32. Магнитооптические тонкопленочные эффекты. Эффект Фарадея. Феррит-гранаты Поляризация света

Конкретные свойства материальной среды задаются в макроскопи­ческой теории магнитооптических явлений видом тензоров εij и μij . Решение волнового уравнения можно записать в форме

E(r,t) = E₀ехр[i(ωt - kr)]. (5.11)

Аналогичное выражение можно записать и для составляющей магнит­ного поля волны B(r,t)=B₀ехр[i(ωt - kr )], (5.12) где k —волновой вектор, определяющий направление распростране­ния волны, ω— частота, t — время; r — радиус-вектор.

Так как Е и В перпендикулярны друг другу, то для полной харак­теристики поляризации света достаточно задать один из них.

Плоскость, проходящая через векторы Е и k , называется плоско­стью поляризации. Электромагнитная волна, в которой плоскость поля­ризации не изменяется в процессе распространения, называется линей­ной, или плоскополяризованной.

Общим случаем поляризации света является эллиптическая поля­ризация, при которой вектор Е описывает в процессе распространения электромагнитной волны в пространстве эллипс в плоскости, перпенди­кулярной направлению k . Если смотреть навстречу движению волны, то вектор Е может обходить эллипс как по часовой стрелке, так и про­тив. В первом случае свет называется правополяризованным, во вто­ром — левополяризованным. Это различие весьма важно для магнитооп­тики, поскольку право- и левополяризованные волны по-разному взаимо­действуют с магнетиками и имеют различные фазовые скорости в них.

С точки зрения квантовой механики понятие поляризации света связано с наличием спинового момента у фотона. Фотоны, как частицы с нулевой массой, могут находиться в двух состояниях со значением спина ±h , направленного вдоль волнового вектора фотона. Такие фото­ны обладают круговой поляризацией. Состояние ±h описывает фотоны с левой (правой) круговой поляризацией.

Магнитооптические эффекты

Магнитооптические эффекты можно разделить на две основные группы: эффекты, наблюдаемые при прохождении света через магнетик, и эффекты при отражении света от поверхности магнетика. В намагниченной среде показатели преломления право- и левополяризованного по кругу света различаются. Если свет распространяется параллельно вектору его намагниченности I_M, это различие в показате­лях преломления проявляется во вращении плоскости поляризации ли­нейно-поляризованного света. Этот эффект называется эффектом М. Фарадея. Угол поворота плоскости поляризации Ф_F пропорциона­лен пути d светового луча в магнитоупорядоченной среде

Ф _F = θ_F * d (5.13)

где θ_F — удельное фарадеевское вращение — угол поворота плоскости поляризации световой волны на единицу длины магнетика. Эффект Фа­радея является нечетным, при изменении направления вектора I_M на противоположное изменяется и знак Ф_F.

Известно, что в магнитном поле каждый уровень энергии атома магнетика расщепляется на два близко расположенных уров­ня в соответствии с двумя воз­можными направлениями спина относительно поля (рис. 5.1, a). Благодаря этому расщеплению дисперсионные зависимости n = n( ω ) в окрестности линии поглощения для лево- (n-) и правополяризованного (n⁺) по кру­гу света оказываются смещен­ными относительно друг друга (рис. 5.1,6). Разность показа­телей преломления n⁺ — n- (рис. 5.1, в) обусловливает фара­деевское вращение плоскости по­ляризации линейно-поляризованного света

θ_FF= ( n+ - n-) ω

Рис.5.1. К природе эффекта Фарадея.

Это так называемый магнитный круговой дихронизм. Его существование приводит к тому, что после прохождения света через среду он из линейно-поляризованного превращается в эллиптически-поляризованный.

Если свет распространяется перпендикулярно направлению намаг­ниченности I_M, то наблюдается магнитное линейное двулучепреломление, называемое эффектом Коттона—Мутона. Он обусловлен различи­ем коэффициентов преломления двух линейно-поляризованных компо­нент световой волны, поляризованных параллельно и перпендикулярно I_M. Возникающие фазовые сдвиги приводят к возникновению эллипти­чески поляризованного света на выходе из среды. Эффект Коттона— Мутона, в отличие от эффекта Фарадея, является четным. Величина его пропорциональна квадрату намагниченности.

В поглощающей среде возникает и магнитный линейный дихро­изм — различие коэффициентов поглощения двух линейно-поляризо­ванных волн в поперечно-намагниченной среде. Наличие дихроизма приводит к повороту угла ориентации эллипса в процессе распростра­нения волны.

Наряду с магнитооптическими эффектами, возникающими при про­хождении света через намагниченную среду, наблюдается ряд эффектов при отражении света от поверхности образца, называемые магнитооп­тическими эффектами Керра. В зависимости от взаимной ориентации намагниченности I_m , направления распространения света k и нормали « к поверхности различают три вида эффектов Керра — полярный, меридиональный и экваториальный.

Полярный эффект заключается во вращении плоскости поляриза­ции и появлении эллиптичности при отражении линейно-поляризо­ванного света от поверхности материала, когда намагниченность парал­лельна нормал I_m || n .

Меридиональный эффект Керра состоит во вращении плоскости поляризации и появлении эллиптичности при отражении линейно-поляризованного света от поверхности в случае, когда намагниченность I_m ┴ n и лежит в плоскости падения света.

Экваториальный эффект наблюдается в поглощающих материалах и состоит в изменении интенсивности и сдвиге фазы линейно-поляри­зованного света, отраженного от намагниченной среды, когда намагни­ченность I_m ┴ n и перпендикулярна плоскости падения света. Поворота плоскости поляризации не происходит. Весьма существенное значение для выбора материала при создании магнитооптических функциональных устройств имеет оптическое поглощение. Среди разнообразных магнетиков относительно малое поглощение в видимом и ближнем ИК- диапазонах можно ожидать лишь в неметаллических материалах. Это, прежде всего, феррит-гранаты, ортоферриты, феррошпинели и другие железосодержащие ферримагнетики.

Магнитные материалы, используемые для создания функциональ­ных магнитооптических устройств, можно условно разделить на две группы. К первой группе можно отнести материалы с относительно не­большим оптическим поглощением, используемые для пространствен­но-временной модуляции света. Это феррит-гранаты, ортоферриты, ферриты со структурой шпинели и др.

Ко второй группе следует отнести тонкие магнитные пленки на ос­нове интерметаллических соединений, обладающих большим коэффи­циентом поглощения в видимом и инфракрасном диапазонах.