Фарадея эффект.

 

Эффект Фарадея является представителем обширного класса маг-

нитооптических явлений, возникающих в кристалле при наложении

внешнего магнитного поля, которые могут быть условно разделены на две

группы. Первая группа связана с расщеплением локальных энергетиче-

ских уровней экситонов, примесей и др. К этой группе относятся явле-

ния: Зеемана (расщепление линий поглощения и их поляризация), Фох-

та Коттона-Мутона (двулучепреломление вблизи линии поглощения), Маккалюзо —

Корбино (вращение плоскости поляризации вблизи линии поглощения).

Важнейший представитель данной группы — эффект Зеемана широко

Один из множества эффектов в магнитооптике.

Вращение плоскости поляризации света и других излучений, распространяющихся в веществе вдоль силовых линий постоянного магнитного поля, проходящих через это вещество. Фарадей 1845г. Второй эффект из ряда однотипных это двойное лучепреломление на кристалле или веществе в магнитном поле Коттона-Мутона эффект.  то есть параллельно полю две линии это Фарадея, а перпендикулярно и поле посильнее это Коттона-Мутона. Третий эффект это множественное расщепление линий в перпендикулярном лучу сильном  магнитном поле см. . Зеемана эффект.doc

 

 

Намагниченное вещество в общем случае уже нельзя охарактеризовать единым показателем преломления. Волновое объяснение этого эффекта приводит к принятию формального  постулата о расщеплении волны на две составляющие?  : правую и левую поляризованную по кругу волны. Они, дескать, распространяются в среде априори с разными фазовыми скоростями и приобретают разность хода, линейно зависимую от оптической длины пути. В результате плоскость поляризации монохроматического света поворачивается на угол  ф=pl(n+-n-)/l    l= длина пути луча в веществе.

Разность n+-n-, в области слабых полей линейно зависит от напряженности

ф=VHl

 

V  - коэфф, зависящий от вещества, длины волны и температуры - Верде постоянная

Эффект, считает официальная наука, может быть объяснен только на основе строгого квантового механического подхода. Этот подход, одновременно заявляя о постоянстве скорости света любой частоты в вакууме, допускает, что в веществе скорость света различных частот различна. При этом и вакуум, и скорость света считаются абсолютными понятиями. То есть вакуум, неизвестно какой степени разряжения. Просто вакуум. Так вот квантовая механика заявляет, что в веществе, грубо говоря, различие в скоростях распространения право и лево поляризованных по кругу волн вызывает неадекватное расщепление света на подуровни

Многократное прохождение света через среду в магнитном поле приводит к возрастанию угла поворота плоскости поляризации в соответствующее число раз.

А что как свет завинчивается просто на кристалле.

Циркуляторы гираторы фазовращатели

Если линейно-поляризованный свет проходит через  вещество  помещенное в магнитное поле,  вектор напряженности которого совпадает с напряжением распространения света, то  плоскость поляризации света поворачивается на некоторый угол.  Этот угол пропорционален длине пути света  в  веществе и напряженности поля, и обратно пропорционален квадрату длины волны.  Зависит он от свойств вещества.  Так,  он сильно изменяется вблизи линий поглощения данного вещества.  Особенно сильный эффект наблюдается в тонких прозрачных пленках железа, никеля и  кобальта.  При прохождении света в прямом и обратном направлении углы поворота вследствии эффекта Фарадея  не  компенсируются, а  суммируются, в отличии от естественного вращения поляризации в некоторых веществах.  Диамагнетики в магнитном поле   всегда  обнаруживают  положительное  вращение (т.е. вращение по часовой стрелке,  если смотреть по направлению поля), пара и ферромагнетики - отрицательные.

    А.с. 491 916:  Позиционно-чувствительный датчик с магнитооптической модуляцией,  содержащий поляризатор,  анализатор  и ячейку Фарадея,  отличающийся тем, что с целью повышения чувствительности, магнитооптический  активный элемент ячейки Фарадея выполнен из составных двух частей,  например, призм с противоположным по  знаку  постоянными  Верде,   расположенных  в

симметрично относительно оптической оси системы.

    Природа эффекта  объясняется различным влиянием магнитного поля на скорость распространения в веществе  право циркулярно  и лево циркулярно поляризованных световых волн, в результате чего между ними накапливается разность фаз,  приводящая при их сложении к возникновению волн с повернутой плоскостью поляризации.

    Как обычно,  возможные применения вытекают  из  физической сущности эффекта; управление  поворотом плоскости поляризации с помощью магнитного поля или же измерение  магнитных  полей  по углу поворота плоскости поляризации.

    А.с. 412 698:  Оптический квантовый генератор,  содержащий задающий генератор,  оптический квантовый усилитель и  установленные между ними согласующее устройство, отличающееся тем, что с целью улучшения однородности пучка без уменьшения  его  мощности, согласующее   устройство выполнено в виде расположенного между двумя поляризаторами элемента,  обладающего измеряющейся

по радиусу вращательной способностью.

    2. Устройство  по  п.1,  отличающееся тем,  что в качестве названного элемента использован вращатель Фарадея, выполненный в виде цилиндра  из свинцового стекла установленного в соленоиде.

    А.с. 479 147:  Устройство магнитооптического воспроизведения информации   с  магнитного  носителя,  содержащее источник плоскополяризованного света,  анализатор,  фотоприемник и магнитную головку,  отличающееся тем, что с целью повышения чувствительности, его магнитная головка снабжена магнитооптическим

Кристаллом, установленным  на участке заднего зазора,  расположенным на одной линии между  источником  плоскополяризованного света и анализатором пучка этого света.

    Часто эффект  Фарадея  используют  для создания невзаимных элементов т.е.  устройств, пропускающих излучение только в определенном направлении.

    Оптический вентиль состоит из двух поляризаторов, скрещенных под углом 45 градусов и элемента Фарадея, помещенного между ними.  Элемент рассчитан так, что вращая плоскость поляризации света на  45  градусов,   и  свет  проходит  через  второй поляризатор. Луч,   идущий в обратном направлении, вращается в ту же сторону, что и прямой луч и оказывается повернутым на 90 градусов относительно  первого поляризатора,  и значит не пропускается им.  В частности такие вентили используют в лазерах бегущей волны и  в оптических усилителях.

    В СВЧ-технике для создания вентилей, фазовращателей и циркуляторов широко используют эффект Фарадея на ферритах,  которые практически прозрачны для электромагнитных волн этого диапазона (дици-санти и миллиметровые радиоволны).

    Существует и так называемый обратный эффект  Фарадея - возникновение в среде магнитного поля под действием мощного циркулярнополяризованного света,  вызывающего циркулярное движение электронов.

    Частным случаем эффекта Фарадея является  магнитооптический эффект Керра - при отражении под любым углом, в том числе и по нормали к поверхности, линейнополяризованного света от намагниченного  ферромагнетика возникает эллиптически поляризованный свет.  Фактически,  магнитооптический эффект Керра  - это вращение   плоскости  поляризации части излучения в тонком поверхностном слое ферромагнетика в магнитном поле.

    Магнитооптическая установка для автоматической записи магнитных характеристик  ферромагнетика,  в которой использование магнитооптического эффекта Керра позволяет снимать кривые  намагничивания и   гистерезиса на участках поверхности размером 1

мк2.    

  При  распространении  света в веществе перпендикулярно магнитному полю возникает двойное лучепреломление, величина которого пропорциональна квадрату напряженности магнитного поля. (эффект Коттона-Муттона).

    Наложение сильного магнитного поля ориентирует  хаотически расположенные молекулы   (если последние имеют постоянный магнитный момент),  что и приводит к оптической анизотропии. Этот эффект много слабее,  чем электрооптических эффект Керра,  а в технике применяется редко.

    Механизм всех магнитооптических явлений тесно связан с механизмом прямого и обращенного эффекта Зеемана.

     В заключении  отметим,  что механизм эффекта Фарадея,  по

сути дела,  обусловлен обращенным эффектом Зеемана. Им же обь-

сняется избирательное  поглощение радиоволн парамагнитными те-

лами, помещенными  в магнитное поле (см. "Электронный парамаг-

нитный резонанс") 

  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.

 

     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   поворота анализатора до восстановления полного  гашения света при включенном магнитном поле.

     Интенсивность прошедшего пучка определяется законом Малюса

 

                  

 

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

                   

где   - напряженность магнитного поля,   - длина образца, полностью находящегося в поле и  - 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   для  правого  вращения /по часовой стрелке/ и   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  и отклонение  от  него    . Тогда получим колебание с комплексной амплитудой

 

          

 

 что соответствует вектору , направленному под углом  к оси X. Этот угол и есть угол поворота плоскости поляризации при циркулярном двупреломлении, равный

 

                   

 

  3. Вычисление разности показателей преломления.

  Из теории электричества известно, что система зарядов  в  магнитном поле вращается с угловой скоростью

 

                  

 

 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  в луче и Ларморовского вращения совпадают,  то для среды существенна относительная угловая скорость  ,  а если эти вращения имеют разные направления, то относительная угловая скорость равна  .

    Но среда обладает дисперсией и  мы видим, что

 

                   

 

     Отсюда получаем формулу для угла поворота плоскости  поляризации

 

                    

 

 и для постоянной Верде

 

                       

 

        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.

   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  друг к другу. Магнитное поле создается постоянным магнитом и подбирается так,  чтобы поворот плоскости поляризации стеклом составлял   .  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  ,  вносящих  разность фаз   и  . 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 ,  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   эффект Фарадея  описывается    более   сложными  закономерностями.  В  уравнении движения осциллирующего электрона  не-

обходимо учитывать затухание                                                                 

                  

    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   вправо для волны с положительным направлением вращения вектора  и на  влево - для волны с противоположным направлением вращения .

    На  рисунке 3  штриховыми линиями    показаны     графики функций   и  ,  а  их   разность       -   сплошной линией.  Видно,  что  в  окрестности   дважды    изменяется знак эффекта Фарадея: в интервале частот   вблизи  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  существенно поглощение света, причем при данном значении  коэффициенты затухания 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.

 

http://ru.wikipedia.org/wiki/%DD%F4%F4%E5%EA%F2_%D4%E0%F0%E0%E4%E5%FF