X Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2018

Магнитооптика - раздел оптики, изучающий явления, возникающие в результате взаимодействия оптического излучения с веществом, находящимся в магнитном поле. Наличие магнитного поля не только изменяет дисперсионные кривые коэффициент поглощения и показателя преломления, но и приводит к появлению или изменению оптической анизотропии среды. Большинство магнитооптических эффектов является прямым или косвенным следствием расщепления уровней энергии системы (снятия вырождения) во внешнем магнитном поле. Непосредственно это расщепление проявляется в эффекте Зеемана - расщеплении в магнитном поле спектральных линий оптических переходов. Все другие магнитооптические эффекты являются следствием эффекта Зеемана и связаны с особенностями поляризации оптических переходов и с закономерностями распространения света в среде, обладающей дисперсией [1-2].

Явление вращения плоскости поляризации линейно поляризованного света, проходящего через продольно намагниченную среду, широко используется для исследования физических свойств веществ (эффект Фарадея) обусловлен круговым двупреломлением, что вызывает поворот плоскостиполяризации и появление эллиптичности линейно поляризованного света [1]. В магнитоактивном кристалле угол поворота плоскости поляризации пропорционален намагниченности вещества  и длине пути светаl в исследуемом образце:

, (1)

 - константа Верде для оптических материалов.

При прохождении через среду вдоль магнитного поля право поляризованные и лево поляризованные составляющие линейно поляризованного излучения распространяются с разными фазовыми скоростями, приобретая разность хода, линейно зависящую от оптической длины пути. В результате плоскость поляризации линейно поляризованного монохроматического света с длиной волны , прошедшего через путь, поворачивается на угол:

Для малых магнитных полей разность показателей преломления линейно зависит от напряжённости поля и угол фарадеевского вращения при этом равен, где V – постоянная Верде [1-3].

Эффект Коттона-Мутона - один из эффектов магнитооптики, заключающийся в возникновении линейного двойного лучепреломления в среде, помещённой во внешнем магнитном поле, при распространении света перпендикулярно полю.

Эффект Керра, или магнитооптический эффект Керра — магнитооптический эффект, заключающийся в том, что при отражении линейно поляризованного света от поверхности намагниченного материала наблюдается вращение плоскости поляризации света, а свет становится эллиптически поляризован [4,5].

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.

Магнитный круговой дихроизм - один из эффектов магнитооптики, заключающийся в различном поглощении света, поляризованного по правому и левому кругу, при его распространении вдоль направления намагниченности среды [6,7].

Фотонные кристаллы (ФК) представляют собой структуры, характеризующиеся периодическим изменением диэлектрической или магнитной проницаемости в пространстве. Оптические свойства ФК сильно отличаются от оптических свойств сплошных сред. Распространение излучения внутри фотонного кристалла благодаря периодичности среды становится похожим на движение электрона внутри обычного кристалла под действием периодического потенциала. В результате электромагнитные волны в фотонных кристаллах имеют зонный спектр и координатную зависимость, аналогичную блоховским волнам электронов в обычных кристаллах. При определенных условиях в зонной структуре ФК образуются щели, аналогично запрещенным электронным зонам в естественных кристаллах [8-10].

Рис.1. Схематическая структура ФК

Фотонные кристаллы, включающие в себя чередующиеся слои, сделанные из разных материалов, являются одномерными (рис.2а). Двумерные фотонные кристаллы могут иметь более разнообразные геометрии. К ним относятся массивы бесконечных по длине цилиндров или периодические системы цилиндрических отверстий (рис.2 б). Структуры трехмерных фотонных кристаллов весьма разнообразны. Наиболее распространенными являются искусственные опалы - упорядоченные системы сферических рассеивателей (рис.2 в)

а	б	в

Рис.2. Фотонные кристаллы

Различают два основных типа опалов: прямые и обратные. Переход от прямого опала к обратному опалу осуществляется заменой всех сферических элементов полостями (как правило, воздушными), в то время как пространство между этими полостями заполняется каким–либо материалом. Существует инверсный опал, синтезированный в результате многостадийного химического процесса: самосборки полимерных сферических частиц, пропитки пустот полученного материала веществом и удалением полимерной матрицы путем химического травления. Еще одним типом трехмерных ФК являются структуры типа «поленница» (logpiles), образованные скрещенными, как правило, под прямым углом прямоугольными параллелепипедами [8].

Интерес к созданию микроструктур с запрещенной фотонной зоной — фотонных кристаллов и микрорезонаторов на основе кремния — обусловлен возможностью управлять оптическим откликом кремния, контролируемо усиливать в определенном спектральном диапазоне сечения фотолюминесценции, а также увеличивать эффективность нелинейно-оптического отклика кремния. Прикладной интерес к фотонным кристаллам на основе кремния связан с перспективой изготовления на их основе устройств современной фотоники и оптоэлектроники — оптических транзисторов, переключателей, мультиплексоров и т.д. Периодическое изменение параметров травления — плотности тока и времени травления каждого слоя кремния — позволяет получать одномерные фотонные кристаллы и микрорезонаторы со спектральными положениями фотонной запрещенной зоны и разрешенной моды, определяемыми оптическими толщинами слоев [9]. Спектры коэффициентов отражения одномерных фотонных кристаллов и микрорезонаторов на основе анизотропного мезопористого кремния демонстрируют наличие фотонной запрещенной зоны и разрешенной микрорезонаторной моды, перестраиваемых по длине волны при повороте образца вокруг нормали [9].

Магнитооптические эффекты широко стали использоваться в средствах телекоммуникаций и стремительно развиваются. Они используются в устройствах записи и хранения информации, в системах управления лазерным излучением (для создания дефлекторов, оптических затворов, для модуляции света и др.), при создании прецизионных магнитометров, при конструировании невзаимных оптических элементов, лазерных гироскопов, элементов интегральной оптики и др. Опираясь на законы, связанные с магнитооптическими эффектами, появилась возможность создавать и усовершенствовать устройства хранения и передачи информации.

Список литературы

Магнитооптические эффекты. http://www.unn.ru/books/met_files/Magnetooptics.pdf

Магнитооптика. http://www.femto.com.ua/articles/part_1/2106.html

Эффект Фарадея. http://www.femto.com.ua/articles/part_2/4283.html

Магнитооптический эффектКерра. http://ru-wiki.org/wiki/

Эффект Коттона-Мутона. https://bigenc.ru/physics/text/2104020

Магнитофотонные кристаллы и микрорезонаторы. S.V. Lazarenkoetal., JAP 93, 7903 (2003): http://www.eks.fel.mirea.ru/PhCMIndex/PhysCMStudy/ Notification/OptNanoSt/ OofN_L07_1.pdf

Магнитный круговой дихроизм. http://bourabai.ru/physics/2087.html

Фотонные кристаллы. http://fdtd.kintechlab.com/ru/pc

Анизотропные фотонные кристаллы и микрорезонаторы на основе мезопористого кремния. http://journals.ioffe.ru/articles/viewPDF/3704

https://en.wikipedia.org/wiki/Voigt_effect

Код для цитирования: Скопировать