15.4. Магнитооптические явления

К ним относят группу явлений, связанных с прохождением электромагнитного излучения через вещества, помещенные в магнитном поле.

Эффект Фарадея. Если линейно-поляризованный свет проходит через вещество, помещенное в магнитное поле, вектор напряженности которого совпадает с напряжением распространения света, то плоскость поляризации света поворачивается на некоторый угол. Этот угол пропорционален длине пути света в веществе и напряженности поля, и обратно пропорционален квадрату длины волны. Зависит он от свойств вещества. Так, он сильно изменяется вблизи линий поглощения данного вещества. Особенно сильный эффект наблюдается в тонких прозрачных пленках железа, никеля и кобальта. При прохождении света в прямом и обратном направлении углы поворота вследствие эффекта Фарадея не компенсируются, а суммируются, в отличии от естественного вращения поляризации в некоторых веществах. Диамагнетики в магнитном поле всегда обнаруживают положительное вращения (т.е. вращение по часовой стрелке, если смотреть по направлению поля), пара и ферромагнетики – отрицательные.

Пример применения:

- позиционно-чувствительный датчик с магнитооптической модуляцией, содержащий поляризатор, анализатор и ячейку Фарадея, отличающийся тем, что с целью повышения чувствительности, магнитооптический активный элемент ячейки Фарадея выполнен из составных двух частей, например, призм с противоположным по знаку постоянными Верде, расположенных в симметрично относительно оптической оси системы.

Природа эффекта объясняется различным влиянием магнитного поля на скорость распространения в веществе правоциркулярно и левоциркулярно поляризованных световых волн, в результате чего между ними накапливается разность фаз, приводящая при их сложении к возникновению волн с повернутой плоскостью поляризации.

Как обычно, возможные применения вытекают из физической сущности эффекта; управление поворотом плоскости поляризации с помощью магнитного поля или же измерение магнитных полей по углу поворота плоскости поляризации:

- оптический квантовый генератор, содержащий задающий генератор, оптический квантовый усилитель и установленные между ними согласующее устройство, отличающееся тем, что с целью улучшения однородности пучка без уменьшения его мощности, согласующее устройство выполнено в виде расположенного между двумя поляризаторами элемента, обладающего измеряющейся по радиусу вращательной способностью;

- устройство по п.1, отличающееся тем, что в качестве названного элемента использован вращатель Фарадея, выполненный в виде цилиндра из свинцового стекла установленного в соленоиде;

- устройство магнитооптического воспроизведения информации с магнитного носителя, содержащее источник плоскополяризованного света, анализатор, фотоприемник и магнитную головку, отличающееся тем, что с целью повышения чувствительности, его магнитная головка снабжена магнитооптическим кристаллом установленным на участке заднего зазора, расположенным на одной линии между источником плоскополяризованного света и анализатором пучка этого света.

Часто эффект Фарадея используют для создания невзаимных элементов т.е. устройств, пропускающих излучение только в определенном направлении.

Оптический вентильсостоит из двух поляризаторов, скрещенных под углом 45° и элемента Фарадея, помещенного между ними. Элемент рассчитан так, что, вращая плоскость поляризации света на 45°, и свет проходит через второй поляризатор. Луч, идущий в обратном направлении, вращается в ту же сторону, что и прямой луч и оказывается повернутым на 90° относительно первого поляризатора, и значит не пропускается им. В частности такие вентили используют в лазерах бегущей волны и в оптических усилителях.

В СВЧ-технике для создания вентилей, фазовращателей и циркуляторов широко используют эффект Фарадея на ферритах, которые практически прозрачны для электромагнитных волн этого диапазона (дици-, санти- и миллиметровые радиоволны).

Существует и так называемый обратный эффект Фарадея– возникновение в среде магнитного поля под действием мощного циркулярнополяризованного света, вызывающего циркулярное движение электронов (1).

Эффект Фарадея –один из эффектов магнитооптики. Заключается во вращении плоскости поляризации линейно поляризованного света, распространяющегося в веществе вдоль постоянного магнитного поля, в котором находится это вещество. Открыт М. Фарадеем в 1845 г.

Под действием магнитного поля показатели преломления (n₊иn_-) для циркулярно право- и левополяризованного света становятся различными. Вследствие этого при прохождении через среду линейно поляризованного излучения его лево- и правополяризованные составляющие распространяются с различными фазовыми скоростями, приобретая разность хода, линейно зависящую от оптической длины пути.

В результате плоскость линейно поляризованного монохроматического света поворачивается на некоторый угол, зависящий от длины пути, длины волны и показателей преломления n₊иn_-. Эффект Фарадея тесно связан с эффектом Зеемана и является следствием его[3].

Частным случаем эффекта Фарадея является магнитооптический эффект Керра – при отражении под любым углом, в том числе и по нормали к поверхности, линейнополяризованного света от намагниченного ферромагнетика возникает элептически поляризованный свет. Фактически, магнитооптический эффект Керра это вращение плоскости поляризации части излучения в тонком поверхностном слое ферромагнетика в магнитном поле.

Магнитооптическая установка для автоматической записи магнитных характеристик ферромагнетика, в которой использование магнитооптического эффекта Керра позволяет снимать кривые намагничивания и гистерезиса на участках поверхности размером 1 мк².

При распространении света в веществе перпендикулярно магнитному полю возникает двойное лучепреломление, величина которого пропорциональна квадрату напряженности магнитного поля (эффект Коттона-Муттона).

Эффект Коттона-Мутона –двойное лучепреломление света в изотропном веществе, помещенном в магнитное поле (перпендикулярно световому лучу). Впервые обнаружено в коллоидных растворах англичанином Керром в 1901 г., исследовано французами Коттоном и Мутоном в 1907 г.

Суть эффекта состоит в том, что образец прозрачного вещества помещают между полюсами мощного электромагнита и пропускают через него луч монохроматического света, линейно поляризованного в плоскости, составляющей с направление магнитного поля угол в 45°. Проходящий через вещество луч света из линейно-поляризованного превращается в эллиптически поляризованный, так как он разделяется в веществе, ставшим анизотропным, на два луча - обыкновенный и необыкновенный, имеющие разные показатели преломления. Эти лучи распространяются под очень малым углом друг к другу. Поэтому для обнаружения эффекта необходимы достаточно сильные поля. Величина угла расхождения лучей пропорциональна квадрату напряженности магнитного поля и длине волны света[3].

Наложение сильного магнитного поля ориентирует хаотически расположенные молекулы (если последние имеют постоянный магнитный момент), что и приводит к оптической анизотропии. Этот эффект много слабее, чем электрооптических эффект Керра, а в технике применяется редко.

Механизм всех магнитооптических явлений тесно связан с механизмом прямого и обращенного эффекта Зеемана.

Прямой (обращенный) эффект Зеемана состоит в расщеплении спектральных линий испускаемого (поглощаемого) излучения под действием магнитного поля на излучающее (поглощающее)вещество. При этом неполяризованное излучение с частотой направления поля расщепляется на два компонента (линии) с частотами и, первая из которых поляризована по левому кругу, а вторая по правому. В направлении же перпендикулярном поля расщепление имеет такой характер: имеется при линейном-поляризованные компоненты с частотами.

Крайние компоненты поляризованы перпендикулярно магнитному полю, средние же с неизменной частотой поляризована вдоль поля и по интенсивности вдвое превосходит соседние. Величина смещения частоты пропорциональна индукции магнитного поля. Эффект Зеемана обусловлен расщеплением в магнитном поле энергетических уровней атомов или молекул на подуровни, между которыми возможны квантовые переходы.

Примеры применения:

- кольцевой лазер для определения скорости вращения имеет трубу и отражательные зеркала, которые создают замкнутый оптический контур, включающий ось лазера, а также средства с помощью которых световые лучи обособляются и накладываются, циркулируя в оптическом контуре в противоположных направлениях. Лазер отличается тем, что предусмотрено устройство служащее для воздействия на трубу лазера осевого магнитного поля таким образом, что в соответствие с эффектом Зеемана, создается два луча с противоположной круговой поляризацией. Предусмотрено устройство, которое обеспечивает поступательное движение только одного такого луча в каждом направлении вдоль оптического контура;

- аппарат предназначен для реализации способа определения концентрации парамагнитного материала в газовой смеси. Образец смеси подвергают воздействию магнитного поля средней напряженности и освещают лазерным излучением постоянной частоты. Магнитное поле энергетическими уровнями в парамагнитном материале до величины, соответствующей условию резонансас лазерным излучением. Для количественной корреляции вариации интенсивности лазерного излучения, проходящего через смесь, как функция напряженности магнитного поля используют стандартные процедуры детектирования. В случае окиси азота способ достаточно чувствителен, чтобы обнаруживать концентрации, значительно меньше, чем одна часть на миллион.

В заключении отметим, что механизм эффекта Фарадея, по сути дела, обусловлен обращенным эффектом Зеемана. Им же объясняется избирательное поглощение радиоволн парамагнитными телами, помещенными в магнитное поле.

Эффект Зеемана –расщепление уровней энергии и спектральных линий атома и других атомных систем в магнитном поле. Открыт в 1896 г. голландским физиком П. Зееманом при исследовании свечения паров натрия в магнитном поле. Под действием магнитного поля уровни энергии расщепляются на зеемановские подуровни; при переходе между подуровнями уровней ei и Е_к вместо одной спектральной линии появляется несколько поляризованных компонент.

Может наблюдаться простой (нормальный) зеемановский эффект для одиночной спектральной линии. Величина расщепления пропорциональна напряженности магнитного поля Н.

Рис. 15.3. Простой эффект Зеемана:

а) - без поля (vq - частота, соответствующая исследуемой спектралиной линии); б) – при наличии магнитного поля

Примечание: созданы устройства для прецизионного измерения любых магнитных полей (квантовые магнетометры) [3].