Магнитооптический эффект

Магнитооптический эффект — это любое из ряда явлений, при которых электромагнитная волна распространяется через среду, измененную присутствием квазистатического магнитного поля . В такой среде, которую еще называют гиротропной или гиромагнитной , лево- и правовращающиеся эллиптические поляризации могут распространяться с разными скоростями, что приводит к ряду важных явлений. Когда свет проходит через слой магнитооптического материала, результат называется эффектом Фарадея : плоскость поляризации может вращаться, образуя ротатор Фарадея . Результаты отражения от магнитооптического материала известны как магнитооптический эффект Керра (не путать с нелинейным эффектом Керра ).

В общем, магнитооптические эффекты локально нарушают симметрию обращения времени (т.е. когда рассматривается только распространение света, а не источник магнитного поля), а также взаимность Лоренца , которая является необходимым условием для создания таких устройств, как оптические устройства. изоляторы (через которые свет проходит в одном направлении, но не в другом).

Два гиротропных материала с обратными направлениями вращения двух главных поляризаций, соответствующие комплексно-сопряженным ε-тензорам для сред без потерь, называются оптическими изомерами .

Гиротропная диэлектрическая проницаемость

В частности, в магнитооптическом материале наличие магнитного поля (либо внешнего, либо потому, что материал сам является ферромагнитным ) может вызвать изменение тензора диэлектрической проницаемости ε материала. ε становится анизотропной, представляющей собой матрицу 3×3 со сложными недиагональными компонентами, в зависимости от частоты ω падающего света. Если потерями на поглощение можно пренебречь, ε является эрмитовой матрицей . Получающиеся в результате главные оси также становятся сложными, что соответствует эллиптически поляризованному свету, в котором левая и правая поляризации могут перемещаться с разными скоростями (аналог двойного лучепреломления ).

Более конкретно, для случая, когда потерями на поглощение можно пренебречь, наиболее общая форма эрмитова ε имеет вид:

\varepsilon ={\begin{pmatrix}\varepsilon _{xx}'&\varepsilon _{xy}'+ig_{z}&\varepsilon _{xz}'-ig_{y}\\\varepsilon _{xy}'-ig_{z}&\varepsilon _{yy}'&\varepsilon _{yz}'+ig_{x}\\\varepsilon _{xz}'+ig_{y}&\varepsilon _{yz}'-ig_{x}&\varepsilon _{zz}'\\\end{pmatrix}}

или, что эквивалентно, связь между полем смещения D и электрическим полем E равна:

\mathbf {D} =\varepsilon \mathbf {E} =\varepsilon '\mathbf {E} +i\mathbf {E} \times \mathbf {g}

где $\varepsilon '$ является вещественной симметричной матрицей и $\mathbf {g} =(g_{x},g_{y},g_{z})$ — это реальный псевдовектор , называемый вектором вращения , величина которого обычно мала по сравнению с собственными значениями $\varepsilon '$ . Направление g называется осью вращения материала. В первом порядке g пропорционален приложенному магнитному полю :

\mathbf {g} =\varepsilon _{0}\chi ^{(m)}\mathbf {H}

где $\chi ^{(m)}\!$ — магнитооптическая восприимчивость ( скаляр в изотропных средах, но в более общем случае тензор ). Если сама эта восприимчивость зависит от электрического поля, то можно получить нелинейно-оптический эффект магнитооптической параметрической генерации (в некоторой степени аналогичный эффекту Поккельса , сила которого контролируется приложенным магнитным полем).

Самый простой случай для анализа — это тот, в котором g является главной осью (собственным вектором) $\varepsilon '$ , а два других собственных значения $\varepsilon '$ идентичны. Затем, если для простоты положить g в направлении z , тензор ε упростится до вида:

\varepsilon ={\begin{pmatrix}\varepsilon _{1}&+ig_{z}&0\\-ig_{z}&\varepsilon _{1}&0\\0&0&\varepsilon _{2}\\\end{pmatrix}}

Чаще всего рассматривают свет, распространяющийся в направлении z (параллельно g ). В этом случае решения представляют собой эллиптически поляризованные электромагнитные волны с фазовыми скоростями $1/{\sqrt {\mu (\varepsilon _{1}\pm g_{z})}}$ (где ц — магнитная проницаемость ). Эта разница в фазовых скоростях приводит к эффекту Фарадея.

Для света, распространяющегося чисто перпендикулярно оси вращения, эти свойства известны как эффект Коттона-Мутона и используются для циркулятора .

Вращение Керра и эллиптичность Керра

Вращение Керра и эллиптичность Керра — это изменения поляризации падающего света, который вступает в контакт с гиромагнитным материалом. Вращение Керра — это вращение в плоскости поляризации прошедшего света, а эллиптичность Керра — это отношение большой и малой осей эллипса, описываемого эллиптически поляризованным светом в плоскости, через которую он распространяется. Изменения в ориентации поляризованного падающего света можно оценить количественно, используя эти два свойства.

Согласно классической физике, скорость света зависит от диэлектрической проницаемости материала:

$v_{p}={\frac {1}{\sqrt {\epsilon \mu }}}$

где $v_{p}$ - скорость света через материал, $\epsilon$ - диэлектрическая проницаемость материала, и $\mu$ это проницаемость материала. Поскольку диэлектрическая проницаемость анизотропна, поляризованный свет разной ориентации будет распространяться с разной скоростью.

Это можно лучше понять, если мы рассмотрим волну света с круговой поляризацией (видно справа). Если эта волна взаимодействует с материалом, в котором горизонтальная составляющая (зеленая синусоида) движется со скоростью, отличной от скорости вертикальной составляющей (синяя синусоида), эти два компонента выпадают из разности фаз 90 градусов (необходимой для круговой поляризации), изменяя Эллиптичность Керра.

Изменение вращения Керра легче всего распознать в линейно поляризованном свете, который можно разделить на два компонента с круговой поляризацией : свет с левосторонней круговой поляризацией (LHCP) и свет с правосторонней круговой поляризацией (RHCP). Анизотропия диэлектрической проницаемости магнитооптического материала вызывает разницу в скорости света LHCP и RHCP, что приведет к изменению угла поляризации света. Материалы, обладающие этим свойством, известны как двойное лучепреломление .

Из этого вращения мы можем вычислить разницу в ортогональных компонентах скорости, найти анизотропную диэлектрическую проницаемость, найти вектор вращения и вычислить приложенное магнитное поле. ^{[ 1 ]} $\mathbf {H}$ .

См. также

Ссылки

^ Гарсия-Мерино, JA (2016). «Магнитопроводимость и магнитоуправляемое нелинейное оптическое пропускание в многостенных углеродных нанотрубках» . Оптика Экспресс . 24 (17): 19552–19557. Бибкод : 2016OExpr..2419552G . дои : 10.1364/OE.24.019552 . ПМИД 27557232 .

Федеральный стандарт 1037C и MIL-STD-188.
Лев Давидович Ландау; Евгений Михайлович Лифшиц (1960). Электродинамика сплошных сред . Пергамон Пресс. п. 82. ИСБН 9780080091051 . Проверено 3 июня 2012 г.
Джексон, Джон Дэвид (1998). Классическая электродинамика (3-е изд.). Нью-Йорк: Уайли. стр. 6–10. ISBN 978-0471309321 .
Йонссон, Фредрик; Флитцанис, Христос (1 ноября 1999 г.). «Оптическая параметрическая генерация и фазовый синхронизм в магнитооптических средах». Оптические письма . 24 (21): 1514–1516. Бибкод : 1999OptL...24.1514J . дои : 10.1364/OL.24.001514 . ПМИД 18079850 .
Першан, П.С. (1 января 1967 г.). «Магнитооптические эффекты». Журнал прикладной физики . 38 (3): 1482–1490. Бибкод : 1967JAP....38.1482P . дои : 10.1063/1.1709678 .
Фрейзер, М. (1 июня 1968 г.). «Обзор магнитооптических эффектов». Транзакции IEEE по магнетизму . 4 (2): 152–161. Бибкод : 1968ITM.....4..152F . дои : 10.1109/TMAG.1968.1066210 .
Широкополосная магнитооптическая спектроскопия

В этой статье использованы общедоступные материалы из Федеральный стандарт 1037C . Управление общего обслуживания . Архивировано из оригинала 22 января 2022 г.

[1] Гарсия-Мерино, JA (2016). «Магнитопроводимость и магнитоуправляемое нелинейное оптическое пропускание в многостенных углеродных нанотрубках» . Оптика Экспресс . 24 (17): 19552–19557. Бибкод : 2016OExpr..2419552G . дои : 10.1364/OE.24.019552 . ПМИД 27557232 .

[ 1 ]