Научная Петербургская Академия

: Продольный магнитооптический эффект Фарадея

: Продольный магнитооптический эффект Фарадея

Продольный магнитооптический эффект Фарадея. 1. Основные свойства эффекта. 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 Зеемана 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. 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.

: Продольный магнитооптический эффект Фарадея

Принципиальная схема устройства для наблюдения и многих применений эффекта Фарадея показана на рис. 1. Схема состоит из источника света, поляризатора, анализатора и фотоприемника. Между поляризатором и анализатором помещается исследуемый образец. Угол поворота плоскости поляризации отсчитывается по углу : Продольный магнитооптический эффект Фарадея поворота анализатора до восстановления полного гашения света при включенном магнитном поле. Интенсивность прошедшего пучка определяется законом Малюса : Продольный магнитооптический эффект Фарадея На этом основана возможность использования эффекта Фарадея для модуляции пучков света. Основной закон, вытекающий из измерений угла поворота плоскости поляризации : Продольный магнитооптический эффект Фарадея , выражается формулой : Продольный магнитооптический эффект Фарадея где : Продольный магнитооптический эффект Фарадея - напряженность магнитного поля, : Продольный магнитооптический эффект Фарадея - длина образца, полностью находящегося в поле и : Продольный магнитооптический эффект Фарадея - постоянная Верде, которая содержит в себе информацию о свойствах, присущих исследуемому образцу, и может быть выражена через микроскопические параметры среды. 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". 2. Объяснение эффекта циркулярным магнитным двупреломлением. Согласно Френелю, поворот плоскости поляризации является следствием циркулярного двупреломления. Циркулярная поляризация выражается функциями : Продольный магнитооптический эффект Фарадея для правого вращения /по часовой стрелке/ и : Продольный магнитооптический эффект Фарадея для вращения против часовой стрелки. Линейная поляризация может рассматриваться как результат суперпозиции волн с циркулярной поляризацией с противоположным направлением вращения. Пусть показатели преломления для правой и левой циркулярной поляризации неодинаковы. Введем средний показатель преломления : Продольный магнитооптический эффект Фарадея и отклонение от него : Продольный магнитооптический эффект Фарадея . Тогда получим колебание с комплексной амплитудой : Продольный магнитооптический эффект Фарадея что соответствует вектору : Продольный магнитооптический эффект Фарадея , направленному под углом : Продольный магнитооптический эффект Фарадея к оси X. Этот угол и есть угол поворота плоскости поляризации при циркулярном двупреломлении, равный : Продольный магнитооптический эффект Фарадея 3. Вычисление разности показателей преломления. Из теории электричества известно, что система зарядов в магнитном поле вращается с угловой скоростью : Продольный магнитооптический эффект Фарадея которая называется скоростью прецессии Лармора. Представим себе что мы смотрим навстречу циркулярно поляризованному лучу, идущему через среду, вращающуюся с частотой Лармора; если направления вращения вектора : Продольный магнитооптический эффект Фарадея в луче и Ларморовского вращения совпадают, то для среды существенна относительная угловая скорость : Продольный магнитооптический эффект Фарадея , а если эти вращения имеют разные направления, то относительная угловая скорость равна : Продольный магнитооптический эффект Фарадея . Но среда обладает дисперсией и мы видим, что : Продольный магнитооптический эффект Фарадея Отсюда получаем формулу для угла поворота плоскости поляризации : Продольный магнитооптический эффект Фарадея и для постоянной Верде : Продольный магнитооптический эффект Фарадея 4. Практические применения эффекта Фарадея. Эффект Фарадея приобрел большое значение для физики полупроводников при измерениях эффективной массы носителей заряда. Эффект Фарадея очень полезен при исследованиях степени однородности полупроводниковых пластин, имеющих целью отбраковку дефектных пластин. Для этого проводится сканирование по пластине узким лучом-зондом от инфракрасного лазера. Те места пластины, в которых показатель преломления, а следовательно, и плотность носителей заряда, отклоняются от заданных, будут выявляться по сигналам фотоприемника, регистрирующего мощность прошедшего через пластину излучения.

: Продольный магнитооптический эффект Фарадея

Рассмотрим теперь амплитудные и фазовые невзаимные элементы /АНЭ и ФНЭ/ на основе эффекта Фарадея. В простейшем случае оптика АНЭ состоит из пластинки специального магнитооптического стекла, содержащего редкоземельные элементы, и двух пленочных поляризаторов /поляроидов/. Плоскости пропускания поляризаторов ориентированы под углом : Продольный магнитооптический эффект Фарадея друг к другу. Магнитное поле создается постоянным магнитом и подбирается так, чтобы поворот плоскости поляризации стеклом составлял : Продольный магнитооптический эффект Фарадея . Тогда на пути "вперед" вся система будет прозрачной, а на пути "назад" непрозрачной, т.е. она приобретает свойства оптического вентиля. ФНЭ предназначен для создания регулируемой разности фаз двух линейно поляризованных встречных волн. ФНЭ нашел применение в оптической гирометрии. Он состоит из пластинки магнитооптического стекла и двух пластинок : Продольный магнитооптический эффект Фарадея , вносящих разность фаз : Продольный магнитооптический эффект Фарадея и : Продольный магнитооптический эффект Фарадея . Магнитное поле, как и в АНЭ создается постоянным магнитом. На пути "вперед" линейно поляризованная волна, прошедшая пластинку преобразуется в циркулярно поляризованную с правым вращением, затем проходит магнитооптическую пластинку с соответствующей скоростью и далее через вторую пластинку : Продольный магнитооптический эффект Фарадея , после чего линейная поляризация восстанавливается. На пути "назад" получается левая поляризация и эта волна проходит магнитооптическую пластинку со скоростью, отличающейся от скорости правой волны, и далее преобразуется в линейно поляризованную. Введя ФНЭ в кольцевой лазер, мы обеспечиваем разность времен обхода контура встречными волнами и вытекающую отсюда разность их длин волн. 5. В непосредственной близости к собственной частоте осцилля- торов : Продольный магнитооптический эффект Фарадея эффект Фарадея описывается более сложными закономерностями. В уравнении движения осциллирующего электрона не- обходимо учитывать затухание : Продольный магнитооптический эффект Фарадея Необходимо отметить, что для циркулярно поляризованных волн, распространяющихся вдоль магнитного поля, дисперсионная кривая и спектральный контур линии поглощения имеют для данной среды тот же вид, что и при отсутствии магнитного поля, отличаясь только сдвигом по шкале частот на : Продольный магнитооптический эффект Фарадея вправо для волны с положительным направлением вращения вектора : Продольный магнитооптический эффект Фарадея и на : Продольный магнитооптический эффект Фарадея : Продольный магнитооптический эффект Фарадея влево - для волны с противоположным направлением вращения : Продольный магнитооптический эффект Фарадея .

: Продольный магнитооптический эффект Фарадея

: Продольный магнитооптический эффект Фарадея На рисунке 3 штриховыми линиями показаны графики функций : Продольный магнитооптический эффект Фарадея : Продольный магнитооптический эффект Фарадея и : Продольный магнитооптический эффект Фарадея , а их разность : Продольный магнитооптический эффект Фарадея - сплошной линией. Видно, что в окрестности : Продольный магнитооптический эффект Фарадея дважды изменяется знак эффекта Фарадея: в интервале частот : Продольный магнитооптический эффект Фарадея вблизи : Продольный магнитооптический эффект Фарадея поворот направления поляризации происходит в отрицательную сторону, а вне этого интервала - в положительную. Однако следует иметь в виду, что в данном случае эффект не сводится только к повороту направления поляризации падающей волны. В окрестности : Продольный магнитооптический эффект Фарадея существенно поглощение света, причем при данном значении : Продольный магнитооптический эффект Фарадея коэффициенты затухания: Продольный магнитооптический эффект Фарадея для циркулярно поляризованных составляющих падающей волны имеют разные значения (круговой дихроизм). Поэтому после прохождения через образец амплитуды этих составляющих не равны и при их сложении получается эллиптически поляризованный свет. Важно сознавать, что в эффекте Фарадея магнитное поле влияет на состояние поляризации света лишь косвенно, изменяя характеристики среды, в которой распространяется свет. В вакууме магнитное поле никакого влияния на свет не оказывает. Обычно угол поворота направления поляризации очень мал, но благодаря высокой чувствительности экспериментальных методов измерения состояния поляризации эффект Фарадея лежит в основе совершенных оптических методов определения атомных констант.


(C) 2009