铁氧体材料的THz波段旋磁性质分析

在外磁场下饱和磁化的铁氧体显示出旋磁介质的性质,其磁化率张量可由式(7.1)表示(沿z方向施加外磁场)[4]：

式中,张量元μ和κ分别由式(7.2)、式(7.3)给出：

式中,ωc=γB为回旋频率,又称拉莫尔频率,其中γ=1.758×1011 rad/(T·s)是旋磁比,B为外磁场的磁感应强度;ωm=γM s为磁化特征角频率,其中M s为材料的饱和磁化强度;μ0是真空中磁导率。考虑到铁磁损耗,需要用ωc=γBiμ0γΔH/2替代式(7.2)和式(7.3)中的ωc,其中ΔH为铁氧体材料的铁磁共振线宽。对于LuBiIG单晶铁氧体材料,其在THz波段的吸收系数小于0.3 cm-1,是一种低损耗THz磁光材料。其介电常数ε=4.85,ΔH=5.1 Oe^[1],M s=1 560 Gs^[2]。以上电磁参数将用于后面的理论和模拟计算中。

当THz波入射磁性材料时,所施加的外磁场方向与THz波的传播方向垂直,这种磁场配置的方式称为Voigt配置,将引起横向磁光效应。外磁场方向与THz波传播方向平行的配置,将会引起法拉第旋转。在旋磁材料的Voigt配置中,如果入射波为p偏振波(即电场极化方向垂直于外磁场,也称TM波),它不与外磁场发生相互作用,由式(7.1)可得相反地,如果入射波为s偏振波(即电场极化方向平行于外磁场,也称TE波),它将与外磁场发生旋磁相互作用,由式(7.1)可得

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由式(7.4)计算可知,欲使LuBiIG旋磁谐振发生在1 THz,需要35.6 T的外磁场。在35.7~36.2 T时,1 THz下的μTE=1.1~2.2,对应的折射率2.4~3.2。然而,当讨论材料的非互易性时,n TE和n TM这样的标量参数就不足以描述非互易问题,必须使用如式(7.1)描述的张量来求解电磁场方程：

只有通过FDTD或者FEM方法才能正确求解这类各向异性的有损介质问题,并且将张量元μ和κ及其色散关系均考虑其中。图7.2为根据式(7.2)和式(7.3)计算的在0.2 THz处LuBiIG的μ和κ随磁场变化的曲线以及κ/μ的色散关系。需要注意的是,如图7.2(a)所示,当磁场小于7.15 T时,μ和κ的虚部都明显大于0,这种情况下铁磁共振损耗就不可忽略。κ/μ的大小反映了材料的旋磁性(即非互易性)的强弱,只有在铁磁共振附近材料才显示出强的旋磁性,同时也表现出强色散特性。入射波频率越高,发生铁磁共振所需的外磁场也越大。

图7.2　

(a)THz波段铁氧体的磁导率张量元的实部和虚部随磁场变化的曲线;(b)κ/μ随外磁场和频率变化的色散关系[5]