4. Основные свойства магнитооптического эффекта Фарадея
Продольный магнитооптический эффект состоит в повороте плоскости поляризации луча света, проходящего через прозрачную среду, находящуюся в магнитном поле. Этот эффект был открыт в 1846 году. Открытие магнитооптического эффекта долгое время имело значение в чисто физическом аспекте, но за последние десятилетия оно дало много практических выходов. Также были открыты другие магнитооптические эффекты, в частности, хорошо известный эффект Земана и эффект Керра, проявляющийся в повороте плоскости поляризации луча, отраженного от намагниченной среды. наш интерес к эффектам Фарадея и Керра обусловлен их применением в физике, оптике и электронике [6]. К ним относятся :
- определение эффективной массы носителей заряда или их плотности в полупроводниках;
- амплитудная модуляция лазерного излучения для оптических линий связи и определение времени жизни неравновесных носителей заряда в полупроводниках;
- изготовление оптических невзаимных элементов;
- визуализация доменов в ферромагнитных пленках;
- магнитооптическая запись и воспроизведение информации как в специальных, так и бытовых целях.
Принципиальная схема устройства для наблюдения и многих применений эффекта Фарадея показана на рис. 7 [5].
Схема состоит из
источника света, поляризатора, анализатора
и фотоприемника. Между поляризатором
и анализатором помещается исследуемый
образец. Угол поворота плоскости
поляризации отсчитывается по углу
поворота анализатора до восстановления
полного гашения света при включенном
магнитном поле.
Рис. 7. Схема магнитооптического преобразователя магнитного поля на эффекте Фарадея
Интенсивность прошедшего пучка определяется законом Малюса
(5)
На этом основана
возможность использования эффекта
Фарадея для модуляции пучков света.
Основной закон, вытекающий из измерений
угла поворота плоскости поляризации
,
выражается формулой
(6)
где
- напряженность магнитного поля,
- длина образца,
полностью находящегося в поле
-
постоянная Верде, которая содержит в
себе информацию о свойствах, присущих
исследуемому образцу, и может быть
выражена через микроскопические
параметры среды [6].
Основная особенность магнитооптического эффекта Фарадея состоит в его невзаимности, т.е. нарушении принципа обратимости светового пучка. Опыт показывает, что изменение направления светового пучка на обратное (на пути "назад") дает такой же угол поворота и в ту же сторону, как на пути "вперед". Поэтому при многократном прохождении пучка между поляризатором и анализатором эффект накапливается. Изменение направления магнитного поля, напротив, изменяет направление вращения на обратное. Эти свойства объединяются в понятии "гиротропная среда". [6]
5. Магнитооптический эффект Фарадея с точки зрения классических представлений
C феноменологической точки зрения эффект Фарадея, по аналогии с естественной активностью, объясняется тем, что показатели преломления n+ и n- для света, поляризованного право- и левоциркулярно, становятся различными при помещении оптически неактивного вещества в магнитное поле. Детальная интерпретация эффекта Фарадея возможна лишь на основе квантовых представлений [7]. Конкретный механизм явления может быть несколько различным в разных веществах и в разных областях спектра.
Однако, с точки зрения классических представлений, эффект Фарадея всегда связан с влиянием на дисперсию вещества частоты
(7)
с которой оптические электроны совершают ларморовскую прецессию вокруг направления магнитного поля, и может быть получен на основе классической теории дисперсии. В диэлектриках в видимой области спектра дисперсия определяется связанными электронами, которые совершают вынужденные колебания под действием электрического поля световой волны. Вещество рассматривается как совокупность таких классических осцилляторов. Тогда, записав и решив уравнение движения электронов отдельно для лево- и правоциркулярно поляризованной волны, можно получить выражение для угла поворота плоскости поляризации в виде
(8)
где V – постоянная Верде. Она описывается следующим выражением:
(9)
где е – заряд электрона, m – масса электрона, N – концентрация электронов, ω – частота
света, с – скорость света в вакууме, ω0 – собственная частота осциллятора [7].