光是一种电磁波,如何调控光是一个世界性的热点话题,也是集成光子学领域长期存在的难题。不像电子,光子不带电荷,无法直接利用电场或磁场来控制,但是光能跟物质发生相互作用,只要有效地调控物质的属性,就能达到调控光的目的。通过磁场调控光和磁光材料相互作用的法拉第磁光效应和克尔磁光效应就是调控光的有效手段。自然界中材料的磁光效应在可见光频段非常弱,大大限制了磁光效应的应用,因此重新设计材料来增强磁光效应变得非常重要。从最基本的麦克斯韦方程组出发,结合有限元法,分析了磁光效应的电磁特性,并提出了磁光效应的增强方案。利用磁光效应的时间反演对称破缺和洛伦兹非互易性,设计出了左/右旋圆偏振光滤波器和单向传输器件,并研究了磁光材料随机介质的相干背散射现象。具体内容包括:1、以线偏振光沿磁化方向传播的情况为例,通过非共振和共振的方法增强磁光效应。对于非共振增强方法,利用有效介质理论,在铋铁石榴石薄层中加入负介电常数的金属薄层,调节结构的有效介电常数,使得有效介电常数张量的对角项为真空介电常数,能将克尔旋转角增大到约90°,并且工作带宽非常宽。在共振增强方法中,利用光在秘铁石榴石薄层中的共振,可以同时增强克尔磁光效应和法拉第磁光效应,但是这个方法的工作带宽很窄。2、光沿磁化方向传播时的两个本征态为左/右旋圆偏振光,重新设计磁光介质后,使其中一个本征态波矢为虚数,就设计出了衰减型左/右旋圆偏振光滤波器。当设计出来的磁光介质的厚度大于衰减长度时,就能高效地滤出高质量的左旋或右旋圆偏振光,而且工作带宽很宽。此外,在铋铁石榴石薄层中,通过共振情况下的光反射,也能滤出左/右旋圆偏振光,只是这种滤波器的效率不高,且工作带宽很窄。3、利用磁光材料的非互易性,在一维周期性磁光材料异质结构中和磁光材料异质结的界面处,都能实现光的单向传输。以垂直磁化方向的平面内传播的TM光为例,利用准二维传递矩阵法计算后发现,只要包含一层以上的磁光介质层,一维周期性三层异质结构将打破空间反演对称性,能让TM光单向传输,工作带宽取决于能带的非对称区域,并且开关比可以很大。在磁光材料异质结的界面处,光的发散具有“手性”特征,只要利用金属或磁化方向相反的磁光介质阻止光向外发散,就能将TM光束缚在边界上,形成单向传输,工作带宽非常宽,但开关比不大。4、利用时域有限差分法研究了二维磁光材料随机介质的相干背散射,发现相干散射锥的增强因子不再趋于2,而是趋于1.5。根据多重背散射阶段的时间演化数据分析,发现磁光效应越强时,散射锥的增强因子越快地趋于1.5。另外,所接收到信号散射矩阵的奇异值分布满足随机矩阵理论中的四分之一圆定理,可以确定光在二维磁光材料随机介质中的多重背散射是一个随机散射过程。