Поздовжній ефект Фарадея

Поздовжній магнитооптический ефект Фарадея.

1. Основні властивості ефекту.

Поздовжній магнитооптический ефект полягає в повороті площини поляризації променя світла, що проходить через прозоре середовище, що знаходиться в магнітному полі. Цей ефект був відкритий в 1846 році. Відкриття магнитооптического ефекту довгий час мала значення в чисто фізичному аспекті, але за останні десятиліття воно дало багато практичних виходів. Також були відкриті інші магнітооптичні ефекти, зокрема, добре відомий ефект Зеемана і ефект Керра, що виявляється в повороті площини поляризації променя, відбитого від намагніченої середовища. наш інтерес до ефектів Фарадея і Керра обумовлений їх застосуванням у фізиці, оптиці та електроніці. До них відносяться:

- Визначення ефективної маси носіїв заряду або їх щільності в напівпровідниках;

- Амплітудна модуляція лазерного випромінювання для оптичних ліній зв'язку і визначення часу життя нерівноважних носіїв заряду в напівпровідниках;

- Виготовлення оптичних невзаємних елементів;

- Візуалізація доменів у феромагнітних плівках;

- Магнітооптична запис і відтворення інформації як у спеціальних, так і побутових цілях.

Принципова схема пристрою для спостереження і багатьох застосувань ефекту Фарадея показана на рис. 1. Схема складається з джерела світла, поляризатора, аналізатора і фотоприймача. Між поляризатором і аналізатором поміщається досліджуваний зразок. Кут повороту площини поляризації відраховується за кутку повороту аналізатора до відновлення повного гасіння світла під час використання магнітному полі.

Інтенсивність минулого пучка визначається законом Малюса

На цьому заснована можливість використання ефекту Фарадея для модуляції пучків світла. Основний закон, що випливає з вимірів кута повороту площини поляризації , Виражається формулою

де - Напруженість магнітного поля, - Довжина зразка, повністю знаходиться у полі і - Постійна Верде, яка містить в собі інформацію про властивості, властивих досліджуваного зразка, та може бути виражена через мікроскопічні параметри середовища.

Основна особливість магнитооптического ефекту Фарадея полягає в його невзаємність, тобто порушення принципу оборотності світлового пучка. Досвід показує, що зміна напрямку світлового пучка на зворотне / на шляху "назад" / дає такий же кут повороту і в ту ж сторону, як на шляху "вперед". Тому при багаторазовому проходженні пучка між поляризатором і аналізатором ефект накопичується. Зміна напрямку магнітного поля, навпаки, змінює напрямок обертання на зворотне. Ці властивості об'єднуються в понятті "гіротропним середовище".

2. Пояснення ефекту циркулярним магнітним двозаломлення.

Згідно Френелю, поворот площини поляризації є наслідком циркулярного двопроменезаломлення. Циркулярна поляризація виражається функціями для правого обертання / за годинниковою стрілкою / і для обертання проти годинникової стрілки. Лінійна поляризація може розглядатися як результат суперпозиції хвиль з циркулярною поляризацією з протилежним напрямком обертання. Нехай показники заломлення для правої і лівої циркулярної поляризації неоднакові. Введемо середній показник заломлення і відхилення від нього . Тоді отримаємо коливання з комплексною амплітудою

що відповідає вектору , Спрямованому під кутом до осі X. Цей кут і є кут повороту площини поляризації при циркулярному двозаломлення, рівний

3. Обчислення різниці показників заломлення.

З теорії електрики відомо, що система зарядів в магнітному полі обертається з кутовою швидкістю

яка називається швидкістю прецесії Лармора.

Уявімо собі що ми дивимося назустріч циркулярно поляризованому променю, що йде через середовище, що обертається з частотою

Лармора; якщо напрямку обертання вектора в промені і ларморівського обертання збігаються, то для середовища істотна відносна кутова швидкість , А якщо ці обертання мають різні напрямки, то відносна кутова швидкість дорівнює .

Але середовище має дисперсією і ми бачимо, що

Звідси отримуємо формулу для кута повороту площини поляризації

і для постійної Верде

4. Практичні застосування ефекту Фарадея.

Ефект Фарадея придбав велике значення для фізики напівпровідників при вимірах ефективної маси носіїв заряду. Ефект Фарадея дуже корисний при дослідженнях ступеня однорідності напівпровідникових пластин, що мають на меті відбраковування дефектних пластин. Для цього проводиться сканування по пластині вузьким променем-зондом від інфрачервоного лазера. Ті місця пластини, в яких показник заломлення, а отже, і щільність носіїв заряду, відхиляються від заданих, будуть виявлятися за сигналами фотоприймача, реєструючого потужність пройшов через пластину випромінювання.

Розглянемо тепер амплітудні та фазові невзаємні елементи / АНЕ і ФНЕ / на основі ефекту Фарадея. У найпростішому випадку оптика АНЕ складається з пластинки спеціального магнитооптического скла, що містить рідкоземельні елементи, і двох плівкових поляризаторів / поляроїдів /. Площини пропускання поляризаторів орієнтовані під кутом один до одного. Магнітне поле створюється постійним магнітом і підбирається так, щоб поворот площини поляризації склом становив . Тоді на шляху "вперед" вся система буде прозорою, а на шляху "назад" непрозорою, тобто вона набуває властивостей оптичного вентиля. ФНЕ призначений для створення регульованої різниці фаз двох лінійно поляризованих зустрічних хвиль. ФНЕ знайшов застосування в оптичній гірометра. Він складається з пластинки магнитооптического скла і двох платівок , Що вносять різницю фаз і . Магнітне поле, як і в АНЕ створюється постійним магнітом. На шляху "вперед" лінійно поляризована хвиля, що пройшла платівку перетвориться в циркулярно поляризованої з правим обертанням, потім проходить магнітооптичні платівку з відповідною швидкістю і далі через другу платівку , Після чого лінійна поляризація відновлюється. На шляху "назад" виходить ліва поляризація і ця хвиля проходить магнітооптичні платівку зі швидкістю, що відрізняється від швидкості правою хвилі, і далі перетворюється на лінійно поляризованої. Ввівши ФНЕ в кільцевій лазер, ми забезпечуємо різниця часів обходу контуру зустрічними хвилями і витікаючу звідси різниця їх довжин хвиль.

У безпосередній близькості до власної частоти осцілля-

торів ефект Фарадея описується більш складними закономірностями. У рівнянні руху осцилює електрона не-

необхідно враховувати загасання

Необхідно відзначити, що для циркулярно поляризованих хвиль, що поширюються вздовж магнітного поля, дисперсійна крива і спектральний контур лінії поглинання мають для даного середовища той же вигляд, що і при відсутності магнітного поля, відрізняючись тільки зрушенням за шкалою частот на вправо для хвилі з позитивним напрямком обертання вектора і на вліво - для хвилі з протилежним напрямком обертання .

На малюнку 3 штриховими лініями показані графіки функцій і , А їх різниця - Суцільною лінією. Видно, що в околиці двічі змінюється знак ефекту Фарадея: в інтервалі частот поблизу поворот напрямку поляризації відбувається в негативну сторону, а поза цим інтервалом - до позитивного. Проте слід мати на увазі, що в даному випадку ефект не зводиться тільки до повороту напрямку поляризації падаючої хвилі. У околиці істотно поглинання світла, причому при даному значенні коефіцієнти загасання для циркулярно поляризованих складових падаючої хвилі мають різні значення (кругової дихроїзм). Тому після проходження через зразок амплітуди цих складових не рівні і при їх додаванні виходить еліптично поляризоване світло.

Важливо усвідомлювати, що в ефекті Фарадея магнітне поле впливає на стан поляризації світла лише побічно, змінюючи характеристики середовища, в якій поширюється світло. У вакуумі магнітне поле ніякого впливу на світ не надає.

Зазвичай кут повороту напрямку поляризації дуже малий, але завдяки високій чутливості експериментальних методів вимірювання стану поляризації ефект Фарадея лежить в основі досконалих оптичних методів визначення атомних констант.