摘要：磁光效应指的是光与处于磁化状态的物质之间发生相互作用而引起的各种光学现象。这些效应都起自物质的磁化，反映了物质磁性和光间的联系。本文介绍了磁光克尔效应的基本原理和主要的应用。
关键词：磁光效应；应用；克尔效应
磁光效应指的是光与处于磁化状态的物质之间发生相互作用而引起的各种光学现象。包括克尔磁光效应、科顿-穆顿效应（磁双折射效应）和塞曼效应、法拉第效应等。物质的磁化都是这些效应起源的重要条件，这些效应反映了物质磁性与光间的联系。这些都被广泛用于探索研究与技术相关的磁材料。目前研究和应用最广泛的磁光效应为法拉第效应和克尔效应。1845年，英国物理学家法拉第首次发现了线偏振光透过放置磁场中的物质，沿着磁场方向传播时，光的偏振面发生旋转的现象，后来被称为法拉第效应[1]。受到了法拉第效应的启示，1876年，克尔发现了线偏振光入射到磁化媒质表面反射时偏振面发生旋转的现象，即克尔效应[2]。直到1985年，Moog和Bader两位学者提出用SMOKE来作为表面磁光克尔效应（surface magneto-optic Kerr effect）的缩写，以此表示应用磁光克尔效应在表面磁学上的研究，成功地得到一原子层厚度磁性物质的磁滞回线，开启了超薄磁性物质与界面磁性材料研究的大门[3]。近年来，许多有趣的现象都是通过克尔效应实验发现的。接下来，我们主要介绍磁光克尔效应的原理及主要应用。
一、磁光克尔效应的原理
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）的偏振面方向有一定的偏转，偏转的角度为克尔转角，短轴与长轴的比为椭偏率，如图1所示。复磁光克尔角定义为：，其大小正比于样品的磁化强度。表1给出了常见的磁性物质在室温下的磁光克尔转角的数值。
克尔效应产生的原因如下：当磁性物质在外加磁场作用下磁化或铁磁性物质自发磁化，就让物质本身的折射率造成磁双折射（magnetic birefringence）的现象，即其右旋折射率和左旋折射率不相同。一束线偏振光可以分解成两个振幅相同的左旋光与右旋光，而左旋光与右旋光在磁性材料中有不同的吸收和反射系数，不同的传播速度使得两种光产生相位差，同时也能造成振幅上的不同。这样，两个振幅不同、且具有相位差的左旋光与右旋光在反射后就会叠加成一束椭圆偏振光。
一般情况下，克尔磁光效应分极向克尔磁光效应、纵向克尔磁光效应与横向克尔磁光效应（按磁化强度同入射面的相对取向不同划分），如图2所示。极向克尔磁光效应是指磁化强度矢量M与介质界面垂直时的科尔效应。这是三种克尔效应中，克尔转角最大、最明显的。纵向克尔磁光效应指的是磁化强度矢量M既平行于光的入射面，也平行于介质表面时的科尔效应。横向克尔磁光效应是指磁化方向平行于材料表面但垂直于反射平面的克尔效应。横向克尔磁光效应中事实上仅仅是反射率有微小的变化，没有偏振面的旋转。其最大的优点在于：即使入射光是非极化光源经由磁性介质反射后，其反射光的振幅也是磁光强度矢量的线性函数。
二、磁光克尔效应的应用
1.在现代数据存储技术中的应用。目前无论是在工业上科技、资讯的高度发展对储存元件记录密度的需求越来越高，满足此种要求的办法是利用克尔效应研发制造磁光记录光碟和硬盘。通过一束激光聚焦在特定的磁光记录介质薄膜上就能够实现磁光记录。写入信息时，记录介质位于特定的外加磁场中，因为磁光介质有良好的垂直于膜面的各向异性，当具备一定条件时，这种介质中的磁畴的磁化方向就能与外加磁场方向相反或一致。由此，利用这种介质局部磁化方向的正、反即可代表“0”和“1”两类信息。
磁光记录信息的读取就是利用磁光克尔效应实现的。拿某个写入信息后的介质（磁光介质）来说，介质（磁光介质）中的磁畴的磁化方向有正反两种类型。一束激光照射在介质（磁光介质）表面的某一位置时，假如该处对应的磁畴为反向磁化，则反射光的克尔转角为-θk；反之该处对应的磁畴为正向磁化，则反射光的克尔旋转角为θk。如果在通过介质（磁光介质）表面反射的反射光路上放一探测器，就能够容易地检测出反射处是反向磁化还是正向磁化，即读出了“0”和“1”。
2.研究材料表面的磁学特性及其用途。表面磁性和由数个原子层所构成的超薄膜以及多层膜磁性，就是目前凝聚态物理领域中的一个非常重要的热点研究课题。表面磁光克尔效应（SMOKE）更成为表面科学中磁性测量的主要工具，业已被大量、广泛地应用在磁有序、磁各向异性以及层间耦合等问题的研究方面。SMOKE通过测量样品的克尔转角和克尔椭偏率随磁场的变化关系，最终给出样品的磁滞回线。从磁滞回线上可以定性和定量的分析矫顽力、剩余磁化强度、最大磁化率、磁滞损耗等。和其他的磁性测量手段相比较，SMOKE具有测量灵敏度极高（国际上现在通用的SMOKE测量装置它的探测灵敏度可达亚单原子层的磁性，即相当于能够测量到小于千分之一度的克尔旋转角）、非接触式测量、局域磁性测量以及易于和其它设备（尤其是真空系统）兼容等优点。
目前，应用元件尺寸快速向轻薄短小发展，元件中界面特性与高品质界面的制作是非常重要的，通过磁光克尔效应对磁性超薄膜的研究不但带动相关科学知识的突破，对于微小元器件的设计开发提供重要参考资料，更能有效地提升电子工业尺寸纳米化的进程。
3.用于观察铁磁材料中的磁畴。磁光克尔效应的另外一个重要应用就是观察铁磁材料中难以捉摸的磁畴。由于不同磁畴区的磁化强度的取向不同，使入射偏振光产生方向、大小不同的偏振面旋转，再经过检偏器后就出现了与磁畴相应的明暗不同的区域。利用现代技术，不但可进行静态观察，还可进行动态研究。这些都导致一些重要发现和关于磁畴、磁学参数的有效测量。
4.在自旋电子学中的应用。磁光克尔效应对固体的自旋相关的电子能带结构相当敏感，因此，磁光克尔效应是一种独特的研究磁性材料中电子行为的实验方法。
三、结束语
近年来，随着磁性元件应用日益广泛，基于磁性薄膜新颖的物理特性和高技术的应用，对于磁性薄膜的研究有越来越多的趋势。由于磁光克尔效应可以简单地分析磁性薄膜材料的磁特性，因此也受到了广泛的关注。期盼通过本文的介绍，能使读者对于磁光克尔效应的基本原理和主要应用有基本的了解。
参考文献：
[1]M.Faraday，Trans. Roy. Sco. （London）5，592 {1846}.
[2]J. Kerr，Philos. Mag. 3，339 {1877}
[3]E.R. Moog and S.D. Bader，Superlattices Microstruct. 1，543 {1985}.