁疇結構、磁化方向等）會發生變化。因而使通向該物質的光的傳輸特性也隨之發生變化。光通向磁場或磁矩作用下的物質時，其傳輸特性的變化稱為磁光效應。

磁光材料是指在紫外到紅外波段，具有磁光效應的光資訊功能材料。利用這類材料的磁光特性以及光、電、磁的相互作用和轉換，可製成具有各種功能的光學器件，如調製器、隔離器、環行器、開關、偏轉器、光資訊處理機、顯示器、存貯器、鐳射陀螺偏頻磁鏡、磁強計、磁光感測器、印刷機等。

稀土元素由於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，由於4f電子的躍遷，這是光激發的起因，從而導致強的磁光效應。單純的稀土金屬並不顯現磁光效應，這是由於稀土金屬至今尚未製備成光學材料。只有當稀土元素摻入光學玻璃、化合物晶體、合金薄膜等光學材料之中，才會顯現稀土元素的強磁光效應。

二、稀土磁光材料的應用

磁光器件是指用具有磁光效應的材料製作的各類光資訊功能器件。雖然1845年法拉弟就發現了磁光效應，但在其後一百多年中，並未獲得應用。直到本世紀60年代初，由於鐳射和光電子技術的開發，才使得磁光效應的研究向應用領域發展，出現了新型的光信號功能器件—磁光器件。在鐳射應用中，除探索各種新型的雷射器和接收器外，雷射光束的參數，例如強度、方向、偏轉、頻率、偏振狀態等的快速控制也是很重要的問題，磁光器件，就是利用磁光效應構成的各種控制雷射光束的器件，類似微波鐵氧體器件的發展和分類那樣，因光通訊的需要，1966年發展了磁光調製器、磁光開關、磁光隔離器、磁光環行器、磁光旋轉器、磁光相移器等磁光器件。由於光纖技術和集成光學的發展，1972年起又誕生了波導型的集成磁光器件。在60年代後期，因電腦存貯技術的發展，開發了磁光存貯技術。後來由於全息磁泡和光碟技術的日趨完善和商品化，從而出現了磁光印刷和磁光光碟系統。利用磁光效應研究圓柱狀磁疇（磁泡）而發展了磁泡技術。因資訊技術的需要，在70年代中後期，在磁泡技術的基礎上，又發展了磁光信息處理機及磁泡顯示器。鐳射陀螺的發展中遇到了“閉鎖”問題，一度受挫，後來利用磁光效應，巧妙地克服了“閉鎖”，從而發展了一個全固態（無機械部件）的磁光偏頻鐳射陀螺。因此，每一種新型的磁光器件，都是在研究磁光效應的基礎上開發成功的。

1．磁光調製器

磁光調製器是利用偏振光通過磁光介質發生偏振面旋轉來調製光束。磁光調製器有廣泛的應用，可作為紅外檢測器的斬波器，可製成紅外輻射高溫計、高靈敏度偏振計，還可用於顯示電視信號的傳輸、測距裝置以及各種光學檢測和傳輸系統中。

2．磁光感測器

用磁光效應來檢測磁場或電流的器件稱為磁光感測器。它集鐳射、光纖和光技術於一體，以光學方式來檢測磁場和電流的強弱及狀態的變化，可用於高壓網路的檢測和監控，還可用於精密測量和遙控、遙測及自動控制系統。

3．磁光隔離器

在光纖通信、光資訊處理和各種測量系統中，都需要有一個穩定的光源，由於系統中不同器件的聯接處往往會反射一部分光，一旦這些反射光進入鐳射源的腔體，會使鐳射輸出不穩定，從而影響了整個系統的正常工作。磁光隔離器就是專為解決這一問題而發展起來的一種磁光非互易器件。它能使正向傳輸的光無阻擋地通過，而全部排除從光纖功能器件接點處反射回來的光，從而有效地消除了鐳射源的雜訊。

4．磁光記錄

磁光記錄是近十幾年迅速發展起來的高新技術。磁光記錄是目前最先進的資訊存儲技術，它兼有磁片和光碟兩者的優點。磁光碟廣泛應用於國家管理、軍事、公安、航空航太、天文、氣象、水文、地質、石油礦產、郵電通訊、交通、統計規劃等需要大規模資料即時收集、記錄、存儲及分析等領域，特別是對於集音、像、通訊、資料計算、分析、處理和存儲於一體的多媒體電腦來說，磁光存儲系統的作用是其他存儲方式無法代替的。

磁光存貯是通過鐳射加熱和施加反向磁場在稀土非晶合金薄膜上，產生磁化強度垂直於膜面的磁疇，利用該磁疇進行資訊的寫入，利用克爾磁光效應讀出。

磁光碟是80年代開始應用的產品，光碟共有三大類。一種是唯讀式的，盤上記錄的信號既不能擦除，也不能重寫，只能讀出，就象“唱片”一樣，目前市售的VCD光碟即是。第二類是一次寫入型，原光碟無記錄，有如空白“磁帶”，可錄入資訊和讀出，但一旦錄入資訊就再也不能擦除。第三類是可擦重寫的，如磁片一樣，可擦除、重寫和讀出。由於其寫、讀皆通過材料的磁光效應，與盤無機械接觸，故壽命長，反復擦、寫可達上百萬次（壽命大於10年以上，而一般光碟約為2年）。而且，磁光碟記錄密度是硬磁片的50倍，是普通微機軟碟的800～1000倍以上，因此發展十分迅速。

磁光碟是以稀土元素（RE）鋱、鏑、釓等與過渡族金屬（TM）鐵、鈷的非晶合金薄膜為記錄介質。這種磁光記錄薄膜是用Tb-FeCo等RE-TM合金靶材通過真空濺射沉積而成的，RE-TM合金靶材是製造磁光碟的關鍵材料。


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