Основные магнитооптические эффекты.

К магнитооптическим явлениям относится группа явлений связанных со свойствами электромагнитного излучения в телах, помещенных в магнитное поле.

Прежде всего это эффект Фарадея; при распространении в веществе линейно поляризованного света вдоль силовых линий магнитного поля наблюдается поворот плоскости поляризаций. Угол поворота, пропорционален длине пути света в веществе и напряженности магнитного поля; естественно, что он зависит также от свойств вещества, частоты света оптически активные вещества под действием магнитного поля приобретают дополнительную способность вращать плоскость поля­ризации, складывающиеся с их естественной способностью. Как обычно, возможные применения вытекают из физической сути эффекта: управление поворотом плоскости поляризации с помощью магнитного поля или же измерение магнитных полей по углу поворота.

Частным случаем эффекта Фарадея является магнитооптический эффект Керра - при отражении под любым углом, в том числе и по нормали поверхности, линейно поляризованного света от намагниченного, ферромагнетика возникает эллиптически поляризованный свет. Фактически магнитооптический эффект Керра - это вращение плоскости полимеризации в тонком поверхностном слое ферромагнетика.

Существует еще ряд магнитооптических явлений. Так при распространении света в веществе перпендикулярно приложенному магнитному полю также возни­кает явление двойного лучепреломления со всеми вытекающими следствиями (эффект Коттон-Мутона). Этот эффект очень мал по величине; надёжно измерить его удалось в некоторых жидкостях (бензол, ацетон), стеклах и коллоидах.

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, если испускающие (поглощающее) вещество находится в магнитном поле. Эффект Зеемана обусловлен расщеплением энергетических уровней атомов или молекул в магнитном поле; его полная теория изложена в любом курсе квантовой механики. Эффект Зеемана изучается с целью понять законы квантовых систем типа атомы, методы - спектральные. Механизм эффекта Фарадея, по сути дела, обусловлен обращенным эффектом Зеемана.

 

Магнитооптические эффекты разделяют на две группы:

· возникающие при прохождении света через намагниченное вещество: эффекты Фарадея, Коттона — Мутона (Фохта);

· проявляющиеся, при отражении света от поверхности магнетика: эффекты Керра.

Эффекты Фарадея, Коттона — Мутона состоят во вращении плоскости поляризации и появлении эллиптичности при прохождении линейно поляризованного света через намагниченное вещество. В случае эффекта Фарадея, волновой вектор падающей волны k параллелен вектору намагниченности M, в случае эффекта Коттона — Мутона k перпендикулярен M. Аналогично, в зависимости от взаимного положения плоскости падения световой волны, направлением намагниченности и нормалью к поверхности образца различают три вида эффекта Керра:

· полярный эффект Керра (ПЭК), вектор M перпендикулярен к границе среды и параллелен плоскости падения света

· меридиональный эффект Керра (МЭК), вектор M параллелен плоскости падения света и поверхности раздела

· экваториальный эффект Керра (ЭЭК), вектор M параллелен поверхности раздела и перпендикулярен плоскости падения света.

В случае ПЭК, МЭК (продольные явления) эффект заключен во вращении плоскости поляризации и появлении эллиптичности при отражении линейно поляризованного света от поверхности образца. Продольные эффекты и эффект Фарадея обусловлены различием показателей преломления в намагниченной среде право и лево циркулярно поляризованного света. Эффект Коттона—Мутона возникает из-за различия показателей преломления двух линейно поляризованных компонент светового излучения, поляризованных параллельно и перпендикулярно намагниченности. ЭЭК наблюдается лишь в поглощающих материалах и проявляется в изменении интенсивности и сдвиге фазы линейно поляризованного света от поверхности образца(по сравнению со случаем M=0). Все вышеперечисленные эффекты являются линейными по намагниченности.

Магнитооптические эффекты

Эффект Фарадея.

Этот эффект был открыт в 1845 году. Открытие магнитооптического эффекта долгое время имело значение в чисто физическом аспекте, но за последние десятилетия оно дало много практических выходов. Принципиальная схема устройства для наблюдения и многих применений эффекта Фарадея показана на рис. 4.5.1.

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.

 

Интенсивность прошедшего пучка определяется законом Малюса

(4.5.1)

На этом основана возможность использования эффекта Фарадея для модуляции пучков света. Основной закон, вытекающий из измерений угла поворота плоскости поляризации , выражается формулой

(4.5.2)

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.

Рис. 4.5.2. Проявление магнитооптического эффекта Фарадея.

Основная особенность магнитооптического эффекта Фарадея состоит в его не взаимности, 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".

Интерес к этому эффекту обусловлен применением в физике, оптике и электронике, для таких задач, как:

- 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.

4.5 .2 Эффект Коттона – Мутона.

Эффект Коттона – Мутона - один из эффектов магнитооптики, заключающийся в возникновении линейного двойного лучепреломления в среде, помещённой во внешнее магнитное поле, при распространении света перпендикулярно полю. В применении к кристаллическим системам. Его часто называют эффектом Фохта. Впервые был обнаружен в коллоидных растворах Дж. Керром (J. Кегг, 1901), далее подробно исследован Э. Коттоном (A. Cotton) и А. Мутоном (Н. Mouton, 1907), а в кристаллах - В. Фогтом (W. Voigt). Эффект Коттона – Мутона является следствием взаимодействия магнитного поля с токовыми (локализованными или делокализованными) системами (электроны в атоме, носители заряда в полупроводниках), определяющими исходные оптических свойства вещества, и поэтому обнаруживается во всех материальных средах. Подобно др. эффектам индуцированной линейной анизотропии (пьезооптическому, электронно-оптическому), Эффект Коттона – Мутона экспериментально регистрируется по возникновению эллиптичности прошедшего через среду линейно поляризованного светового пучка с плоскостью поляризации, составляющей обычно угол 45° с направлением приложенного поля (см. Керра эффект). Под действием магнитного поля первоначально изотропная среда превращается в оптически одноосную (гиротропность среды в такой геометрии магнитного поля можно не учитывать) с показателями преломления обыкновенного и необыкновенного лучей п0 и пе.В результате ортогональные компоненты вектора напряжённости электрического поля световой волны, проходящей через среду, испытывают разные фазовые сдвиги и, складываясь на выходе из среды, образуют эллиптически поляризованный свет, степень эллиптичности которого определяется указанной разностью фаз. Знак индуцированной разности фаз не зависит от направления приложенного магнитного поля и, следовательно, зависимость наведённого двупреломления должна определяться лишь чётными степенями напряжённости поля Н. В подавляющем большинстве случаев оказывается возможным ограничиться квадратичным по H членом:

Δ _λ=l(пе-п0)/ λ=СlH² (4.5.3)

Δ _λ - разность хода лучей, выраженная в длинах волн, l - длина пути света в веществе, Δ _λ - длина световой волны в вакууме). Константа С называется постоянной Коттона - Мутона и зависит от природы среды, длины волны излучения и температуры.

Рис 4.5.3. Проявление эффекта Коттона-Мутона

Эффект Коттона – Мутона тесно связан с другими магнитооптическими явлениями. В частности, вместе с эффектом магнитного линейного дихроизма - индуцированного магнитным полем различия коэффициентов поглощения для двух линейных поляризаций

Δk = ke-ko (4.5.4)

Эффект Коттона – Мутона можно рассматривать как единый эффект магнитно линейной анизотропии с учётом комплексности показателя преломления среды

Δn= (пе-пa)+i(ke-k0)= Δп+i Δk (4.5.5)

При этом функции Δп(ω) и Δk(ω), описывающие спектральный ход линейного двупреломления и дихроизма (ω - частота излучения), связаны между собой дисперсионными соотношениями, аналогичными Крамерса - Кронига соотношениям.Как известно, подобная же связь существует между магнитооптическими эффектами циркулярной анизотропии - эффектом Фарадея и магнитным круговым дихроизмом.

Эффект Коттона – Мутона по величине обычно мал и поэтому не находит широкого применения. Исключение составляют магнитоупорядоченные кристаллы, в которых эффект Коттона – Мутона функционально связан не с напряжённостью внешнего магнитного поля, а с намагниченностью подрешёток кристалла и может достигать чрезвычайно больших значений. Так, например, в ферромагнитном кристалле EuSe величина магнитно линейного двупреломления Δn достигает 1,5*10^-2.

Значительной величина эффекта Коттона – Мутона может быть также в конденсированных парамагнетиках вблизи линий поглощения при наличии разрешённой картины зеемановского расщепления.

Эффект Коттона – Мутона используют для измерений анизотропии диамагнитности восприимчивости молекул, изучения структуры примесных центров и магнитных свойств электронных оболочек.

Эффект Керра.

Магнитооптический эффект Керра - один из эффектов магнитооптики, влияние намагниченности среды на интенсивность и поляризацию света, отражённого от её поверхности. Достаточную для измерения величины магнитооптического эффекта Керра имеют вещества, обладающие большой намагниченностью и высоким коэффициентом поглощения, поэтому эффект наблюдается главным образом при отражении света от металлических ферромагнетиков.

В зависимости от ориентации вектора намагниченности относительно отражающей поверхности и плоскости падения светового пучка различают три вида магнитооптического эффекта Керра: полярный, меридиональный и экваториальный. При полярном эффекте вектор намагниченности j направлен перпендикулярно отражающей поверхности и параллельно плоскости падения (рис. 4.5.4, а), влияние намагниченности сводится к вращению плоскости поляризации и появлению эллиптичности отражённого от поверхности магнетика линейно поляризованного света. Аналогичные поляризационые проявления характерны для меридионального магнитооптического эффекта Керра соответствующего расположению вектора намагниченности параллельно отражающей поверхности магнетика и плоскости падения светового пучка (рис. 4.5.4, б). Если плоскость поляризации падающего линейно поляризованного света составляет некоторый угол с плоскостью падения (отличный от 0° и 90°), то оба эффекта проявляются также в линейных по намагниченности изменениях интенсивности отражённого света. Общим для полярного и меридионального эффектов является наличие не равной нулю проекции волнового вектора k световой волны на направление намагниченности среды j. Это обстоятельство определяет феноменологическое сходство полярного и меридионального эффекта Керра с эффектом Фарадея, наблюдающимся при прохождении света через намагниченную среду вдоль направления намагниченности, и позволяет отнести их к продольным магнитооптическим эффектам.

Рис. 4.5.4. Магнитооптический эффект Керра: а - полярный, б - меридиональный, в - экваториальный; j - вектор намагниченности, k - волновой вектор.

Экваториальный магнитооптический эффект Керра наблюдается при расположении вектора намагниченности перпендикулярно плоскости падения и параллельно плоскости отражения (рис. 4.5.4, в); проявляется в изменении интенсивности и фазового сдвига линейно поляризованного света, отражённого намагниченной средой. Отсутствие проекции волнового вектора на направление намагниченности среды объединяет экваториальный эффект Керра с другим поперечным магнитооптическим эффектом, наблюдающимся при прохождении света через намагниченную среду в направлении, перпендикулярном намагниченности - эффектом Коттона - Мутона. Однако, в отличие от квадратичного эффекта Коттона - Мутона, экваториальный эффект Керра является линейным по фазовым и амплитудным изменениям в отражённом свете в зависимости от намагниченности. Это позволяет использовать экваториально намагниченные зеркала в качестве невзаимных элементов оптич. устройств.

При изменении направления вектора намагниченности от поперечного (экваториального) к продольному (меридиональному) наблюдается также т. н. ориентационный магнитооптический эффект, квадратичный по намагниченности, регистрируемый по изменению интенсивности отражённого света.

Этот эффект применяется при исследовании свойств и структуры магнитных кристаллов в отражательной геометрии. Магнитооптический эффект Керра тесно связан с другими эффектами магнитооптики и в общем виде может быть интерпретирован как результат воздействия магнитного поля на диэлектрические и магнитные характеристики среды на оптических частотах. В простейшем случае изотропной среды (или кубического кристалла), помещённой в постоянном магнитном поле, эти свойства описываются антисимметричными тензорами диэлектрической ε_ik и магнитной μ_ik проницаемости:

 

(4.5.6)

 

-где комплексные магнитооптические параметры М и М’ пропорциональны намагниченности среды и ответственны за её гиротропные свойства. В зависимости от того, каким из магнитооптических параметров (М или М’) обусловлена гиротропия среды; среда называется соответственно гироэлектрической или гиромагнитной. При отличии от нуля обоих магнитооптических параметров среду называют бигиротропной. В продольных геометриях эффекта Керра параметры М и М’ входят в величину эффекта аддитивно, что не позволяет с их помощью отличить гироэлектрическую среду от гиромагнитной. Разделение вкладов параметров М и М’ в гиротропию среды возможно при использовании поперечного (экваториального) эффекта Керра.

Достаточно полно феноменологически магнитооптический эффект Керра можно описать на основе классических уравнений Максвелла с учётом комплексного показателя преломления среды, характеризуемой приведёнными выше тензорами. Идентификация микроскопических механизмов, объясняющих влияние намагниченности среды на её оптические свойства, требует привлечения строгого квантово-механического подхода, учитывающего воздействие поля на энергетическую структуру и волновые функции зонных и локализованных электронных состояний магнетика.

Магнитооптический эффект Керра широко применяется при исследованиях электронной структуры ферромагнитных металлов и сплавов, доменной структуры ферромагнетиков, а также при изучении структуры поверхностного слоя полированного металла. Зависимость величины эффекта Керра от оптических характеристик прилегающей к поверхности магнетика среды позволяет во многих случаях существенно повысить величину эффекта и контраст наблюдаемой картины нанесением на исследуемую поверхность тонкого слоя прозрачного диэлектрика.

Эффект Зеемана.

Зеемана эффект, расщепление уровней энергии и спектральных линий атома и других систем в магнитном поле. Под действием магнитного поля уровни энергии расщепляются на зеемановские подуровни; при переходах между подуровнями уровней ei и ek вместо одной спектральной линии появляется несколько поляризованных компонент. Для одиночных спектральных линий в направлении, перпендикулярном направлению напряженности магнитного поля Н, наблюдается зеемановский триплет - несмещенная относительно первичной линии p-компонента, поляризованная в направлении Н, и две симметричные относительно нее s-компоненты, поляризованные перпендикулярно Н (простой, или нормальный, Зеемана эффект, рис. 4.5.5).

Рис. 4.5.5 . а - без поля (n0 - частота, соответствующая исследуемой неполяризованной спектральной линии);

b - зеемановский триплет (направление наблюдения перпендикулярно полю);

c - s- компоненты (при наблюдении вдоль поля).

Стрелками показано направление поляризации n1 и n2 - частоты s-компонент.

 

 

Зеемана эффект применяется в спектроскопии и в устройствах квантовой электроники, в частности, для измерения напряженностей слабых магнитных полей в лабораторных условиях и в космосе.