มาเรียนรู้หลักการประยุกต์ใช้วัสดุคริสตัลแม๊กแก้วนำแสงด้วยกัน!

ด้วยการพัฒนาการสื่อสารด้วยแสงและเทคโนโลยีเลเซอร์กำลังสูง การวิจัยและการประยุกต์ใช้ตัวแยกแสงแบบแมกนีโตจึงมีความกว้างขวางมากขึ้นเรื่อย ๆ ซึ่งได้ส่งเสริมการพัฒนาวัสดุแมกนีแบบออปติกโดยตรงโดยเฉพาะแม็กนีโตออปติกคริสตัล- ผลึกแมกนีโตออปติคอล เช่น ออร์โธเฟอร์ไรต์ของธาตุหายาก, โมลิบเดตของธาตุหายาก, tungstate ของธาตุหายาก, โกเมนเหล็กอิตเทรียม (YIG), โกเมนอะลูมิเนียมเทอร์เบียม (TAG) มีค่าคงที่ของ Verdet ที่สูงกว่า ซึ่งแสดงให้เห็นถึงข้อได้เปรียบด้านประสิทธิภาพของแมกนีโตออปติคัลที่เป็นเอกลักษณ์และโอกาสในการนำไปใช้งานในวงกว้าง

เอฟเฟกต์แม๊กออปติคัลสามารถแบ่งได้เป็นสามประเภท: เอฟเฟกต์ฟาราเดย์, เอฟเฟกต์ Zeeman และเอฟเฟกต์ Kerr

ปรากฏการณ์ฟาราเดย์หรือการหมุนของฟาราเดย์ บางครั้งเรียกว่าปรากฏการณ์ฟาราเดย์แบบแมกนีโตออปติคัล (MOFE) เป็นปรากฏการณ์ทางแสงแบบแมกนีโตทางกายภาพ การหมุนของโพลาไรเซชันที่เกิดจากเอฟเฟกต์ฟาราเดย์จะเป็นสัดส่วนกับการฉายภาพของสนามแม่เหล็กตามทิศทางการแพร่กระจายของแสง อย่างเป็นทางการ นี่เป็นกรณีพิเศษของไจโรแม่เหล็กไฟฟ้าที่ได้รับเมื่อเทนเซอร์คงที่ไดอิเล็กตริกอยู่ในแนวทแยง เมื่อลำแสงโพลาไรซ์ระนาบผ่านตัวกลางแสงแมกนีโตที่วางอยู่ในสนามแม่เหล็ก ระนาบโพลาไรซ์ของแสงโพลาไรซ์ระนาบจะหมุนโดยมีสนามแม่เหล็กขนานกับทิศทางของแสง และมุมโก่งเรียกว่ามุมการหมุนของฟาราเดย์

เอฟเฟกต์ซีมาน (/ˈzeɪmən/, การออกเสียงภาษาดัตช์ [ˈzeːmɑn]) ตั้งชื่อตามนักฟิสิกส์ชาวดัตช์ ปีเตอร์ ซีมาน เป็นผลของสเปกตรัมที่แยกออกเป็นองค์ประกอบต่างๆ เมื่อมีสนามแม่เหล็กคงที่ มันคล้ายกับปรากฏการณ์สิ้นเชิง กล่าวคือ สเปกตรัมแบ่งออกเป็นหลายองค์ประกอบภายใต้การกระทำของสนามไฟฟ้า เช่นเดียวกับเอฟเฟกต์สตาร์ก การเปลี่ยนผ่านระหว่างส่วนประกอบต่างๆ มักจะมีความเข้มต่างกัน และบางส่วนก็ถูกห้ามโดยสิ้นเชิง (ภายใต้การประมาณไดโพล) ขึ้นอยู่กับกฎการเลือก

เอฟเฟกต์ Zeeman คือการเปลี่ยนแปลงความถี่และทิศทางโพลาไรเซชันของสเปกตรัมที่สร้างโดยอะตอมเนื่องจากการเปลี่ยนแปลงของระนาบการโคจรและความถี่การเคลื่อนที่รอบนิวเคลียสของอิเล็กตรอนในอะตอมโดยสนามแม่เหล็กภายนอก

เอฟเฟกต์เคอร์หรือที่รู้จักกันในชื่อเอฟเฟกต์ไฟฟ้าออปติกทุติยภูมิ (QEO) หมายถึงปรากฏการณ์ที่ดัชนีการหักเหของวัสดุเปลี่ยนแปลงไปตามการเปลี่ยนแปลงของสนามไฟฟ้าภายนอก เอฟเฟกต์ Kerr แตกต่างจากเอฟเฟกต์ Pockels เนื่องจากการเปลี่ยนแปลงดัชนีการหักเหของแสงที่เหนี่ยวนำนั้นเป็นสัดส่วนกับกำลังสองของสนามไฟฟ้า มากกว่าการเปลี่ยนแปลงเชิงเส้น วัสดุทั้งหมดแสดงเอฟเฟกต์ Kerr แต่ของเหลวบางชนิดแสดงเอฟเฟกต์ที่รุนแรงกว่าวัสดุชนิดอื่น

เฟอร์ไรต์ธาตุหายาก ReFeO3 (Re เป็นธาตุธาตุหายาก) หรือที่รู้จักในชื่อออร์โธเฟอร์ไรต์ ถูกค้นพบโดย Forestier และคณะ ในปี 1950 และเป็นหนึ่งในคริสตัล Magneto Optic Crystals ที่เก่าแก่ที่สุดที่ค้นพบ

ประเภทนี้แม็กนีโตออปติกคริสตัลเป็นเรื่องยากที่จะเติบโตในลักษณะทิศทางเนื่องจากการพาความร้อนหลอมที่แข็งแกร่งมาก การแกว่งตัวที่ไม่คงที่อย่างรุนแรง และแรงตึงผิวสูง ไม่เหมาะสำหรับการเจริญเติบโตโดยใช้วิธี Czochralski และผลึกที่ได้รับโดยใช้วิธีไฮโดรเทอร์มอลและวิธีตัวทำละลายร่วมมีความบริสุทธิ์ต่ำ วิธีการเติบโตที่ค่อนข้างมีประสิทธิภาพในปัจจุบันคือวิธีโซนลอยตัวด้วยแสง ดังนั้นจึงเป็นเรื่องยากที่จะเติบโตผลึกเดี่ยวออร์โธเฟอร์ไรต์ดินหายากขนาดใหญ่และมีคุณภาพสูง เนื่องจากคริสตัลออร์โธเฟอร์ไรต์จากธาตุหายากมีอุณหภูมิคูรีสูง (สูงถึง 643K) มีวงฮิสเทรีซีสเป็นรูปสี่เหลี่ยมผืนผ้าและมีแรงบีบบังคับเล็กน้อย (ประมาณ 0.2 อีมู/กรัม ที่อุณหภูมิห้อง) จึงมีศักยภาพที่จะใช้ในตัวแยกแสงแบบแมกนีโตขนาดเล็กเมื่อมีการส่งผ่านข้อมูลสูง (สูงกว่า 75%)

ในบรรดาระบบโมลิบเดตของธาตุหายาก ระบบที่มีการศึกษามากที่สุด ได้แก่ โมลิบเดตสองเท่าแบบ scheelite (ARe(MoO4)2, A คือไอออนโลหะของโลหะหายาก), โมลิบเดตสามเท่า (Ｒe2(MoO4)3), โมลิบเดตสี่เท่า (A2Re2(MoO4)4) และโมลิบเดตเจ็ดเท่า (A2Ｒe4(MoO4)7)

สิ่งเหล่านี้ส่วนใหญ่แม็กนีโตออปติกคริสตัลเป็นสารประกอบหลอมเหลวที่มีองค์ประกอบเดียวกันและสามารถปลูกได้โดยวิธี Czochralski อย่างไรก็ตาม เนื่องจากการระเหยของ MoO3 ในระหว่างกระบวนการเติบโต จึงจำเป็นต้องปรับสนามอุณหภูมิและกระบวนการเตรียมวัสดุให้เหมาะสมเพื่อลดอิทธิพลของมัน ปัญหาข้อบกพร่องในการเจริญเติบโตของโมลิบเดตของธาตุหายากภายใต้การไล่ระดับอุณหภูมิขนาดใหญ่ยังไม่ได้รับการแก้ไขอย่างมีประสิทธิภาพ และการเติบโตของผลึกขนาดใหญ่ไม่สามารถทำได้ ดังนั้นจึงไม่สามารถใช้ในตัวแยกแสงแบบแม๊กนีโตขนาดใหญ่ได้ เนื่องจากค่าคงที่ Verdet และการส่งผ่านข้อมูลค่อนข้างสูง (มากกว่า 75%) ในย่านความถี่อินฟราเรดที่มองเห็นได้ จึงเหมาะสำหรับอุปกรณ์ออปติคัลแมกนีโตขนาดเล็ก