CN101458403A - 磁光晶体及其制备方法以及磁光晶体的应用装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种磁光晶体及其制备方法以及磁光晶体的应用装置，该磁光晶体表面设置了具有永久磁畴的磁性薄膜，永久磁畴包括具有磁场方向的条纹，条纹包括以下至少之一：点、连续或不连续的线条，并且条纹之间的间隙与磁光晶体自由能状况或自然形成的条状复合磁畴的间隙相匹配。本发明因为采用具有永久磁畴的磁性薄膜，所以克服了现有的磁光晶体的复合磁畴变化后不能完全复原导致的随机误差问题，进而达到了测量精度的效果。

Description

磁光晶体及其制备方法以及磁光晶体的应用装置

技术领域

本发明涉及光学应用领域，具体而言，涉及磁光晶体及其制备方法以及磁光晶体的应用装置。

背景技术

磁光晶体广泛应用在光纤通信中的光强、光路控制中、以及其他领域的磁场和电流测量中。石榴石磁光晶体是目前应用比较广泛的一种磁光晶体，下面以石榴石磁光晶体进行举例说明。

多晶的石榴石磁光晶体内部多数情况下会形成条形状复合磁畴结构。图1示出了单晶的石榴石磁光晶体的磁畴结构微观图；图2示出了单晶的石榴石磁光晶体的磁畴结构示意图。如图1所示，即使是单晶的石榴石磁光晶体，通常情况下内部也会形成条形状复合磁畴结构。如图2所示，多数情况下，相邻的磁畴磁化方向相反垂直于晶体表面。

当在外磁场作用下，相邻磁畴区域随着外磁场的强度和方向变化，一种相对地变大而另一种相对地变小。当外磁场超过该材料的确饱和磁场时，复合磁畴转变为单一方向磁化的单一均匀磁畴。而当外磁场强度减小时，复合磁畴又重新形成。当外磁场撤消时，两种磁畴区域相对均衡。这样的过程对应了晶体不同的磁光效应及强度变化，从而形成各类应用。

在实现本发明过程中，发明人发现在磁光晶体例如石榴石磁光晶体的多种应用中，由于从单一磁畴到条形符合结构的过程带有随机性，每次形成的结构尽管基本均衡但形状并不完全重复，这造成了一定的磁滞现象，并在测量应用中造成一定的随机误差。

发明内容

本发明旨在提供一种磁光晶体及其制备方法以及磁光晶体的应用装置，能够解决现有磁光晶体的随机误差问题。

在本发明的实施例中，提供了一种磁光晶体，其表面设置了具有永久磁畴的磁性薄膜，永久磁畴包括具有磁场方向的条纹，条纹包括以下至少之一：点、连续或不连续的线条，并且条纹之间的间隙与磁光晶体自由能状况或自然形成的条状复合磁畴的间隙相匹配。

可选的，上述的磁光晶体是石榴石磁光晶体。

在本发明的实施例中，还提供了一种磁光晶体的制备方法，包括以下步骤：在磁光晶体的表面设置具有永久磁畴的磁性薄膜，永久磁畴包括具有磁场方向的条纹，条纹包括以下至少之一：点、连续或不连续的线条，并且条纹之间的间隙与磁光晶体自由能状况或自然形成的条状复合磁畴的间隙相匹配。

可选的，在上述的制备方法中，在磁光晶体的表面设置具有永久磁畴的磁性薄膜具体包括：选用光洁的磁光晶体；对磁光晶体的表面进行清洗；在清洗干净的表面上镀上磁性薄膜；在磁性薄膜上设置永久磁畴。

可选的，在上述的制备方法中，在磁性薄膜上设置永久磁畴具体包括：预先根据条纹设计图样；将磁光晶体放置于磁场中，磁场的磁场强度足够在一定激光强度的作用下磁化磁性薄膜，但在常温下不会磁化磁性薄膜；施加磁场，并按照图样将激光投射和聚焦在磁性薄膜上，使得磁场在激光强度的作用下使磁性薄膜磁化形成永久磁畴。

可选的，在上述的制备方法中，按照图样将激光投射和聚焦在磁性薄膜上具体包括：使激光按照图样移动；或者

将磁光晶体固定在可控移动平台上，使磁光晶体相对于激光按照图样移动。

可选的，在上述的制备方法中，预先根据条纹设计图样具体包括：按照条纹中N方向磁场的条纹设计第一图样，以及按照条纹中S方向磁场的条纹设计第二图样；施加磁场，并按照图样将激光投射和聚焦在磁性薄膜上具体包括：施加N方向磁场，并按照第一图样将激光投射和聚焦在磁性薄膜上；施加S方向磁场，并按照第二图样将激光投射和聚焦在磁性薄膜上。

可选的，在上述的制备方法中，预先根据条纹设计图样具体包括：按照条纹中N方向磁场的条纹设计第一图样；施加磁场，并按照图样将激光投射和聚焦在磁性薄膜上具体包括：施加N方向磁场，并按照第一图样将激光投射和聚焦在磁性薄膜上；或者

预先根据条纹设计图样具体包括：按照条纹中S方向磁场的条纹设计第二图样；施加磁场，并按照图样将激光投射和聚焦在磁性薄膜上具体包括：施加S方向磁场，并按照第二图样将激光投射和聚焦在磁性薄膜上。

可选的，在上述的制备方法中，在磁性薄膜上设置永久磁畴具体包括：预先根据条纹设计图样；将磁光晶体放置于磁场中，用强磁场或配以升温降低矫顽力的方法磁化磁性薄膜，然后按照图样蚀刻磁性薄膜，以形成永久磁畴；或者按照图样蚀刻磁性薄膜，然后将磁光晶体放置于磁场中，用强磁场或配以升温降低矫顽力的方法磁化磁性薄膜，以形成永久磁畴。

在本发明的实施例中，还提供了一种磁光晶体的应用装置，磁光晶体是上述的磁光晶体。

可选的，在上述的应用装置中，应用装置是用于测量磁场或电流的光纤磁光探头装置。

可选的，在上述的应用装置中，应用装置是可控偏振光孔装置，其中，永久磁畴的条纹是同心圆环，相邻环的磁畴磁化方向相反。

可选的，在上述的应用装置中，应用装置是可控偏振光栅装置，其中，永久磁畴的条纹是光栅条纹。

可选的，在上述的应用装置中，应用装置是可控偏振菲尼尔透镜装置，其中，永久磁畴的条纹是多个同心圆环，多个同心圆环之间的间距附合菲尼尔分布规则，相邻环的磁畴磁化方向相反。

上述实施例的磁光晶体及其制备方法以及磁光晶体的应用装置，因为采用具有永久磁畴的磁性薄膜，所以克服了现有的磁光晶体的复合磁畴变化后不能完全复原导致的随机误差问题，进而达到了测量精度的效果。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1示出了单晶石榴石磁光晶体的磁畴结构微观图；

图2示出了单晶石榴石磁光晶体的磁畴结构示意图；

图3示出了根据本发明一个实施例的在磁光晶体的表面设置具有永久磁畴的磁性薄膜的流程图；

图4示出了根据本发明一个实施例的在磁光晶体的表面设置具有永久磁畴的磁性薄膜的工艺过程图；

图5示出了根据本发明一个实施例的用于测量磁场或电流的；

图6示出了图5的光纤磁光探头装置中的磁光晶体的永久磁畴的条纹示意图；

图7示出了根据本发明一个实施例的可控偏振光孔方案示意图；

图8示出了根据本发明一个实施例的可控偏振光栅方案示意图。

具体实施方式

下面将参考附图并结合实施例，来详细说明本发明。

本发明的一个实施例提供了一种磁光晶体的制备方法，包括以下步骤：在磁光晶体的表面设置具有永久磁畴的磁性薄膜，永久磁畴包括具有磁场方向的条纹，条纹包括以下至少之一：点、连续或不连续的线条，并且条纹之间的间隙与磁光晶体自由能状况或自然形成的条状复合磁畴的间隙相匹配。

该制备方法使得受永久磁畴的磁场影响，磁光晶体例如石榴石磁光晶体形成稳定形状的可重复条形的复合磁畴，从而避免了常规的磁光晶体中的复合磁畴所出现的随机变化，进而可减少随机误差，提高测量精度。

图3示出了根据本发明一个实施例的在磁光晶体的表面设置具有永久磁畴的磁性薄膜的流程图，具体包括：

步骤S10，选用光洁的磁光晶体；

步骤S20，对磁光晶体的表面进行清洗；

步骤S30，在清洗干净的表面上镀上磁性薄膜；

步骤S40，在磁性薄膜上设置永久磁畴。

该薄膜应易于在垂直于表面的方向磁化，且在工作温度范围具有较高的矫顽力，器件的工作磁场不会改变其磁化方向。上述制备过程简单易行。

图4示出了根据本发明一个实施例的在磁光晶体的表面设置具有永久磁畴的磁性薄膜的工艺过程图，具体包括：将光洁的普通石榴石磁光晶体进行表面清洗；在清洗干净的石榴石磁光晶体表面上镀上一层磁性薄膜；在磁性薄膜上设置根据应用要求的永久磁畴；受永久磁畴的磁场影响，石榴石磁光晶体形成稳定的形状可重复条形复合磁畴。

可选的，步骤S40具体包括：

预先根据条纹设计图样；

将磁光晶体放置于磁场中，磁场的磁场强度足够在一定激光强度的作用下磁化磁性薄膜，但在常温下不会磁化磁性薄膜；

施加磁场，并按照图样将激光投射和聚焦在磁性薄膜上，使得磁场在激光强度的作用下使磁性薄膜磁化形成永久磁畴。

根据条纹设计好图样，就可以形成合适的永久磁畴，从而使磁光晶体的复合磁畴与永久磁畴相匹配。磁畴图样可以根据应用要求和磁光晶体的性质来设计。条纹之间的间隙应与磁光晶体自由能状况或自然形成的条状复合磁畴的间隙相匹配。

应该注意的是，所述的磁性薄膜应该具有如下特性：在局部加温或激光照射下在较高的外磁场作用下能被磁化形成永久磁化磁畴，磁化方向与表面垂直。另外，激光的强度可受计算机控制或调制；适当的激光强度和外磁场使所述的磁性薄膜磁化形成局部的永久磁畴。

根据该制备方法形成的所述的局部永久磁畴的可以是点、连续或不连续的线条，尺寸由激光束在磁性薄膜上的光斑尺寸决定，可在1到几微米的量级。局部磁畴点线形成的图样可根据应用需要同过计算机控制的机械机构，在磁畴写入的过程中形成。

可选的，按照图样将激光投射和聚焦在磁性薄膜上具体包括：使激光按照图样移动；或者将磁光晶体固定在可控移动平台上，使磁光晶体相对于激光按照图样移动。这两种移动方式都是可行的。例如，将可控机械机构连接样品台或激光头，在磁畴写入过程中根据图样要求形成样品和激光之间的相对移动来形成一定的磁畴图样。

可选的，在上述的制备方法中，预先根据条纹设计图样具体包括：按照条纹中N方向磁场的条纹设计第一图样，以及按照条纹中S方向磁场的条纹设计第二图样；施加磁场，并按照图样将激光投射和聚焦在磁性薄膜上具体包括：施加N方向磁场，并按照第一图样将激光投射和聚焦在磁性薄膜上；施加S方向磁场，并按照第二图样将激光投射和聚焦在磁性薄膜上。磁畴图样可以是单一磁化方向的，也可以是相邻条纹具有相反磁化方向的。如果磁光晶体自由能状况或自然形成的条状复合磁畴相邻条纹是反向的磁畴，可以在制备过程中施加反向的外加磁场，分别制作各磁场方向的图样。

可选的，在上述的制备方法中，预先根据条纹设计图样具体包括：按照条纹中N方向磁场的条纹设计第一图样；施加磁场，并按照图样将激光投射和聚焦在磁性薄膜上具体包括：施加N方向磁场，并按照第一图样将激光投射和聚焦在磁性薄膜上；或者

预先根据条纹设计图样具体包括：按照条纹中S方向磁场的条纹设计第二图样；施加磁场，并按照图样将激光投射和聚焦在磁性薄膜上具体包括：施加S方向磁场，并按照第二图样将激光投射和聚焦在磁性薄膜上。

该实施例中，仅制备一个磁场方向的永久磁畴。如果磁光晶体自由能状况或自然形成的条状复合磁畴相邻条纹是反向的，则由于该磁性薄膜上单磁场方向的永久磁畴的影响，同样能保持复原。

上述实施例得到的磁性薄膜是完整的磁性薄膜，通过激光和磁场的影响，在磁性薄膜上留下了磁性痕迹形成的磁性图样来获得永久磁畴。

可选的，在上述的制备方法中，在磁性薄膜上设置永久磁畴具体包括：预先根据条纹设计图样；将磁光晶体放置于磁场中，用强磁场或配以升温降低矫顽力的方法磁化磁性薄膜(即形成垂直表面的磁化)，然后按照图样蚀刻(例如光刻)磁性薄膜，以形成永久磁畴。

可选的，在上述的制备方法中，在磁性薄膜上设置永久磁畴具体包括：预先根据条纹设计图样；按照图样蚀刻磁性薄膜，然后将磁光晶体放置于磁场中，用强磁场或配以升温降低矫顽力的方法磁化磁性薄膜(即形成垂直表面的磁化)，以形成永久磁畴。

上述两种方法得到的磁性薄膜是被镂空的磁性薄膜，通过蚀刻剩下的部分所形成的磁性图样来获得永久磁畴。

本发明的一个实施例提供了一种磁光晶体，其表面设置了具有永久磁畴的磁性薄膜，永久磁畴包括具有磁场方向的条纹，条纹包括以下至少之一：点、连续或不连续的线条，并且条纹之间的间隙与磁光晶体自由能状况或自然形成的条状复合磁畴的间隙相匹配。

受永久磁畴的磁场影响，磁光晶体例如石榴石磁光晶体形成稳定形状的可重复条形的复合磁畴，从而避免了常规的磁光晶体中的复合磁畴所出现的随机变化，进而可减少随机误差。

该磁光晶体可形成稳定的可重复的复合磁畴，用以提高在磁场和电流测量中的精度，本发明的实施例提供一种磁光晶体的应用装置，磁光晶体是上述的磁光晶体。

图5示出了根据本发明一个实施例的用于测量磁场或电流的光纤磁光探头装置，其包括：输入光纤6、输入光准直器5a、第一偏振分光器3d、磁光晶体1、1/2波片2、第二偏振分光器3e、输出光准直器5b、输出光纤7。

该光纤磁光探头装置采用光偏振处理，对所述的光正交偏振分量进行分波、磁光感应、合波处理。

其中，在法拉第磁光旋转器后设置波片，波片用于对法拉第磁光旋转器两束输出光的偏振面进行旋转以避免近零失敏，而磁光感应，偏振检测对两正交偏振分量同时、等量进行；第一偏振分光器3d和第二偏振分光器3e由单轴晶体制成，能把两个相互正交的偏振光分开一定的角度；当光通过第一偏振分光器3d后，它被分成偏振面相互正交两束，两束光的传播方向成一个小的角度同时通过磁光晶体1和1/2波片2；当它们到达第二偏振分光器3e后，每束光中偏振面相对于第一偏振分光器3d产生的原始偏振面转90°的分量传播方向将变一致，尽管两束之间还有一微小的空间分离，它们还是可以被输出光准直器5b和输出光纤7等量接收，而其它分量将被隔离在输出光纤7以外。

作为本发明的实施例，其中的磁光晶体1是用本发明所提供的方法制作。其特征是磁光晶体的磁畴被所写的磁性薄膜上的永久磁畴所定位。所述的晶体磁畴在没有外磁场状态下，是均匀的固定图样的条形磁畴，可如图6所示的直线型。

当在大的外磁场作用下，磁光晶体变为饱和的单一磁畴，当外磁场减弱时，磁光晶体回复到同样图样的同样位置的条状交叉反向磁畴。这样一来，在测量过程中由于磁畴位置和形状变动的引起的随机误差得到了控制。该方案并可用于直流电流或磁场的测量。

另外，本发明提供如下实施例：应用所述材料进行磁场或电流的测量；应用所述材料制作可控偏振光栅、光孔；应用所述材料制作可控偏振光栅；应用所述材料制作可控偏振菲尼尔透镜。下面进行详细说明。

可选的，在上述的应用装置中，应用装置是可控偏振光孔装置，其中，永久磁畴的条纹是同心圆环，相邻环的磁畴磁化方向相反。

图7示出了根据本发明一个实施例的可控偏振光孔方案示意图。如图7A制成具有同心圆环图样的磁畴的磁光晶体，其相邻环的磁畴磁化方向相反，如图7A所示。如图7B所示，将所述的磁光晶体置于线圈中，当通过线圈的强度和方向盘变化时，反向的磁畴区域的面积发生相对变化。图7C描述当电流正向时，中心磁畴变小；图7D描述当电流反向时中心磁畴变大。这样一来，当偏振光束通过所述晶体时，光束截面的空间上产生的不同的偏振分布。如用偏振片在后面进行检偏，不同的偏振态得到不同的拦光效果。而且，拦光效果可随所加的电流变化而变化。

可选的，在上述的应用装置中，应用装置是可控偏振菲尼尔透镜装置，其中，永久磁畴的条纹是多个同心圆环，多个同心圆环之间的间距附合菲尼尔分布规则，其相邻环的磁畴磁化方向相反。

例如，利用本发明提供的制备方法，制成具有同心圆环图样的磁畴的磁光晶体，而这些同心圆环之间的间距附合菲尼尔分布规则，其相邻环的磁畴磁化方向相反。这样一来，当偏振光束通过所述晶体时，光束截面的空间上产生两束偏振态正交的菲尼尔分布波阵面，两组偏振光将根据菲尼尔透镜原理聚焦于不同的地方。而且，聚焦效果可随所加的电流变化而变化。

可选的，在上述的应用装置中，应用装置是可控偏振光栅装置，其中，永久磁畴的条纹是光栅条纹。

图8示出了根据本发明一个实施例的可控偏振光栅方案示意图：利用本发明提供的制备方法，制成具有栅状图样的磁畴的磁光晶体。其相邻环的磁畴磁化方向相反，如图8A所示。将所述的磁光晶体置于线圈中，当通过线圈的强度和方向盘变化时，反向的磁畴区域的面积发生相对变化。图8C、8D分别描述电流正反向时的磁畴图样。这样一来，当偏振光束通过所述晶体时，光束截面上产生两组偏振态正交的波阵面栅状分布，这样将产生两组偏振的光栅衍射波。而两组衍射波衍射效果可随所加的电流变化而变化。

可选的，上述磁光晶体是石榴石磁光晶体，石榴石磁光晶体是目前应用比较广泛的一种磁光晶体。

本发明通过施加永久磁畴的磁场影响，磁光晶体例如石榴石磁光晶体形成稳定形状的可重复条形的复合磁畴，从而避免了常规的磁光晶体中的复合磁畴所出现的随机变化，进而可减少现有技术测量应用中的随机误差。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (14)

1.一种磁光晶体，其特征在于，其表面设置了具有永久磁畴的磁性薄膜，所述永久磁畴包括具有磁场方向的条纹，条纹包括以下至少之一：点、连续或不连续的线条，并且条纹之间的间隙与磁光晶体自由能状况或自然形成的条状复合磁畴的间隙相匹配。

2.根据权利要求1所述的磁光晶体是石榴石磁光晶体。

3.一种磁光晶体的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

在磁光晶体的表面设置具有永久磁畴的磁性薄膜，所述永久磁畴包括具有磁场方向的条纹，条纹包括以下至少之一：点、连续或不连续的线条，并且条纹之间的间隙与磁光晶体自由能状况或自然形成的条状复合磁畴的间隙相匹配。

4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，在磁光晶体的表面设置具有永久磁畴的磁性薄膜具体包括：

选用光洁的磁光晶体；

对磁光晶体的表面进行清洗；

在清洗干净的表面上镀上磁性薄膜；

在磁性薄膜上设置所述永久磁畴。

5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，在磁性薄膜上设置所述永久磁畴具体包括：

预先根据所述条纹设计图样；

将磁光晶体放置于磁场中，磁场的磁场强度足够在一定激光强度的作用下磁化磁性薄膜，但在常温下不会磁化磁性薄膜；

施加磁场，并按照所述图样将激光投射和聚焦在磁性薄膜上，使得磁场在激光强度的作用下使磁性薄膜磁化形成所述永久磁畴。

6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，按照所述图样将激光投射和聚焦在磁性薄膜上具体包括：

使激光按照所述图样移动；或者

将磁光晶体固定在可控移动平台上，使磁光晶体相对于激光按照所述图样移动。

7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，预先根据所述条纹设计图样具体包括：按照所述条纹中N方向磁场的条纹设计第一图样，以及按照所述条纹中S方向磁场的条纹设计第二图样；施加磁场，并按照所述图样将激光投射和聚焦在磁性薄膜上具体包括：

施加N方向磁场，并按照所述第一图样将激光投射和聚焦在磁性薄膜上；

施加S方向磁场，并按照所述第二图样将激光投射和聚焦在磁性薄膜上。

8.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，

预先根据所述条纹设计图样具体包括：按照所述条纹中N方向磁场的条纹设计第一图样；施加磁场，并按照所述图样将激光投射和聚焦在磁性薄膜上具体包括：施加N方向磁场，并按照所述第一图样将激光投射和聚焦在磁性薄膜上；或者

预先根据所述条纹设计图样具体包括：按照所述条纹中S方向磁场的条纹设计第二图样；施加磁场，并按照所述图样将激光投射和聚焦在磁性薄膜上具体包括：施加S方向磁场，并按照所述第二图样将激光投射和聚焦在磁性薄膜上。

9.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，在磁性薄膜上设置所述永久磁畴具体包括：

预先根据所述条纹设计图样；

将磁光晶体放置于磁场中，用强磁场或配以升温降低矫顽力的方法磁化磁性薄膜，然后按照所述图样蚀刻磁性薄膜，以形成所述永久磁畴；或者按照所述图样蚀刻磁性薄膜，然后将磁光晶体放置于磁场中，用强磁场或配以升温降低矫顽力的方法磁化磁性薄膜，以形成所述永久磁畴。

10.一种磁光晶体的应用装置，其特征在于，所述磁光晶体是根据权利要求1或2所述的磁光晶体。

11.根据权利要求10所述的应用装置，其特征在于，所述应用装置是用于测量磁场或电流的光纤磁光探头装置。

12.根据权利要求10所述的应用装置，其特征在于，所述应用装置是可控偏振光孔装置，其中，所述永久磁畴的所述条纹是同心圆环，相邻环的磁畴磁化方向相反。

13.根据权利要求10所述的应用装置，其特征在于，所述应用装置是可控偏振光栅装置，其中，所述永久磁畴的所述条纹是光栅条纹。

14.根据权利要求10所述的应用装置，其特征在于，所述应用装置是可控偏振菲尼尔透镜装置，其中，所述永久磁畴的所述条纹是多个同心圆环，所述多个同心圆环之间的间距附合菲尼尔分布规则，相邻环的磁畴磁化方向相反。

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