磁致伸缩诱导应力双折射效应的研究

摘要

磁光效应可以用来对透射光波的强度、相位、偏振方向和传播方向等进行控制，现已被广泛应用于磁光调制器、磁光开关、磁光隔离器、磁光环形器等磁光器件。而从发现磁光效应以来，近百年来始终未在固体材料中观察到类似于Cotton-Mouton effect或Voigt effect的磁光现象。然而由于近年来复合材料的发展，使得我们有可能在固体材料中观察到磁致双折射现象。光纤磁光换能器的工作原理启示我们可以将磁致伸缩材料与光学材料复合后产生磁光效应。
　　本文选用了具有超磁致伸缩特性的铁磁材料TDF与具有优质应力双折射效应的弹光材料PC相结合，通过应力耦合制备出一种新型的复合磁光介质，并且在复合结构上采用了三层平板式复合结构以减小弹光相内部应力梯度对实验结果的影响。该复合材料结构简单且易于制备，为开发高性能的磁光材料开辟了一条新的途径，为磁致双折射效应的选材提供了一个新的思路。由于该层状复合介质利用了磁致伸缩和应力双折射效应的乘积效应，可以通过灵活的选材以获得理想的磁光效应，预计可以在调制器和传感器等领域有广阔的发展前景。
　　影响层状复合磁光介质磁光性质的因素有很多，因此需要建立一定的理论模型对该复合材料的磁光性质的变化规律进行研究。文中由磁致伸缩相和弹光相的本构方程出发，应用弹性力学模型，从理论上近似推导了理想耦合状态下归一化透射光强与材料自身性质及结构等之间关系的表达式，其中在弹光相的应力梯度部分，应用了圣维南原理对材料内部应力分布做了近似计算。从理论结果出发，实验中我们分别研究了弹光相的宽度d2、厚长比d3/d1以及光波波长λ对该复合材料的磁光性质的关系。实验发现宽度越大，厚长比越小，磁光性质越好;适当的波长和良好的界面耦合也是影响磁光性质的关键。
　　实验结果在磁光效应与材料尺寸和波长的关系与理论结果比较相符，然而在材料尺寸和制作方面也遇到了一定的问题，需要进一步改进和完善。此外，文中只是研究了材料在直流磁场下的磁光性质，推想对于交流场下磁光性能的研究和制作工艺的改善，对于磁光器件的发展都将有着重要的意义。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

§1．1 研究复合磁光材料及其性能的意义

§1．2 现有磁光材料及研究概况

§1．2．1 磁光晶体

§1．2．2 磁光玻璃

§1．2．3 磁光薄膜

第2章 磁致伸缩效应及材料

§2．1 磁致伸缩效应及其产生机制

§2．1．1 磁致伸缩效应

§2．1．2 磁致伸缩现象的产生机制

§2．2 Tb-Dy-Fe系超磁致伸缩材料

§2．2．1 超磁致伸缩材料的发展

§2．2．2 铽-镝-铁合金(Terfenol-D)的特点

§2．2．3 Terfenol-D合金的应用

§2．3 本论文实验中所使用的超磁致伸缩材料

第3章 应力双折射效应与材料

§3．1 应力双折射效应

§3．2 应力双折射材料

§3．2．1 环氧树脂

§3．2．2 聚碳酸酯

§3．2．3 聚碳酸酯的应力双折射实验

第4章 铁磁／弹光复合材料磁光效应的理论探讨

§4．1 应力与应变

§4．1．1 应力

§4．1．2 应变

§4．1．3 应力和应变的关系

§4．2 磁致双折射效应的理论估计

§4．2．1 复合磁光材料中的应力梯度效应

§4．2．2 归一化透射光强的计算

第5章 铁磁／弹光复合材料的磁光效应的实验与分析

§5．1 磁光效应实验装置及实验过程

§5．2 复合介质磁光性质与应力双折射相的厚度的关系

§5．3 复合介质的磁光性质与应力双折射相的宽度的关系

§5．4 复合介质的磁光性质与光波波长的关系

第6章 结论和展望

参考文献

致谢