Основы магнитооптики: учебное пособие

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ЯДЕРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИФИ»

Е.А. Протасов

ОСНОВЫ МАГНИТООПТИКИ Учебное пособие

Москва 2009

УДК 537.632(075) ББК 22.343я7 П 83 Протасов Е.А. Основы магнитооптики: Учебное пособие. — М.: НИЯУ МИФИ, 2009. – 120 с. Данное учебное пособие является изложением одного из разделов лекционного курса “Экспериментальные методы лазерной физики”, читаемого автором студентам, специализирующихся в области лазерной физики. Рассмотрены магнитооптические эффекты, возникающие при взаимодействии света с магнитной средой, а также физические свойства объектов, участвующих в этом взаимодействии. Представлены сведения о магнитооптических материалах и их свойствах. Большое внимание уделено научно-техническим разработкам, основанным на последних достижениях магнитооптики, в большей части с применением лазеров. Учебное пособие предназначено для студентов, обучающихся по специальности “Физика конденсированного состояния вещества”. Рецензент д-р физ.-мат. наук проф. Ионин А.А. (ФИАН) Рекомендовано к изданию редсоветом МИФИ в качестве учебного пособия ISBN 978-5-7262-1168-8

© Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ», 2009.

Редактор Шумакова Н.В. Оригинал-макет изготовлен Протасовым Д.Е. Формат 60х84 1/16 Подписано в печать 07.09.2009. Печ.л. 7,25. Уч.- изд.л. 7,25. Тираж 120 экз. Заказ № Изд. № 023-1. Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ», 115409, Москва, Каширское ш., 31. Типография НИЯУ МИФИ.

ОГЛАВЛЕНИЕ ПРЕДИСЛОВИЕ………………………………………………………5 ВВЕДЕНИЕ………………………………………………………..…..8 Глава 1. Двойное лучепреломление, поляризация света и поляризационные приборы..……………………..………………………….12 1.1. Двойное лучепреломление………………………….…………..12 1.2. Поляризованный и естественный свет…………………….…..13 1.3. Поляризационные приборы………………………….................19 1.4 .Поляризационные призмы……………………………………...24 1.5. Фазовые пластинки…..……..………………………...................29 Контрольные вопросы…………………………………………….....31 Глава 2. Магнитооптические эффекты………………………..…....32 2.1. Эффект Фарадея…………………..…………………..………....34 2.2. Схемы наблюдения эффекта Фарадея………………………....35 2.3. Эффект Коттона – Мутона ………………………..…………....37 2.4. Эффект Керра ..………………….…………………..………......38 Контрольные вопросы………………………………………….........39 Глава 3. Магнитоупорядоченные материалы……………….….......40 3.1. Регулярные доменные структуры …………………………......43 3.2. Магнитооптические материалы……………...…...…………….48 Контрольные вопросы…………………………………………….....53 Глава 4. Магнитооптические устройства……………………….....53 4.1. Модуляторы света…………………………….………................53 4.2. Дефлекторы……………………………………………...............60 4.3. Пространственная фильтрация оптических сигналов…….…..66 4.4. Запоминающие устройства на магнитооптических дисках….68 4.5. Магнитооптические ЗУ с адресацией лазерным лучом……....73 4.6. Магнитооптический коммутатор для волоконно-оптических линий связи…………..…………………………………….................75 4.7. Оптические изоляторы.................................................................77 4.8. Топографирование пространственно неоднородных магнитных полей…...……………….…………...………….…......................79

3

4.9. Магнитооптический измеритель переменных магнитных полей…………………………………….……………………............81 4.10. Магнитооптический микроскоп для визуального наблюдения сбоев микросхем……………..…….………………...........................82 4.11. Магнитооптические лазерные гироскопы…………………....83 4.12. Магнитооптическая защита ценных бумаг и документов…..86 Контрольные вопросы………………………..……………...............95 Глава 5. Устройства на основе сандвича: пленка ВТСП – магнитооптический преобразователь………………..………………..……..96 5.1 Магнитооптический анализатор качества пленок ВТСП……..96 5.2. Магнитооптический приемник тепловых изображений с чувствительным элементом из пленки ВТСП……….…...………....98 5.3. Магнитооптический датчик малых перемещений ……...…..101 5.4. Магнитооптический магнитометр………..……...…………...102 Контрольные вопросы………………………………..…………….103 Глава 6. Требования к элементам магнитооптических устройств………………...……………………………………….....104 6.1. Намагничивающие устройства………………………..…........104 6.2. Источники излучения……………...………..............................104 6.3. Фотоприемники………………………………..………..……...105 6.4. Оптические элементы…………..……………………...............106 6.5. Модуляторы…..…………………………………...…................107 Контрольные вопросы…………………………..……...………......109 Глава 7. Материалы с отрицательным коэффициентом преломления…………………………………...……………………….....109 7.1. История вопроса………………………………………….....….109 7.2. Суперлинзы…………..……………………………..……….....111 7.3. Ближайшие перспективы применения метаматериалов….....115 Список литературы……………………………………….…...118

4

ПРЕДИСЛОВИЕ Учебное пособие является изложением одного из разделов лекционного курса ―Экспериментальные методы лазерной физики‖, читаемого автором студентам, обучающимся по специализации ―Лазерная физика‖. Следует отметить, что к настоящему времени литература по магнитооптике (МО) насчитывает большое число статей и обзоров, но практически все они опубликованы в специализированных научных журналах. В нашей стране имеются лишь единичные книги, в которых изложены отдельные специальные вопросы магнитооптики, и практически отсутствует литература, в которой были бы изложены основы магнитооптики, начиная с фундаментальных вопросов и заканчивая современным состоянием прикладной магнитооптики. В настоящем учебном пособии автор пытается устранить этот пробел. Многие сведения, используемые в учебном пособии, получены в результате выполнения коллективом учебно-научной лаборатории ‖Прикладная магнитооптика― МИФИ научных исследований, проведенных в период 1995-2008 гг. Большой вклад в эти исследования внес канд.физ.-мат.наук Олег Семенович Есиков. В первой главе пособия излагаются основы физической оптики, в том числе вопросы поляризации света и его взаимодействия с магнитоупорядоченной средой. Здесь же описываются основные поляризационные приборы, используемые в магнитооптике. Вторая глава посвящена магнитооптическим эффектам. Подавляющее число магнитооптических эффектов связано с расщеплением уровней энергии атома (снятием вырождения). Спецификой магнитооптических эффектов является то, что в магнитном поле, помимо обычной линейной оптической анизотропии, появляющейся в среде под действием электрического поля или деформаций, возникает циркулярная анизотропия, связанная с неэквивалентностью двух направлений вращения в плоскости, перпендикулярной к полю. Это важное обстоятельство является следствием аксиальности магнитного поля. В этой части дается описание основных магнитооптических эффектов, на которых основана работа магни5

тооптических приборов и устройств, приведенных в 4 и 5 главах настоящего учебного пособия. В третьей главе обсуждаются свойства наиболее распространенных магнитооптических материалов. В нашу задачу не входит рассмотрение технологических способов роста эпитаксиальных монокристаллических пленок, управления их параметрами за счет выбора состава и условий последующей обработки. Это дело технологов. Нас будет интересовать природа появления анизотропии в магнитооптических материалах, типы и свойства доменной структуры. К настоящему времени магнитооптика доменов превратилась в обширное научное направление, имеющее многочисленные практические приложения. Регулярные доменные структуры представляют большой интерес не только для оптоэлектроники, но и для понимания физики магнитных явлений. Они определяют процессы перемагничивания образцов, восприимчивость, динамические свойства и т.п. Заканчивается этот раздел кратким обсуждением свойств других магнитооптических материалов, представляющих интерес для ряда задач прикладной магнитооптики, таких как ортоферриты и аморфные металлические пленки, наиболее пригодные в настоящее время для термомагнитной записи информации. Отмечаются достоинства этих материалов, а также их недостатки, связанные с наличием значительного двулучепреломления. В четвертой и пятой главах описываются МО-устройства, предназначенные для использования в различных областях науки и техники. Кроме классических применений, как-то: запоминающие устройства, модуляторы, дефлекторы, рассматриваются возможности использования магнитооптики для исследования магнитного состояния ВТСП-структур, а также для защиты ценных бумаг и документов. Обсуждение этих вопросов показывает, что магнитооптические приборы и устройства имеет ряд существенных преимуществ по сравнению с аналогами на немагнитных средах, в плане управления световым лучом (модуляции и отклонения луча), записи и хранения информации, а для визуализации магнитного поля магнитооптика предоставляет возможности уникальные. Естественно, что рамки учебного пособия не могут вместить описания всех имею6

щихся магнитооптических устройств, например, в нем не представлены магнитооптические транспаранты и дисплеи. Это связано с тем, что в учебном пособии основное внимание уделено применению магнитооптических методик и конкретных устройств в физическом эксперименте с использованием лазеров. В шестой главе сформулированы требования к отдельным элементам, входящим в магнитооптическое устройство. К ним относятся: источники излучения, фотоприемники, намагничивающие системы, модуляторы и т.п. Качество применяемых элементов и грамотное использование их возможностей во многом определяет успешную работу магнитооптического устройства в целом. Для проверки усвоения материала в конце каждой главы учебного пособия приведены контрольные вопросы. В седьмой главе описываются новейшие исследования в области материалов с отрицательным коэффициентом преломления. На наших глазах создается новое, просто фантастическое, направление в магнитооптике. Огромный интерес к этим исследованиям связан, в первую очередь, с возможностью сделать невидимым практически любой предмет. Конечно это дело будущего, но уже сейчас в области исследования материалов с отрицательным коэффициентом преломления достигнуты впечатляющие результаты. И здесь следует сказать, что у истоков этого направления стояли отечественные ученые академик Л.И. Мандельштам и профессор В. Веселаго. В заключении хочется надеяться, что кто-нибудь из нынешних студентов МИФИ, обучающихся по специализации каф.37 ―Лазерная физика‖, будут причастны к новым открытиям в этой интереснейшей области науки.

7

ВВЕДЕНИЕ Магнитооптика как самостоятельное научно-техническое направление возникла немногим более 30 лет назад. Развитие магнитооптики стимулировало открытие в начале 70-х годов прошлого столетия материалов с гигантскими уровнями магнитооптических эффектов прозрачных в видимом и ближнем ИК-диапазонах. С конца 70-х годов в различных странах стали появляться результаты научных проработок в виде конкретных промышленных устройств. Магнитооптические диски, управляемые транспаранты, быстродействующие МО-принтеры, дефлекторы, переключатели, магнитооптические преобразователи, магнитооптические лазерные гироскопы, ряд элементов интегральной оптики, а также устройства, предназначенные для оптической связи, прежде всего для волоконно-оптических линий связи (ВОЛС) – вот неполный перечень магнитооптических устройств самого разного предназначения, которые широко используются в науке и технике. Последние двадцать лет уделяется большое внимание изучению прозрачных пленок ферритов со структурой граната. Первоначально интерес к этим материалам был стимулирован перспективой создания эффективных запоминающих устройств на цилиндрических магнитных доменах и транспарантов для матричных оптических процессоров. Однако в последние годы возрос интерес к пленкам ферритгранатов с плоскостной анизотропией, когда в отсутствие внешних подмагничивающих полей вектор намагниченности лежит в плоскости пленки (или почти в плоскости). Магнитооптические пленки с анизотропией, которую более точно можно охарактеризовать как ―легкая ось в плоскости пленки‖, когда помимо плоскостной ориентации намагниченности имеет место существенная анизотропия свойств в плоскости пленки, наведенная, как правило, в процессе эпитаксиального выращивания. Такие пленки характеризуются обычно наличием трудной и легкой осей перемагничивания в плоскости слоя (ось трудного намагничивания – ОТН, ось легкого намагничивания – ОЛН), а также необходимостью приложения больших, порядка 103 Э, полей для намагничивания пленки в направлении, перпендикулярном к плоскости. 8

Еще с середины 70-х годов была отмечена перспективность использования плоскостных пленок для создания интегральномагнитооптических модуляторов света. Позже было обосновано их применение в невзаимных интегральных устройствах. Решающим преимуществом перед одноосными феррит-гранатами оказалось то, что для управления структурой намагниченности и даже для полного перемагничивания пленок с плоскостной анизотропией требуются чрезвычайно малые магнитные поля. С конца 80-х годов магнитооптическая технология стала использоваться для хранения данных. В настоящее время на рынке появилось большое число магнитооптических дисков с объемом хранимой информации 2,3 GB (на диске 3,5″) и до 9,1 GB (на диске 5,25″). К сожалению, главным фактором, сдерживающим более широкое распространение подобных устройств, является невысокая скорость записи, обусловленная спецификой используемой технологии. Однако этот недостаток компенсируется высочайшей степенью надежности хранения данных. Безусловно, на сегодняшний день магнитооптика является самым надежным способом хранения и транспортировки информации. Магнитооптика совмещает лучшие стороны магнитной и оптической технологии, которые позволяют совместить длительность хранения информации с высокой плотностью записи. Магнитооптические носители выдерживают огромное количество циклов перезаписи, не чувствительны к внешним магнитным полям и радиации, гарантируют сохранность записанной информации в течение полусотни лет (не случайно библиотека конгресса США оборудована магнитооптическими библиотеками). Кроме этого, благодаря синтезу широкого класса эпитаксиальных пленок феррит-граната (ЭПФГ), обладающих большим разнообразием магнитных и оптических свойств, магнитооптический метод успешно применяется при визуализации и топографировании магнитных полей. Одной из форм регистрации стационарных магнитных полей является визуализация сигналограмм на магнитном носителе. Визуализация применяется с целью реставрации частично утраченной или поврежденной информации. К факторам, влияющим на разрушение магнитной структуры носителя, относятся механические воздействия, световое излучение, постоянные и пере9

менные внешние магнитные поля, влажность, температура и давление. Разрушение информации, а тем более повреждение ее носителя являются деструктивными процессами, носящими необратимый характер, поэтому расшифровка разрушенной информации и перезапись ее на другой носитель являются весьма важной задачей, которую можно решить магнитооптическими методами визуализации магнитной записи. Известно, что разрушения информации, записанной на магнитном носителе, носят локальный характер, т. е. в большинстве случаев разрушения сохраняются следы магнитного отпечатка, которые невозможно считать магнитоиндукционным способом. Магнитооптическим методом можно, анализируя изображение магнитной дорожки, выделить на ней те участки, которые не подверглись разрушению, скопировать их на новый носитель, восстановив тем самым всю информацию. В современных банковско-денежных отношениях магнитная защита ценных бумаг и документов широко используется в развитых странах. Однако этот способ защиты, безусловно, один из самых сложных и надежных, не обладает абсолютной надежностью, поскольку имеющиеся в ценной бумаге магнитные метки могут быть обнаружены с помощью широко распространенных методов съема информации, например, магнитными головками, индукционными счетчиками и т.п. Метод магнитной защиты в сочетании с возможностью визуализации распределенных в пространстве магнитных потоков дает возможность быстро и надежно получать информацию об истинности ценной бумаги. С другой стороны, подделка таких бумаг существенно затруднена в связи со сложными технологическими приемами, применяемыми при их изготовлении. Очень интересные, можно сказать уникальные возможности, магнитооптика предоставила для исследования магнитных свойств высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП), в том числе, для исследования процессов перемагничивания и захвата магнитного потока в объемных и тонкопленочных ВТСП-структурах, а также для визуализации распределения магнитного потока в неоднородных сверхпроводниках в широком диапазоне температур и магнитных полей. Открытие ВТСП стимулировало разработку технологии и создание магнитооптических материалов с различной ани10

зотропией, которые успешно работают при азотных температурах и имеют весьма высокую чувствительность к малым магнитным полям. До этого подобных магнитооптических материалов не было. Однако магнитооптические феррит-гранатовые пленки с одноосной анизотропией, обладая высокой чувствительностью при измерении малых магнитных полей, не имеют высокого пространственного разрешения, поскольку являются ―доменными‖. Создание новых магнитооптических пленок с анизотропией ―легкая плоскость‖, работающих при азотных температурах, сняло физические ограничения на пространственное разрешение. Минимальный пространственный период визуализированного магнитного поля ограничивается толщиной пленки. Кроме того, благодаря ―бездоменной‖ структуре, такие пленки имеют малые магнитные шумы, что позволяет существенно расширить динамический диапазон регистрируемых с их помощью сигналов. Это дало возможность разработать и изготовить ряд уникальных устройств на основе сандвича: пленка ВТСП – магнитооптический преобразователь (МОП). Сюда можно отнести разработанные в учебно-научной лаборатории МИФИ ―Прикладная магнитооптика‖ бесконтактный матричный приемник тепловых изображений, датчик малых перемещений с чувствительностью 5·10-8 ÷ 5·10-9 см, магнитометр для измерения малых (не хуже 10-11 Тл) магнитных полей, а также магнитооптический микроскоп для визуализации поверхностных токов в изделиях микроэлектроники. Создан прибор для экспресс-анализа качества ВТСП-пленок, позволяющий магнитооптическим способом, с высокой разрешающей способностью измерять локальные неоднородности и дефекты структуры. Принцип действия магнитооптических устройств основан на модуляции или отклонении пучка поляризованного света при его взаимодействии с магнитоупорядоченной средой, помещенной во внешнее управляющее магнитное поле. Модуляция или отклонение осуществляется на основе МО-эффектов, в результате перераспределения намагниченности в магнитоупорядоченной среде под действием внешнего магнитного поля. Для понимания процессов, происходящих при взаимодействии света с магнитной средой, остановимся на некоторых физических свойствах сред, участвую11

щих в этом взаимодействии, а также на характеристиках конкретных элементов, входящих в МО-устройство. Глава 1. ДВОЙНОЕ ЛУЧЕПРЕЛОМЛЕНИЕ, ПОЛЯРИЗАЦИЯ СВЕТА И ПОЛЯРИЗАЦИОННЫЕ ПРИБОРЫ 1.1.

Двойное лучепреломление

Существует ряд одноосных кристаллов, например, кальцит CaCО3 (исландский шпат) или кварц, в которых луч света, преломляясь, расщепляется вследствие анизотропии диэлектрической проницаемости среды на два луча с разными свойствами, т.е. закон преломления sinα0 = n∙sinα (известен как закон Снеллиуса) выполняется по-разному для обоих лучей (здесь α0 – угол падения естественного луча относительно оптической оси кристалла, α – угол преломления, т.е. угол выхода луча из кристалла относительно оптической оси, n – коэффициент преломления вещества). Ось симметрии называется оптической осью. Главная плоскость кристалла – плоскость, которая проходит через световой луч и оптическую ось. Необходимо отличать одноосный кристалл от двуосного. В двуосном кристалле двойное лучепреломление происходит при всех направлениях падающего на них луча света, кроме двух, каждое из которых называется оптической осью кристалла. Если луч направлен под углом к оптической оси, то он разбивается на два луча, один из преломленных подчиняется обычным законам преломления и поэтому называется обыкновенным (о), а второй не подчиняется этим законам и называется необыкновенным – (e). Для обыкновенного луча колебания вектора Е происходят перпендикулярно к главной плоскости, необыкновенного – в главной плоскости. Для обыкновенной волны показатель преломления no не зависит, а для необыкновенной показатель преломления ne зависит от направления распространения. Следовательно, лучи преломляются на разный угол и распространяются с разной скоростью. Наибольшая разница между скоростями обеих волн возникает в направлении, перпендикулярном к оптической оси. Скорость необыкновенной волны, например для CaCО3, на 11,5 % 12

больше, чем обыкновенной (при λ=5893 Å). Однако при распространении луча вдоль оптической оси показатели преломления необыкновенного и обыкновенного лучей совпадают. Отметим, что в двуосном кристалле оба луча необыкновенные. В зависимости от соотношения между показателями преломления одноосные кристаллы разделяются на отрицательные, если ne < no (например, кальцит), и положительные кристаллы, если ne > no (например, кварц). 1.2. Поляризованный и естественный свет Из электромагнитной теории света вытекает, что световые волны поперечны. Поляризованный свет есть свет с преимущественным направлением колебаний: преимущественным для одного из поперечных направлений или для определенного направления вращения. Вообще говоря, можно рассматривать колебания любого из векторов – электрического или магнитного. При распространении света в вакууме или в изотропной среде электрические и магнитные колебания ортогональны, а их амплитуды всегда пропорциональны друг другу. Точное определение одного типа колебаний равносильно определению обоих. Условно принято рассматривать именно электрические колебания вследствие предпочтительной роли электрического вектора в большинстве известных процессов поглощения света. Взаимодействие электромагнитной волны с магнитоактивным веществом зависит от состояния ее поляризации. Зная, каким образом вещество взаимодействует с излучением, можно определить состояние поляризации излучения, и, наоборот, наблюдая, как вещество меняет состояние поляризации, мы получаем возможность судить о его свойствах. С этим связаны два важных следствия. Вопервых, изменение поляризации света, как отмечалось выше, с успехом используется для изучения физики конденсированного состояния. Во-вторых, изменение поляризации в результате взаимодействия света с магнитоактивной средой является эффективным способом управления светом, и поэтому представляет большой интерес для техники. 13

Электромагнитная волна, у которой направления колебаний векторов Е и Н строго фиксированы, называется линейно поляризованной, или плоско поляризованной. Если речь идет о световых волнах, то говорят о линейно поляризованном свете. Плоскость, проходящая через направление колебаний вектора Е линейно поляризованной световой волны и направление распространение этой волны, в магнитооптике принято называть плоскостью поляризации, а плоскость, в которой происходят колебания вектора Н, называют плоскостью колебаний. (В известном учебнике Г.С. Ландсберга ―Оптика‖ плоскость, в которой расположен электрический вектор, называется плоскостью колебаний поляризованного света, а плоскость, в которой расположен магнитный вектор, – плоскостью поляризации.) Световая волна, у которой направления колебаний электрического (и соответственно магнитного) вектора меняются хаотически, так что для него равновероятны все направления колебаний в плоскости, перпендикулярной к лучу, называется естественным светом (неполяризованным). Свет называется полностью поляризованным, если две взаимно перпендикулярные компоненты вектора Е светового луча совершают колебания с постоянной разностью фаз. Очевидно, что монохроматический свет является поляризованным. Частично поляризованный свет – смесь поляризованного и неполяризованного света. Состояние поляризации частично поляризованного света описывается параметром, называемом степенью поляризации, отражающим степень преимущественного фазового сдвига (фазовой корреляции) между компонентами вектора Е световой волны. Если этот фазовый сдвиг равен нулю, то свет обнаруживает преимущественную плоскость колебаний вектора Е и называется частично линейно поляризованным, если же этот фазовый сдвиг равен π/2, то свет обнаруживает преимущественное направление вращения вектора Е и называется частично циркулярно поляризованным. Следует заметить, что свет, проявляющийся в одних случаях как неполяризованный, в других может оказаться полностью поляризованным с меняющимися во времени, по сече14

нию пучка или по спектру состояниями поляризации. Это связано с выбором интервала времени, в течение которого мы делаем измерения. Если бы мы могли выполнить измерения за 10 -10 с (это время измерения, характерное для газоразрядного источника с доплеровским уширением линии), то увидели бы, что свет полностью поляризован в любой ―момент‖ времени. (Под ―моментом‖ понимается интервал времени, за который происходит много колебаний, но который мал по сравнению со временем когерентности.) Общим случаем поляризации света является эллиптическая поляризация. При таком типе поляризации вектор Е описывает в процессе распространения электромагнитной волны в пространстве эллипс, лежащий в плоскости, перпендикулярной к направлению распространения (рис.1.1).

Рис. 1.1. Эллипс поляризации света

Проанализируем данную ситуацию следующим образом. Пусть А – амплитуда плоско поляризованной волны, падающей нормально на кристаллическую пластинку, вырезанную из одноосного кристалла параллельно его оптической оси. Амплитуды колебаний необыкновенного и обыкновенного лучей будут, соответственно, равны а=А cos γ, b=А sin γ. Пройдя чрез пластику толщиной d эти лучи приобретут разность хода, равную d (n0 – ne) Следова15

тельно, обыкновенный луч отстанет по фазе на δ = d (n0 – ne) ∙ 2π/λ. Здесь λ – длина волны света. Сложение двух перпендикулярных колебаний с разными амплитудами и разностью фаз приводит к образованию эллиптического колебания, т.е. колебания, при котором конец результирующего вектора описывает эллипс с той же угловой частотой ω, с которой совершаются исходные колебания. Колебания в лучах, прошедших пластинку, будут: x=Acos γ cos ωt = a cos ωt, (1.1) y = Asin γ cos (ωt – δ) = b cos (ωt – δ) . Исключая время из этих уравнений, получаем траекторию результирующего колебания: x/a = cos ωt, y/b=(cosωt cos δ + sin ωt sinδ), или sin ωt sin δ = (y/b) – (x/a) cos ωt. Возводя в квадрат и складывая с (cos ωt∙sin δ)2 =(x/a)2 sin2δ, получим уравнение эллипса: (x/a)2+(y/b)2–(2xy/ab) cos δ = sin2δ. (1.2) Форма эллипса и ориентация его относительно осей зависят от значений γ и δ. Важным является направление обхода эллипса. Если смотреть навстречу световому лучу против k (луч направлен перпендикулярно плоскости рисунка), то вектор Е может обходить эллипс как по часовой стрелке, так и против. Свет при этом называется соответственно право- или левополяризованным. Различие между ними особенно важно для магнитооптики, так как право- и левополяризованные волны по-разному взаимодействуют с намагниченными материалами и имеют различные фазовые скорости в них. Различают три вида предельной поляризации света: линейную, круговую и эллиптическую (с вращением вектора вправо или влево). Угол γ, определяющий ориентацию главной оси (этот параметр называют углом ориентации эллипса поляризации или азимутом проекции), отсчитывают от оси х (90 град ≥ γ ≥ –90 град). Угол эллиптичности δ определяют как угол между главной осью эллипса и диагональю прямоугольника, описанного вокруг эллипса. Эллип16

тичность определяют также через коэффициент эллиптичности Ψ – arctg отношения малой и большой полуосей эллипса поляризации (b/a). Зная эллиптичность можно определить эксцентриситет (a2– 2 1/2 b ) /a. В некоторых случаях представляет интерес отношение Eу/Eх, где Eу и Eх – максимальные величины соответственно у и х – компонентов электрического вектора. Угол δ отсчитывают в том же направлении, в котором вращается вектор Е по эллипсу и имеет знак ―плюс‖ для правополяризованного света и ―минус‖ для левополяризованного. Для полной характеристики состояния поляризации светового луча требуется знание четырех величин: 1) интенсивность естественного света; 2) интенсивность поляризованного света; 3) азимуты осей эллипса; 4) эксцентриситет эллипса. Линейно поляризованный свет вполне определяется только указанием плоскости поляризации. Для характеристики луча, поляризованного по кругу, достаточно указать направление вращения. Для эллиптически поляризованного луча необходимо определить азимут осей, эксцентриситет и направление вращения. На рис. 1.2 приведены примеры поляризаций светового луча при различных разностях фаз между взаимно перпендикулярными компонентами Ех и Еу. а б в г д е

Разность фаз δ = 00 300 = π/6 Разность хода Δ=λ∙δ/2π=0 λ/12

900 = π/2

1500 = π∙5/6

λ/4

λ (5/12)∙

1800 = π 2100 = π∙7/6 λ/2

λ (7/12)

Рис. 1.2. Примеры поляризаций света при различных разностях фаз между взаимно перпендикулярными компонентами Ех и Еу

17

Плоскость рисунков перпендикулярна к направлению распространения света, а и д – линейные поляризации; в – круговая поляризация; б, г и е – эллиптические поляризации. Рисунки соответствуют положительным разностям фаз , т.е. опережению вертикальных колебаний по сравнению с горизонтальными; λ – длина волны света. При взаимодействии света с веществом или с оптическими приборами его поляризация может изменяться. Состояние поляризации электромагнитной волны описывается вектором – столбцом E=E0

,

(1.3)

где φу – φх = δ – угол эллиптичности. При прохождении света через оптический прибор или среду вектор Е изменяется. Действие поляризатора или среды на вектор Е можно представить в виде оператора, преобразующего входящую электромагнитную волну в выходящую:

(1.4) Матрицу (М) называют матрицей распространения или матрицей Джонса. Матрицы Джонса удобны для расчета сложных оптических систем, состоящих из различных элементов. Результат прохождения света – вектор Е на выходе можно рассчитать путем перемножения матриц Джонса всех оптических приборов в том порядке, в котором свет их проходит в системе. Для иллюстрации приведем матрицы Джонса для некоторых важных оптических элементов: идеальный линейный поляризатор

четвертьволновая пластинка (λ/4) 18

1 0   , 0 0 1  0 

0  ,   

полуволновая пластинка (λ/2)

1  0 

0  ,  1 

фазовая пластинка с произвольной разностью фаз δ

Во всех случаях предполагается, что оптическая ось вещества, совпадающая с направлением вектора Е необыкновенной волны, ориентирована под углом γ = 0 град к оси х. 1.3. Поляризационные приборы Поляризаторы Важными элементами в магнитооптических устройствах являются поляризаторы, от эффективности которых зависят многие важные параметры. Поляризатор – простейший поляризационный прибор и один из основных элементов более сложных поляризационных приборов, преобразующих естественный свет в поляризованный. Существуют различные типы подобных приборов для получения и преобразования поляризованного света: линейные и циркулярные поляризаторы, фазовые пластинки, оптические компенсаторы, деполяризаторы и т.п. Прибор, с помощью которого можно обнаружить положение плоскости колебаний поляризованной волны, называется анализатором. Любой поляризатор может быть использован и как анализатор поляризованного излучения. Различие в спектральных коэффициентах пропускания поляризаторов разделяет их на: спектрально-селективные поляризаторы (их свойства зависят от длины волны); хроматические поляризаторы (работают в широком диапазоне длин волн). 19

Для получения полностью или частично поляризованного света используется одно из трех физических явлений: поляризация при отражении или преломлении света на границе раздела двух прозрачных сред; линейный дихроизм; двойное лучепреломление. Свет, отраженный от поверхности, разделяющей две среды с разными показателями преломления, всегда частично поляризован. Простейшим поляризатором может служить зеркало из черного стекла или стопа стеклянных пластинок. Если тангенс угла падения луча равен показателю преломления вещества (tg α0 = n), то отраженный луч будет полностью поляризован в плоскости падения (закон Брюстера). Закон Брюстера равносилен условию, при котором преломленный и отраженный лучи были взаимно перпендикулярны. Недостатки отражательных поляризаторов – малость коэффициента отражения, а также сильная зависимость степени поляризации от угла падения и длины волны света. Преломленный луч тоже частично поляризован, причем степень поляризации монотонно возрастает с увеличением угла падения. Среды, обладающие оптической анизотропией в области полос поглощения света, неодинаково поглощают обыкновенный и необыкновенный лучи. Различный характер поглощения обыкновенного и необыкновенного лучей называется анизотропией поглощения или дихроизмом. Если толщина пластинки, вырезанной из анизотропного кристалла параллельно его оптической оси, достаточна, чтобы один из лучей полностью поглотился, то прошедший через пластинку свет будет полностью поляризован. Такие поляризаторы называются дихроичными. К дихроичным поляризаторам относятся, в частности, поляроиды, действие которых основано на явлении двойного лучепреломления.

20

Поляроиды Поляроид представляет собой поляризационный светофильтр, изготовленный из очень тонкой поляризующей свет пленки, вклеенной между пластинами из стекла или прозрачной пластмассы для защиты от механических повреждений и действия влаги. Пленка, обладающая очень сильным линейным дихроизмом (плеохроизмом), неодинаково поглощает две линейно поляризованные перпендикулярно одна к другой составляющие падающего света, причем при типичной толщине пленки ~0,05–0,1 мм, обыкновенный луч почти полностью поглощается, а второй проходит практически не ослабленным. С помощью поляроида можно проанализировать характер поляризации света. Если свет линейно поляризован, то можно определить направление колебаний электрического вектора (плоскость поляризации). Дешевизна поляроидов, технологичность их изготовления, большой апертурный угол поляризации и возможность изготовления пластин с большой площадью (до ~ 1м2) обеспечили их широкое применение на практике. Однако у них имеются и недостатки. Во-первых, они дают окрашенный свет, а во-вторых – неодинаковая степень поляризации в пределах всей видимой области спектра, т.е. степень поляризации у них больше зависит от длины волны, чем в поляризационных призмах. Их невысокая термостойкость снижает возможности использования в интенсивных световых потоках. Чтобы изготовить поляроид, требуется вещество, молекулы которого состоят из длинных углеводородных цепей. Это вещество растягивают, так что в результате молекулы выстраиваются вдоль направления растяжения. После растяжения вещество опускают в раствор, содержащий йод. Молекулы йода ―прикрепляются‖ к длинным углеводородным цепям, и возникают свободные электроны, которые могут двигаться вдоль цепей, но не перпендикулярно к ним. В результате получается решетка из ―эффективных проводов‖, направленных вдоль углеводородных цепей. Компонента электрического поля, направленная вдоль ―проводов‖ поглощается; компонента, перпендикулярная к ―проводам‖ передается с очень малым затуханием. Из сказанного следует, что в поляроиде суще21

ствует ось, в направлении которой поглощение излучения практически отсутствует. Эта ось называется осью свободного пропускания. Изготавливают поляроид обычно из полииодида сульфата хинина (герапатитовые) или поливинилового спирта. Герапатитовые поляроиды изготовляются чаще всего в виде суспензии ультрамикроскопических иглообразных кристалликов, впрессованных в матрицу из нитро- или ацетилцеллюлозы. При этом все кристаллики ориентированы параллельно друг другу в одном направлении. Пленку из поливинилового спирта также растягивают в одном направлении и обрабатывают йодом. Пропускание таких пленок составляет 30±10 %, рассеивание 0,1 % герапатитовые поляроиды имеют коэффициенты пропускания 28±5 %, рассеивания 3,5 %±1 % падающего на них белого света. Телесный угол, в пределах которого сохраняется максимальное значение поляризации (апертурный угол поляризации), составляет 90 град для поливиниловых и около 60 град для герапатитовых поляроидов. Цвет отдельного светофильтра серый или серо-зеленый. Необходимо иметь ввиду, что такие поляроиды не стойкие к воздействию влаги и длительному нагреванию выше 70-80 градусов Цельсия. Более стойкими являются молекулярные поливиниловые поляроиды. Идеальный и неидеальный поляризаторы В качестве примера рассмотрим поляризатор, в котором отсутствует потери интенсивности при отражении и поглощении света, ненужная компонента полностью поглощается, а нужная компонента (с вектором Е, параллельном оси пропускания) полностью проходит. Пусть линейно поляризованный свет с амплитудой электрического поля Е, распространяющийся в направлении оси z, нормально падает на поляроид, и если е – направление оси пропускания идеального поляроида, то через поляроид проходит только компонента Е параллельная е (рис.1.3).

22

Рис. 1.3. Идеальный поляризатор: ось пропускания (для Е) направлена по е. Е‫ – ׀׀‬составляющая Е, параллельная е, проходит; вторая составляющая Е┴ – полностью поглощается

Прошедший поток энергии будет зависеть от угла между осью пропускания поляроида и направлением поляризации падающего на поляроид излучения (т.н. ―угол скрещенности‖) – φ: I = I0 cos2 φ, (1.5) где I – интенсивность прошедшего света, I0 – интенсивность падающего на поляризатор света. Это уравнение называют законом Малюса для идеального поляризатора. Если два поляроида, оси пропускания которых е1 и е2 взаимно перпендикулярны (φ = π/2), расположить друг за другом, то через такую систему свет не пройдет. Однако в реальной оптической системе имеют место потери света при поглощении и отражении от поверхностей оптических элементов. В тонкопленочных дихроичных поляризаторах суммарные потери на поглощение и отражение составляют 5 – 10 %. В магнитооптическом элементе, изготовленном из феррит-граната, потери в видимой области спектра могут достигать нескольких десятков процентов. Если имеются два поляризатора – один идеальный, а второй реальный, скрещенные под углом φ, то закон Малюса для такой ―полуидеальной‖ системы записывается следующим образом: 23

I=k1I0(cos2φ+sin2φ/Q), (1.6) где k1 – коэффициент пропускания системы. Если считать, что Iх – интенсивность прошедшего света вдоль оси х, а Iу – интенсивность прошедшего света, распространяющегося вдоль оси у, то коэффициент К1 = Iх /I0 характеризует наибольшее пропускание света, а K2 = Iу /I0 будет характеризовать наименьшее пропускание, тогда отношение K1 / K2 = Q определяется как добротность поляризатора, а K2 / (K1+K2) = G называется поляризационным дефектом и является мерой недостатков его изготовления. Характерные величины добротности дихроичных поляризаторов Q = 1000 ÷ 3000. Для призменных поляризаторов Q = 104 ÷ 106. 1.4. Поляризационные призмы Поляризационные призмы являются линейными поляризаторами – с их помощью получают линейно поляризованное оптическое излучение. Обычно поляризационная призма состоит из двух или более трехгранных призм, по меньшей мере одна из которых вырезается из оптического анизотропного кристалла. Проходящее через них излучение преодолевает наклонную границу раздела двух сред, на которой условия преломления света для компонент светового пучка, поляризованного в двух взаимно перпендикулярных плоскостях, резко различаются. В частности, для одной из этих компонент на границе раздела могут выполняться условия полного внутреннего отражения, в результате чего через поляризационную призму проходит лишь другая компонента. Существует несколько типов поляризационных призм, используемых в тех или иных устройствах.

24

Призма Николя Призма была первым эффективным поляризатором, основанным на двойном лучепреломлении. Изготовляется призма Николя из ромбоэдра исландского шпата (СаСО3), кристаллического кварца SiO2 или фтористого магния MgF2, склеиваются канадским бальзамом или льняным маслом (рис.1.4).

Рис. 1.4. Призма Николя: а – вид сбоку; б – по направлению луча; направление колебаний электрического вектора указано на лучах стрелками и точками. Чернение на нижней грани призмы поглощает полностью отражаемый от плоскости склейки обыкновенный луч

Во многих поляризационных призмах их части разделены не клеем, а воздушной прослойкой; это снижает потери на поглощение при высоких плотностях излучения и имеет ряд преимуществ при работе в ультрафиолетовой части спектра. Луч естественного света, падающий на входную часть призмы, расщепляется на два луча. Обыкновенный луч о претерпевает на поверхности склейки полное внутреннее отражение и выходит через грань АС. Необыкновенный луч е имеет ne< n склеивающего вещества, поэтому он проходит через вторую часть призмы. Призма Николя пропускает полностью поляризованный свет в пучках с углом до 29 град. В поляризационной призме из стекла с вклеенной кристаллической пластинкой из исландского шпата проходит обыкновенный 25

луч, а отражается необыкновенный. Подобные поляризационные призмы называются однолучевыми. Двухлучевые – пропускают обе взаимно перпендикулярные линейно поляризованные компоненты исходного луча, пространственно разделяя их. Необходимо отметить, что призма Николя во многом не удовлетворяет исследователей из-за наклонного расположения входной и выходной поверхностей, поскольку во-первых, нужная компонента не проходит прямо насквозь, а смещается в сторону, во-вторых, выходящий пучок фактически поляризован эллиптически, а не линейно (хотя при этом эллиптичность очень мала) и, в-третьих, имеется значительный астигматизм для света, попадающего в поляризатор от близко расположенных источников. Призма Глана В призмах со скошенными гранями (например, Николя), проходящий луч испытывает параллельное смещение, поэтому при вращении призмы вокруг луча смещенный луч тоже вращается вокруг него. От этого недостатка свободны поляризационные призмы в форме прямоугольных параллелепипедов: Глана и Глана –Томсона (рис.1.5).

Рис. 1.5. Поляризационная призма Глана: АВ – воздушный промежуток ~0,05 мм. Точки на обеих трехгранных призмах указывают, что их оптические оси перпендикулярны к плоскости рисунка

26

Для того чтобы один из лучей претерпевал на границе раздела (склейки) полное внутреннее отражение, выбираются определенные значения преломляющих углов трехгранных призм и определенные ориентации оптических осей кристаллов, из которых они вырезаны. Призма Франка – Риттера Особенность этой призмы заключается в том, что ее входные грани перпендикулярны к длинным ребрам и оси кристалла, что обеспечивает более симметричное поле поляризации. На рис.1.6 представлена данная призма. Материал призмы – исландский шпат. На рис.1.7 показана двойная призма Франка-Риттера; вторая призма применяется в качестве анализатора.

Рис.1.6. Призма Франка – Риттера

Рис.1.7. Двойная призма Франка – Риттера

27

Двухлучевые (двоякопреломляющие) призмы Среди двухлучевых призм наибольшее распространение получили поляризационные призмы Рошона, Синармона и Волластона (рис.1.8). В призмах Рошона и Синармона обыкновенный луч не меняет своего направления, а необыкновенный отклоняется на угол (5-6 град), зависящий от длины волны света. Призма Волластона дает при перпендикулярном падении симметричное отклонение о и е лучей. Один из них может быть выделен диафрагмой. Состоят эти призмы из различных комбинаций трехгранных призм, изготовленных из кристаллов исландского шпата или кварца. Пучок лучей, не изменяющий при прохождении через призму своего направления, ахроматичен; у отклоняющихся лучей угол отклонения зависит от длины волны. Угол расхождения лучей у призм Рошона и Сенармона Θ = (n0 - ne ) tg α , где α – преломляющий угол призмы. Эти призмы незаменимы при работе в УФ-области спектра и в мощных потоках оптического излучения, а также позволяют получать однородно поляризованные пучки, степень поляризации которых лишь на 10-5 отличается от 1.

Рис. 1.8. Двоякопреломляющие призмы: а – призма Рошона; б – призма Сенармона; в – призма Волластона. Точки означают, что оптическая ось перпендикулярна к чертежу. Штриховка указывает направление оптических осей кристаллов в плоскости рисунка

28

1.5. Фазовые (волновые) пластинки Фазовые пластинки изготовляются из оптически анизотропных материалов, при прохождении излучения через которые происходит сдвиг фазы между двумя взаимно перпендикулярными компонентами электрического вектора Е, и предназначены для изменения состояния поляризации излучения. Так, циркулярные и эллиптические поляризаторы обычно представляют собой совокупность линейного поляризатора и фазовой пластинки. Для получения света, поляризованного по кругу (циркулярно), применяют фазовую пластинку, вносящую сдвиг фазы в 90 град (пластинка в четверть длины волны). Применяются также отражательные фазовые пластинки (например, ромб Френеля), принцип действия которых основан на изменении состояния поляризации света при его полном внутреннем отражении. Преимуществом отражательных фазовых пластинок перед двупреломляющими является почти полное отсутствие зависимости фазового сдвига от длины волны. Свойства фазовых пластинок 1. Пластинка толщиной в половину длины волны оставляет линейно поляризованный свет линейно поляризованным, при этом направление поляризации на выходе получается из направления поляризации на входе путем отражения относительно одной из оптических осей. Таким образом, пластинка в /2 изменяет знак амплитуды одной из компонент падающей волны. 2. Свет, поляризованный по кругу, после прохождения через пластинку в /2 остается поляризованным по кругу, но направление круговой поляризации меняется (из правой она становится левой и наоборот). 3. Толщина пластинки такова, что разность хода двух лучей составляет /4. В этом случае, плоскополяризованный свет, проходящий сквозь пластинку в четверть волны, становится поляризованным по кругу (или циркулярно) при условии, что плоскость поляризации первоначального луча составляла угол 45 град с главным направлением в пластинке. В зависимости от ориентации пла29

стинки приобретаемая разность фаз равна +π/2 или –π/2, т.е. компонента вдоль оси х будет опережать или отставать на π/2 от компоненты по оси у. В соответствии с этим результирующий вектор вращается против часовой стрелки (влево) или по часовой стрелке (вправо). Поэтому принято различать левую или правую эллиптическую или круговую поляризацию. 4. Пластинка в /4 превращает свет, поляризованный по кругу, в линейно поляризованный. Чтобы вывести простое правило, по которому такое преобразование происходит, будем считать, что в падающем излучении вектор Евх вращается от у к х (т.е. выбираем соответствующим образом знаки у и х). Тогда пластинка в /4 превращает свет, поляризованный по кругу, в линейно поляризованный, направление поляризации которого составляет 90 град с направлением, которое делит пополам угол между осями х и у. Чтобы осуществить разность хода в четверть волны, можно применить пластинку из слюды толщиной 0,027 мм. Хотя изготовление таких пластинок не является слишком трудным делом, часто пользуются более толстыми пластинками, дающими разность хода, равную (р+1/4)∙λ, где р – целое число. 5. Фазовая пластинка не оказывает никакого влияния на линейно поляризованный свет, направление поляризации которого совпадает с направлением х или у. 6. Фазовая пластинка не может поляризовать неполяризованный свет (т.е. свет, приходящий, например, от солнца или лампы). Относительный фазовый сдвиг, возникающий при прохождении через фазовую пластинку, не изменяет случайного соотношения между х- и у-компонентами. 7. Пластинка в целую длину волны оставляет плоскополяризованный луч без изменения направления колебаний. Необходимо заметить, что свойства фазовых пластинок могут изменяться в зависимости от длины волны света, поскольку показатели преломления и разность хода обоих лучей также зависят от длины волн. Круговой (циркулярный) поляризатор можно получить, сложив вместе поляроид и пластинку в /4, оптические оси которой со-

30

ставляют угол в 45 град с осью пропускания поляроида. При этом неполяризованный свет должен сначала проходить через поляроид. Контрольные вопросы 1. Какие способы получения поляризованного света существуют? 2. Почему любое поляризационное устройство пропускает не более половины естественного света? 3. Ветровое стекло и фары автомобилей сделаны из поляроида. Как должны располагаться эти поляроиды, чтобы шофер мог видеть дорогу и не быть ослепленным светом от встречных автомобилей? 4. Чем отличается поляроид от поляризационной призмы? 5. Каким образом можно получить левую или правую циркулярную поляризацию? Какова получается поляризация, если толщина пластинки равна λ∙3/2? 6. Какой становится поляризация на выходе из поляризационной призмы? 7. Чем отличается идеальный поляризатор от неидеального? 8. Каким образом можно получить два параллельных луча с разной поляризацией, если на входе имеем только один луч? 9. Какая поляризация будет на выходе, если естественный свет падает на кристаллическую пластинку в λ/4, λ/2 ? 10. Под каким углом на стопку стеклянных пластинок следует направить луч естественного света, чтобы отраженный луч был полностью поляризован? Под каким углом выходит преломленный луч? 11. Чем отличается призма Николя от призмы Глана?

31

Глава 2. МАГНИТООПТИЧЕСКИЕ ЭФФЕКТЫ Подавляющее большинство магнитооптических явлений связано с расщеплением уровней энергии атома (снятие вырождения). Непосредственно это расщепление проявляется в эффекте Зеемана. Многие магнитооптические явления по существу являются следствием эффекта Зеемана и связаны с особенностями поляризационных характеристик зеемановских оптических переходов и с закономерностями распространения поляризованного света в среде, обладающей дисперсией. Спецификой магнитооптических эффектов является то, что в магнитном поле, помимо обычной линейной оптической анизотропии, проявляющейся в среде под действием электрического поля или деформации, возникает циркулярная анизотропия, связанная с неэквивалентностью двух направлений вращения в плоскости перпендикулярной к полю. Это важное обстоятельство является следствием аксиальности магнитного поля. Наиболее просто основные явления магнитооптики можно классифицировать феноменологически в зависимости от направления магнитного поля. При этом рассматриваются два основных случая: 1) волновой вектор света параллелен магнитному полю и 2) волновой вектор света перпендикулярен к магнитному полю. Явление Зеемана наблюдается в обоих случаях, причем различие поляризационных характеристик компонент зеемановского расщепления влечет за собой различный характер индуцированной магнитным полем анизотропии. Так, при распространении монохроматического света вдоль поля (продольный эффект Зеемана) его право- и левоциркулярно поляризованные составляющие поглощаются по разному (т.н. магнитный циркулярный дихроизм), а при распространении света поперек поля (поперечный эффект Зеемана) имеет место магнитный линейный дихроизм, т.е. имеется разное поглощение составляющих, линейно поляризованных параллельно и перпендикулярно к магнитному полю. Расщепление спектральных линий влечет за собой соответствующее расщепление дисперсионных кривых, характеризующих зависимость показателя преломления среды от длины волны излучения. В результате при продольном распространении (по полю) 32

показатель преломления для света с правой и левой круговыми поляризациями становятся различными (магнитное циркулярное двойное лучепреломление), а линейно поляризованный монохроматический свет, проходя через среду, испытывает вращение плоскости поляризации. Этот эффект носит название эффекта Фарадея. При поперечном относительно магнитного поля распространении света различие показателей преломления для линейных поляризаций приводит к линейному магнитному двойному лучепреломлению, известному как эффект Коттона – Мутона. Оптическая анизотропия среды в магнитном поле проявляется также и при отражении света от ее поверхности. При намагничивании среды происходит изменение поляризации отраженного света, характер и степень которой зависят от взаимного расположения поверхности, плоскости поляризации падающего света и вектора намагниченности. Этот эффект наблюдается, в первую очередь, в ферромагнетиках и носит название магнитооптического эффекта Керра. Как следует из сказанного, магнитооптические эффекты делятся на две основные группы: эффекты, возникающие при прохождении света через МО-материал и эффекты, наблюдаемые при отражении света от поверхности МО-материала. Эффекты первой группы связаны с двойным круговым преломлением, т.е. с различием комплексных показателей преломления для право- и левополяризованных по кругу волн. Действительная часть двупреломления описывает поворот плоскости поляризации, а мнимая его часть превращение линейно поляризованного света в эллиптически поляризованный. Линейно поляризованную волну можно представить как сумму право- (+) и левополяризованные (–) по кругу волны. Тогда первый эффект связан с различием скоростей распространения этих волн, а второй – с различием их коэффициентов поглощения.

33

2.1. Эффект Фарадея В 1845 году Майкл Фарадей открыл явление вращения плоскости поляризации линейно поляризованного света, проходящего через намагниченную среду, и назвал это явление ―намагничиванием‖ светового луча. Если свет распространяется через МОматериал параллельно вектору его намагниченности М, то наблюдается магнитное круговое двулучепреломление, носящее название эффекта Фарадея. Эффект Фарадея пропорционален пути d светового пучка в МО-среде: F=F∙d, (2.1) где F – угол вращения плоскости поляризации, F – удельное фарадеевское вращение (вращение плоскости поляризации световой волны на единицу длины среды). При изменении направления вектора М на противоположное изменяется также знак F, т.е. эффект Фарадея является нечетным. В твердых телах показатель преломления, как правило, монотонно возрастает с увеличением частоты света. Однако в окрестности линии поглощения спектральные зависимости показателя преломления для лево– (n-) и правополяризованного (n+) по кругу света оказываются смещенными относительно друг друга. Действительная часть разности (n+ – n-) вызывает фарадеевское вращение плоскости поляризации линейно поляризованного света на угол F. В области не очень сильных магнитных полей разность (n+–n-) линейно зависит от напряженности магнитного поля (Н) и в общем виде угол фарадеевского вращения описывается соотношением F = V∙H∙d, где константа пропорциональности V зависит от свойств вещества, длины волны света и температуры и называется постоянной Верде. Поскольку поглощение лево– и правополяризованных волн неодинаковы, то амплитуды на выходе тоже неодинаковы. В связи с этим фарадеевское вращение сопровождается фарадеевской эллиптичностью, нежелательной на практике. Удельная фарадеевская эллиптичность есть ΨF = аrctg b/a (отношения главных осей эллипса поляризации). Удельную фарадеевскую эллиптичность оценивают в град/м. 34

Знак угла поворота плоскости поляризации при эффекте Фарадея (в отличие от случая естественной оптической активности) не зависит от направления распространения света (по полю или против поля). Поэтому многократное прохождение света через среду, помещенную в магнитное поле, приводит к возрастанию угла поворота плоскости поляризации в соответствующее число раз. Эта особенность эффекта Фарадея нашла применение при конструировании ряда устройств, о которых будет сказано ниже. 2.2. Схемы наблюдения эффекта Фарадея Существует несколько оптических схем для наблюдения магнитных доменов с помощью эффекта Фарадея в различных условиях и для различных приложений. Эффект Фарадея применяется при исследовании в тонких, прозрачных в видимой области спектра магнитных пленках и пластинках, у которых имеется составляющая магнитного момента, перпендикулярного к поверхности образца. Что касается наблюдения доменной структуры непрозрачных магнетиков, то такое наблюдение осуществляется с помощью полярного эффекта Керра, если есть нормальная компонента намагниченности, или продольного эффекта Керра, если намагниченность лежит в плоскости образца. Схема наблюдения эффекта Фарадея с двойным прохождением излучения через магнитоактивную среду Через поляризатор линейно поляризованное излучение направляется на магнитооптическую пленку, на которую нанесено отражающее покрытие. Отраженный от зеркального покрытия свет в соответствии с эффектом Фарадея изменяет свою поляризацию. Затем пройдя сквозь второй поляризатор (анализатор) измененное состояние поляризации фиксируется с помощью, например, видеокамеры. Объектом исследования может служить какое-либо намагниченное вещество (рис.2.1).

35

Рис. 2.1. Двойное прохождение света через магнитооптическую среду при прямом падении. Угол Фарадея удваивается

Свет изменяет фазу на  при отражении от металлического зеркала, в этом случае эффект Фарадея удваивается. Косое падение Здесь также как в предыдущем случае, линейно поляризованный свет, отражаясь от зеркального покрытия, дважды проходит через магнитооптическую пленку, вследствие чего происходит удвоение угла Фарадея (рис.2.2).

Рис. 2.2. То же, что и на рис. 2.1, только при косом падении света

Это лучшая схема для наблюдения плоскостной составляющей магнитного поля в исследуемом объекте. 36

Прохождение света сквозь прозрачный магнитооптический материал

Рис. 2.3. Схема наблюдения эффекта Фарадея на прозрачных магнитооптических образцах: Р1 – поляризатор, МО – образец, Р2 – анализатор

Угол Фарадея при прохождении сквозь магнитооптический материал в этом случае не удваивается. Подобная схема используется для модуляции света, если МО-элемент поместить в переменное магнитное поле (рис.2.3). 2.3. Эффект Коттона – Мутона В случае, когда свет распространяется перпендикулярно к направлению намагниченности, наблюдается магнитное линейное двулучепреломление, носящее название эффекта Коттона – Мутона. Если линейно поляризованный свет представить в виде суммы двух лучей, поляризованных параллельно и перпендикулярно к вектору М, то скорости распространения этих лучей будут несколько различаться. Возникающие фазовые сдвиги приводят к появлению эллиптичности на выходе из системы. Необходимо отметить, что обыкновенный и необыкновенный лучи распространяются под очень малым углом один к другому. Поэтому для обнаружения эффекта необходимы достаточно сильные магнитные поля. Эффект Коттона – Мутона является четным, т.е. он не меняется при изменении знака вектора М. Характеристикой эффекта Коттона – Мутона является величина (nе – n0) = С·Н2·λ, где С – зависящая от вещества константа, называется константой Коттона – Мутона. Величина С обратно пропорциональна абсолютной темпера37

туре Т, и, как правило, очень мала, например, для жидкостей она изменяется в пределах (1÷30)∙10 -13 см-1∙Э -2. Аномально большие значения С обнаружены в жидких кристаллах и коллоидных растворах (от 10-8 до 10-10 см-1∙Э-2). 2.4. Эффект Керра Наряду с магнитооптическими эффектами, возникающими при прохождении света через намагниченное вещество, существует ряд эффектов, проявляющихся при отражении света от поверхности намагниченного материала, Такие явления объединяются общим названием – магнитооптические эффекты Керра. Различают три вида эффектов Керра в зависимости от взаимной ориентации намагниченности, направления распространения световой волны и нормали к поверхности вещества: комплексный полярный, меридиональный и экваториальный (рис. 2.4).

Рис. 2.4. Магнитооптические эффекты Керра, возникающие при отражении света от поверхности намагниченного вещества: а – полярный, б – меридиональный и в – экваториальный. Ер и Еs – поляризации световой волны. Индексы i, r обозначают падающую и отраженную волны, p и s – проекции вектора Е на плоскость падения и на направление перпендикулярное к плоскости падения соответственно, α0 – угол падения луча на поверхность

При полярном (рис. 2.4, а) (вектор М лежит в плоскости падения света и перпендикулярен к поверхности материала) и меридиональном (рис. 2.4, б) (вектор М направлен вдоль прямой, образованной пересечением поверхности материала и плоскости паде38

ния света) эффектах Керра происходит вращение плоскости поляризации отраженного света, сопровождающееся появлением эллиптичности – эти эффекты образуют группу продольных эффектов. Меридиональный эффект используется для наблюдения доменной структуры материалов с намагниченностью, лежащей в плоскости образца. Полярный эффект Керра является нечетным по намагниченности, т. е. меняет знак при перемагничивании вещества. Линейный по магнитному полю экваториальный эффект (рис.2.4,в) может наблюдаться лишь в поглощающих материалах и проявляется в изменении интенсивности и сдвиге фазы линейно поляризованного света, отраженного намагниченным кристаллом, когда вектор М перпендикулярен к плоскости падения света и лежит в плоскости поверхности МО-материала, но поворота плоскости поляризации не происходит. Контрольные вопросы 1. Какова связь эффекта Зеемана с явлением Фарадея? 2. Что происходит с линейно поляризованным светом при прохождении через оптически активную среду? 3. В чем суть эффектов, возникающих при прохождении света через магнитооптический материал? 4. Какая геометрия измерения эффекта Фарадея позволяет получать удвоенный угол φF? 5. Какой магнитооптический эффект следует использовать при исследовании доменной структуры непрозрачных магнетиков? 6. Чем отличаются магнитооптические эффекты Керра: а) полярный, б) меридиональный, в) экваториальный? 7. Необходимо измерить плоскостную составляющую магнитного поля. Какую геометрию эксперимента и какой магнитооптический эффект следует использовать? 8 Зачем необходимо магнитное поле при наблюдении эффекта Коттона – Мутона в прозрачных изотропных веществах? 9. Какая поляризация света наблюдается при отражении плоскополяризованного света от намагниченного ферромагнетика? 39

Глава 3. МАГНИТОУПОРЯДОЧЕННЫЕ МАТЕРИАЛЫ Одним из наиболее интенсивно развивающихся направлений физики магнитных материалов является изучение процессов перемагничивания ферро-, ферри- и антиферромагнетиков в постоянных и импульсных магнитных полях. Актуальность этого направления обусловлена как фундаментальным интересом, так, даже в большей степени, возможными прикладными применениями магнитоупорядоченных сред в различного рода сенсорах, устройствах памяти, функциональных элементах систем обработки информации. Магнитный материал по существу представляет собой решетку ионов (атомов), имеющих магнитный момент и участвующих в различных взаимодействиях. Магнитные моменты ионов располагаются в определенной закономерности, т.е. существует магнитное упорядочение. Для описания свойств магнитоупорядоченных кристаллов вводят понятие магнитных подрешеток, каждая из которых объединяет одинаковые или родственные ионы, расположенные в эквивалентных узлах кристаллической решетки и имеющие одинаковое направление магнитных моментов. Одноподрешеточные магнитоупорядоченные кристаллы с одинаковыми ионами (атомами), магнитные моменты которых ориентированы параллельно, называют ферромагнетиками. Антиферромагнетики характеризуются наличием двух подрешеток, магнитные моменты которых имеют одинаковые значения, но противоположно направлены. Если магнитные моменты ионов в подрешетках разные, то кристаллы являются коллинеарными ферримагнетиками (коллинеарные ферримагнетики могут содержать и более двух магнитных подрешеток). Антиферромагнетики со слабым ферромагнетизмом представляют собой двухподрешеточные магнитоупорядоченные кристаллы, причем магнитные моменты подрешеток расположены под углом, незначительно отличающемся от 180 град. Магнитное упорядочение в любых магнитных материалах исчезает при температуре выше некоторой критической, которая для ферромагнетиков называется температурой Кюри – ТК, а для фер40

ри– и антиферромагнетиков – температурой Нееля ТН. Для некоторых коллинеарных ферримагнетиков при температуре компенсации магнитного момента (ТК.М.М ) и температуре компенсации момента импульса (ТК.М.И.) обращаются в нуль результирующая намагниченность и суммарный момент импульса. Для описания свойств магнитооптических материалов оказывается достаточной модель ферромагнетика. Выражение для полной свободной энергии ферромагнетика имеет вид: Е= Емс + Еобм + Еа + Ен + Ему + Еу , (3.1) где ЕМС – магнитостатическая энергия (энергия размагничивания); ЕОБМ – энергия обменного взаимодействия; ЕА – энергия анизотропии; ЕН – энергия взаимодействия с внешним магнитным полем (энергия Зеемана); ЕМУ – энергия магнитоупругого взаимодействия; ЕУ – энергия упругого взаимодействия между ионами. В статическом состоянии Е минимальна. Наиболее фундаментальным параметром магнитного материала является намагниченность М – магнитный дипольный момент, приходящийся на единицу объема. Этот магнитный момент возникает благодаря взаимной ориентации магнитных дипольных моментов ионов, обусловленных прежде всего спинами электронов. В тонкой пленке изотропного магнитного материала вследствие эффекта размагничивания вектор намагниченности стремится расположиться в ее плоскости, при этом для однородно намагниченной среды ЕМС = 0. Влияние магнитостатического поля НМС может подавлять магнитная анизотропия (магнитостатическое поле внутри ферромагнетика называется полем размагничивания, а вне его – полем рассеяния). Плотность магнитостатической энергии: МС = – 0 ·(МНМС)/2, (3.2) где 0 = 4 ·10 -7 Гн/м – магнитная постоянная. В намагниченной до насыщения тонкой пленке магнитного материала при ориентации намагниченности перпендикулярно к его плоскости плотность магнитостатической энергии: МС = 0·МS2/2. (3.3) Магнитостатическая энергия (ЕМС) уменьшается при образовании доменов. Она минимальна, когда домены с противоположной 41

намагниченностью занимают равные площади, и тем меньше, чем меньше отношение размера домена (ширины полосового домена w или диаметра цилиндрического домена) к толщине пленки d, (wМС→0 при w/d →0). Энергия обменного взаимодействия (ЕОБМ) ответственна за магнитное упорядочение и препятствует резкому изменению ориентации магнитных моментов (спинов) в материале. Переход между двумя различными ориентациями спинов происходит плавно, так что углы между соседними спинами остаются малыми. Поэтому переход между доменами также плавный. Энергия анизотропии (ЕА) связана с ориентацией намагниченности по отношению к некоторой внутренней структуре материала. Иногда в энергию анизотропии включают и магнитоупругую энергию как некоторую «анизотропию напряжений», поскольку она возникает в результате взаимодействия намагниченности с деформациями внутренней структуры. Различают две разновидности внутренней структуры: обычную кристаллическую структуру и структуру, обусловленную характерными особенностями процесса получения (роста) магнитного материала. С первой структурой связана энергия магнитокристаллической анизотропии ЕА.К., со второй – энергия ростовой (или индуцированной ростом) анизотропии ЕА.Р. Для одноосных ферромагнетиков плотность энергии анизотропии равна: А ≡  ОДН =КОДН sin2ξ , (3.4) где КОДН – константа одноосной анизотропии, ξ – угол между вектором Е и плоскостью пленки. При КОДН > 0 энергия анизотропии минимальна, если ξ = 0 или π/2, следовательно, в отсутствие внешнего магнитного поля Н в неограниченной среде вектор намагниченности М ориентируется вдоль оси симметрии, которая называется осью легкого намагничивания (ОЛН). Магнитокристаллическая анизотропия является одноосной только в некубических магнитных материалах, таких как гексаферриты. В монокристаллических пленках с кубической структурой, а также в аморфных пленках одноосная анизотропия индуцируется в процессе их роста. 42

В эпитаксиальных монокристаллических пленках ферритгранатов (ЭПФГ) (объемные монокристаллы феррит-гранатов являются кубическими) наряду с магнитокристаллической кубической анизотропией существует индуцированная квазиодноосная анизотропия. При этом в общем случае ОЛН не совпадает ни с нормалью к поверхности пленки, ни с главными кристаллографическими осями. Если эпитаксиальная пленка находится в напряженном состоянии из-за несоответствия параметров решетки пленки и подложки, то в энергию индуцированной анизотропии дает вклад составляющая, обусловленная обратным эффектом магнитострикции (магнитоупругим эффектом). 3.1. Регулярные доменные структуры Важнейшим свойством магнитоупорядоченных материалов является наличие в них доменной структуры. Впервые домены были обнаружены в 1930 г. путем нанесения на магнитный материал суспензии, содержащей магнитный порошок. Частицы порошка, оседая в основном на границах доменов, обрисовывают их контур. Большим преимуществом магнитооптической методики перед ―порошковой‖ является то, что магнитооптические эффекты дают возможность визуально наблюдать домены со значительно большей разрешающей способностью. Образование доменной структуры обусловлено чаще всего тем обстоятельством, что разбиение образца на домены уменьшает его магнитостатическую энергию, т.е. энергию магнитных полюсов, образующихся на поверхности. Дело в том, что если бы весь ферромагнетик был намагничен до насыщения в одном направлении, то на его поверхности возникли бы магнитные полюсы и в окружающем пространстве было бы создано магнитное поле. На это потребуется больше энергии, чем на разбиение ферромагнетика на домены, при котором магнитное поле вне образца отсутствует (магнитный поток замыкается внутри образца). При неизменном объеме и постоянной температуре в ферромагнетике реализуются

43

лишь такие доменные структуры, для которых свободная энергия минимальна. Если исходить только из энергии обменного взаимодействия, то в магнитном материале всегда энергетически выгодным является пространственно однородное распределение намагниченности по образцу. Магнитная анизотропия ведет к тому, что не все направления вектора М в магнитном материале энергетически равноправны: среди них имеются преимущественные, дающие минимум энергии анизотропии. В неограниченном одноосном ферромагнетике при Н = 0 вектор намагниченности ориентируется вдоль ОЛН, причем существуют две равновероятные ориентации вектора М, различающиеся на 180 град. В присутствии внешнего магнитного поля, если направления Н и ОЛН не совпадают, вектор намагниченности всегда отклоняется от ОЛН. Положительная магнитостатическая энергия, в отличие от энергии обменного взаимодействия, достигает в общем случае минимума, когда, как было сказано выше, распределение намагниченности реализуется путем разбиения образца на домены – области однородной намагниченности, разделенные переходными областями – доменными стенками (ДС), в которых намагниченность резко меняется по направлению. Формирование доменов сопровождается также некоторым возрастанием энергии, связанной с образованием ДС. Когда выигрыш в магнитостатической энергии за счет образования более мелких доменов станет меньше энергии, необходимой для образования новых ДС, процесс разбиения магнитного материала на домены заканчивается. В пленках одноосных ферромагнетиков ориентация намагниченности в доменах определяется значением фактора качества материала – QМ. Если QМ = 2∙КОДН /0MS < 1, из-за эффекта размагничивания вектор магнитного момента стремится ориентироваться в плоскости пленки, а при QМ > 1 намагниченность ориентируется вдоль ОЛН (перпендикулярно к плоскости пленки) в любом из двух направлений. При этом стенки, разделяющие домены, расположены практически параллельно ОЛН, площадь поверхности ДС минимальна. Если пленка однородная и толщина ее мала, то доменная структура в ней является сквозной. 44

Наблюдаемые доменные структуры очень разнообразны. Конфигурация доменной структуры в магнитном материале зависит от магнитной анизотропии и намагниченности, формы образца, наличия дефектов, температуры и магнитного поля, а также от вида обработки поверхности и предыстории образца. Такая высокая чувствительность доменной структуры является следствием того, что ее вид определяется относительно слабыми магнитно-дипольными взаимодействиями. Типы доменных структур показаны на рис.3.1 и 3.2: лабиринтная (рис. 3.1); полосовая (рис.3.2, а); цилиндрическая (ЦМД) (рис.3.2, б,в и г). В одноосных магнитооптических материалах обычно реализуется лабиринтная доменная структура (рис. 3.1). Изменяя намагниченность насыщения, константы одноосной анизотропии и обменного взаимодействия, можно в широких пределах (от 10 -7 до 10-3 м) изменять размеры доменов. а) б) в)

Рис. 3.1. Лабиринтная доменная структура: а – Н = 0, б – Н = 0,7 НS, в – Н ≤ НS

а)

б)

в)

г)

Рис.3.2. Полосовая доменная структура (а) и решетка цилиндрических магнитных доменов (б, в и г). В решетке цилиндрических доменов Н ≥ Н2 (б), Н2< Н < Н0 (в) и Н ≈ Н0 (г)

45

Здесь НS – поле насыщения полосовой или лабиринтной доменной структуры; Н0 – поле коллапса; Н2 – поле эллиптической неустойчивости (см. ниже). Для задач оптоэлектроники особый интерес представляет структура прямолинейных полосовых доменов, позволяющая создать дефлектор светового пучка, который будет описан ниже. При переходе от одного домена к другому намагниченность внутри ДС обычно поворачивается вокруг оси, перпендикулярной к плоскости ДС. Вращение может происходить по двум направлениям – по часовой или против часовой стрелки. Доменные структуры такого типа называются блоховскими. Разворот намагниченности может происходить и в плоскости, перпендикулярной к плоскости доменной структуры. Такая доменная структура называется неелевской. Регулярная доменная структура формируется в материалах с низкой коэрцитивной силой НC. Этот параметр определяет минимальное поле, которое необходимо приложить к ДС, чтобы вызвать ее движение. В магнитных материалах, практическое использование которых основано на движении ДС, обычно выполняется условие НC / МS  0,05. Если анизотропия в плоскости магнитной пленки отсутствует, все ориентации доменных стенок эквивалентны. В такой пленке может сформироваться лабиринтная доменная структура, образованная полосовыми доменами. При нарушении эквивалентности ДС различной ориентации (вследствие отклонения ОЛН от нормали к пленке, кубической или ромбической анизотропии, внешнего магнитного поля, напряжений и т.д.) может происходить упорядочение ДС, и, в частности, образование структуры линейных полосовых доменов. Лабиринтную структуру можно образовать, если намагнитить пленку до насыщения полем смещения НСМ > ННАС (ННАС – поле насыщения), приложенным вдоль ОЛН, а затем выключить это поле. При этом домены с обратной намагниченностью зарождаются на дефектах или краях образца и прорастают по всей площади пленки. В идеальных бездефектных образцах, в которых краевые

46

срезы пленки перпендикулярны ее поверхности, лабиринта не будет, так как доменам негде зарождаться. Структуру прямолинейных полосовых доменов можно создать, прикладывая в плоскости пленки поле НПЛ, превышающее поле анизотропии, с дальнейшим его уменьшением до нуля. Период доменной структуры уменьшается. Наибольшее изменение периода в присутствии НПЛ достигается, если есть компонента вектора намагниченности в плоскости пленки. Таким образом, изменяя направление и напряженность поля НПЛ, можно обеспечить одновременное изменение периода и ориентации структуры прямолинейных полосовых доменов. С ростом НСМ ширина доменов w+, намагниченных в направлении этого поля, будет увеличиваться за счет ширины w– невыгодно намагниченных доменов. Период доменной структуры Р = w+ + w– с ростом НСМ также будет увеличиваться, за счет распрямления лабиринта и уменьшения плотности доменов. При большом поле смещения свободные концы полосового домена стягиваются к центру его зародышеобразования. Если оба конца полосового домена закреплены, то исчезновение (коллапс) полосовых доменов происходит в более высоком поле путем либо срыва одного из концов домена с центра закрепления, либо разрыва полосового домена. Структуру лабиринтных доменов со свободными концами можно образовать, воздействуя неоднородным полем. В такой структуре при увеличении поля смещения полосовой домен стягивается в цилиндрический магнитный домен (ЦМД), а при некотором НСМ = Н0 ЦМД коллапсирует. Н0 – поле коллапса ЦМД. При уменьшении поля смещения, когда его напряженность достигает значения НСМ = Н2, ЦМД растягивается в полосовой домен. Н2 – поле эллиптической неустойчивости. Если расстояние между ЦМД много больше их диаметра, то такие ЦМД называют изолированными. При увеличении плотности ЦМД формируется гексагональная решетка. Она сохраняет устойчивость и в отсутствие поля смещения. Решетку ЦМД можно сформировать различными способами: - с помощью быстрого охлаждения пленки, первоначально нагретой до температуры Т > ТН (или ТК); 47

- путем намагничивания НПЛ выше насыщения. После выключения поля в пленке образуется плотноупакованная (аморфная) решетка ЦМД разного диаметра; - с помощью воздействия на пленку периодической последовательности импульсов магнитного поля параллельного ОЛН. Подбирая длительность импульса И и амплитуду НИ, решетку ЦМД можно намагнитить и одним импульсом. В магнитных материалах с высокой коэрцитивной силой (НС ≥ МS) доменная структура обычно является нерегулярной, поскольку поля размагничивания не превышают НS. Вследствие этого не только конфигурация, но и размеры доменной структуры в отсутствие внешнего магнитного поля определяются предысторией образца. Для их изменения необходимо на образец воздействовать достаточно сильным внешним магнитным полем. Если это поле пространственно неоднородно, то конфигурация доменной структуры определяется пространственным распределением напряженности этого поля. Описанные выше свойства магнитоупорядоченных материалов в основном присущи материалам, находящимся при комнатной температуре. При переходе к более низким температурам (вплоть до азотных) наблюдаются следующие особенности в поведении МО-материалов: - увеличивается константа фарадеевского вращения; - увеличивается коэрцитивная сила; - возможно изменение анизотропии пленки. 3.2. Магнитооптические материалы Магнитооптические материалы можно разделить на две группы. Первая группа – относительно прозрачные магнитные материалы, перспективные для использования в устройствах, предназначенных для пространственно-временной модуляции света. Относительно прозрачными магнитными материалами являются феррит-гранаты, ортоферриты. Ко второй группе относятся тонкие пленки на основе интерметаллических соединений, таких как, например, соединения редкоземельных элементов с элементами группы железа, 48

MnBi, MnAs и ряд других систем. Эти материалы обладают большим коэффициентом поглощения и используются в виде тонких пленок толщиной порядка 0,1 мкм и менее. Необходимым условием синтеза высококачественных пленок, которые получают методом жидкофазной эпитаксии из раствора – расплава, является согласование параметров решеток пленки и подложки. Для получения качественных пленок, в зависимости от их состава используются подложки в основном из Gd3 Ga5 O12 (ГГГ – галлий – гадолиниевый гранат). Другие типы подложек, например из Nd3Ga5O12 (НГГ) и SmGaO (СГГ), имеют большие постоянные решетки, однако они недостаточно прозрачны в видимой и ближней ИК-областях. Среди прозрачных магнитных материалов наибольшее распространение нашли феррит-гранаты. Феррит-гранаты Феррит-гранаты (ФГ) описываются общей формулой {Ri}3[Fe,Me]2(Fe,D) 3O12, где элементы в фигурных скобках соответствуют додекаэдрической, в квадратных – октаэдрической и круглых – тетраэдрической подрешеткам граната. Ri – редкоземельные элементы: кальций, висмут, свинец; Ме – элементы, замещающие железо: скандий, индий, титан, галлий, свинец; D – ванадий, кремний, германий, галлий, алюминий. ФГ относятся к классу ферримагнетиков. Оптические и магнитооптические свойства гранатов хорошо изучены и получили теоретическое истолкование. Высокую прозрачность (η~0,1см-1) эти материалы имеют в ближней инфракрасной области спектра, а в области длин волн =0,78 мкм и 0,55 мкм имеют окна относительной прозрачности. В более коротковолновой области перехода поглощение резко возрастает, что делает эпитаксиальные феррит-гранатовые структуры (ЭФГС) в этой части спектра почти непрозрачными. Аномально большой эффект Фарадея в висмутсодержащих феррит-гранатах, и относительная прозрачность тонких (~10 мкм) слоев в видимой области спектра делает эти материалы чрезвычайно 49

заманчивыми для создания пространственно-временных модуляторов света. Оптические свойства. Феррит-гранаты обладают исключительно высокой прозрачностью в ближней инфракрасной области, где имеется окно прозрачности в интервале длин волн 1,3 – 5,5 мкм. При выращивании монокристаллов иттриевого феррит-граната в строго контролируемых условиях удалось получить образцы, в которых коэффициент поглощения в окне прозрачности оказался менее 0,03см-1. Легирование феррит-гранатов висмутом сильно увеличивает их МО-активность, при этом увеличение содержания висмута в эпитаксиальной пленке обычно сопровождается ростом поглощения в видимой области спектра. По технологическим причинам при эпитаксиальном росте пленок с большим содержанием висмута одновременно происходит выделение свинца, что существенно влияет на оптическое поглощение. Магнитные свойства. Введение ионов висмута в состав ферритгранатов приводит к существенному изменению их свойств, в частности, при этом эффект Фарадея в видимой области спектра изменяет знак. Кроме того, увеличивается МS и температура Кюри. Для большинства составов феррит-гранатов введение висмута приводит к появлению существенной одноосной анизотропии. При λ=0,375 мкм угол фарадеевского вращения F может достигать 60 град/мкм. Магнитооптическая добротность. Для прикладной магнитооптики требуются материалы с минимальным поглощением и максимальным углом фарадеевского вращения. Для характеристики качества магнитооптического материала вводится параметр магнитооптической добротности QМО, которая выражается в градусах. QМО=2∙F /, (3.5) -1 где  – коэффициент поглощения материала в см . Добротность определяет оптимальную толщину магнитооптического слоя. Спектральная зависимость для висмутсодержащих феррит-гранатов характеризуется тремя пиками поглощения: =0,56, 0,78 и 1,15 мкм. В области больше 1 мкм наблюдается рост МО-добротности так как коэффициент поглощения экспоненци-

50

ально уменьшается. В итоге в окне прозрачности добротность может превышать 1000 град. Ортоферриты Ортоферриты описываются общей формулой RFeO3, где R – редкоземельные элементы, и относятся к классу слабых ферромагнетиков. Ортоферриты близки к антиферромагнетикам, т.е. магнитные моменты подрешеток в них почти полностью скомпенсированы. Они являются оптически двуосными и обладают сильным двулучепреломлением. Если падающая волна линейно поляризована, то на выходе из кристалла волна становится эллиптически поляризованной, при этом большая ось эллипса повернута на некоторый угол по отношению к направлению линейной поляризации падающей волны. Сильное двулучепреломление препятствует получению больших углов поворота плоскости поляризации. Это является причиной невысокого оптического контраста. Для уменьшения эффекта двулучепреломления падающий луч необходимо направлять вдоль оптической оси. Спектр поглощения сильно похож на спектр поглощения феррит-гранатов. Особенностью ортоферритов является аномально большое (F=4000÷10000 град/см) по сравнению с феррит-гранатами фарадеевское вращение, несмотря на то, что намагниченность насыщения почти в 20 раз меньше. Например, у классического ферритграната Y3Fe5O12, F = 835 град/см. В монокристаллических пластинах ортоферритов, вырезанных нормально к ОЛН (001), реализуется свойственная одноосным ферромагнетикам лабиринтная доменная структура (см. рис.3.1) с характерным периодом 200 мкм. В пластинах, вырезанных нормально к главной оптической оси реализуется равновесная доменная структура в виде прямолинейных полосовых доменов (см. рис.3.2). Отличительная особенность ортоферритов – высокая подвижность и скорость доменных стенок. Например, в YFeO3 скорость достигает 20 км/c, а подвижность около 1 м2/(А∙с). 51

Металлические аморфные пленки Аморфные пленки сплавов редкоземельных и переходных металлов: (Re1-ХMeХ)1-У ZУ, где Re – редкоземельный или немагнитный элемент, используемый для замещения; Ме – один из переходных металлов (Mn, Fe,Co, Ni); ZУ – немагнитный элемент (Mo, Cu, Au), вводимый для обеспечения разнообразия свойств. В отличие от кристаллов, аморфные сплавы не обладают пространственно-периодической атомной структурой. Однако в них сохраняется ближний порядок. При этом ТН аморфного соединения значительно ниже, чем у кристалла. Кроме того, отсутствие кристаллической структуры исключает рассеяние света на границах зерен, которое снижает отношение сигнал/шум при МОсчитывании. Аморфные пленки могут обладать сильной одноосной анизотропией, обеспечивающей ориентацию намагниченности перпендикулярно к плоскости пленки. Температура Кюри аморфных пленок лежит в диапазоне от 350 до 600 К. Низкая температура Кюри обеспечивает высокую чувствительность при записи информации. Сильное оптическое поглощение наблюдается при частотах 105 ÷106 см-1. Для считывания информации, записанной на аморфную пленку, используют как эффект Фарадея, так и эффект Керра. Фарадеевское вращение составляет несколько град/мкм (0,6÷1,72), аналогичная величина и для керровского вращения. У аморфных пленок достаточно низкая коэрцитивная сила. Концентрационная зависимость НС слабо зависит от метода получения аморфных пленок и имеет резкий максимум в точке компенсации магнитного момента, что характерно для ферримагнетика. Для пленок Тb – Fe значение НС примерно на порядок выше, чем в пленках Gd – Fe и Gd – Co, и может достигать примерно 400 кА/м. Однако многие аморфные металлические пленки являются поликристаллическими, наличие границ зерен приводит к большим шумам при считывании информации. В связи с этим была разработана технология получения аморфных пленок, в которых отсутствовали границы зерен (например, GdCo, GdFe, GdTbFe и т.д.). 52

Такие пленки оказались наиболее пригодными для использования в качестве информационной среды при термомагнитной записи информации. Контрольные вопросы 1. Что представляет собой магнитооптический материал? 2. Каким параметром характеризуется исчезновение магнитного упорядочения? 3. Что понимается под ―магнитокристаллической анизотропией‖? 4. Какова причина возникновения доменной структуры в магнитоупорядоченных материалах? 5. При каких условиях реализуется лабиринтная доменная структура? 6. Чем отличается ―блоховская― доменная структура от ―неелевской―? 7. В каких материалах реализуется прямолинейная полосовая доменная структура? 8. Каким образом можно изменять период доменной структуры? 9. При каких условиях реализуется цилиндрическая магнитная доменная структура? Что представляет собой изолированный ЦМД? 10. Чем отличаются феррит-гранаты от ортоферритов? 11. Каковы преимущества и недостатки металлических аморфных пленок? 12. Чем определяется магнитооптическая добротность магнитооптических материалов? Глава 4. МАГНИТООПТИЧЕСКИЕ УСТРОЙСТВА 4.1. Модуляторы света Магнитооптические модуляторы предназначены для управления интенсивностью оптического излучения в системах передачи данных и обработки оптической информации. Достоинствами МОмодуляторов по сравнению с немагнитными аналогами являются возможность практически неограниченной их миниатюризации, 53

поскольку размеры доменов в МО-средах могут составлять 0,1 ÷ 1 мкм, а также отсутствие значительных управляющих напряжений и мощностей, свойственных электрооптическим модуляторам. Принцип действия МО-модулятора объясняет структурная схема, представленная на рис.4.1.

Рис. 4.1. Структурная схема магнитооптического модулятора: 1 – поляризатор, 2 – магнитооптическая ячейка, 3 – анализатор

Параллельный пучок света от источника через поляризатор 1 направляют на пластину или пленку из МО-материала 2, помещенную в управляющее магнитное поле. В отсутствие магнитного поля магнитооптический элемент не влияет на поляризацию проходящего света. В этом случае интенсивность прошедшего через систему поляризатор – магнитооптический элемент – анализатор 3, определяется законом Малюса (1.5). При наличии между поляризатором и анализатором магнитоотического элемента, поворачивающего плоскость поляризации излучения на угол φF, вместо формулы (1.5) следует записать I = I0 cos2 ( ± φF). (4.1) Формула (4.1) применима для идеального поляризатора. Однако, как мы уже знаем, в реальной оптической системе имеют место потери света при поглощении и отражении от поверхностей опти54

ческих элементов. Если при наложении магнитного поля намагниченность пленки параллельна распространению света, то плоскость поляризации выходящего света в зависимости от знака намагниченности повернется на угол +F∙ d или –F∙ d. Наложение переменного или постоянного магнитного поля вызывает изменение соотношения размеров доменов с противоположным знаком намагниченности путем движения доменных стенок или отклонение вектора намагниченности (если плоскостная пленка). Это приводит к повороту плоскости поляризации входящего света, т.е. фазовой модуляции. С помощью анализатора полученная фазовая модуляция может быть преобразована в амплитудную и зарегистрирована фотоприемником. В отсутствие управляющего магнитного поля размеры доменов с противоположной намагниченностью в низкокоэрцитивных МО-материалах равны, причем обычно реализуется лабиринтная доменная структура. После приложения магнитного поля ширина доменов, намагниченных по полю, растет за счет ширины ―невыгодно‖ намагниченных доменов. При этом период доменной структуры не меняется, если изменение магнитного поля происходит достаточно быстро. Так как реальные поляризаторы не обеспечивают полного погасания луча света в положении скрещивания, то в формулу (4.1) вводится коэффициент Δ, учитывающий наличие конечного пропускания света в системе поляризатор – магнитооптический элемент – анализатор. Тогда интенсивность света на выходе модулятора равна I = t I0 exp(-d) [(1-) cos2( φF) + ], (4.2) где t – коэффициент, учитывающий оптические потери в поляризаторе и анализаторе, а также потери на отражение;  – коэффициент оптического поглощения; φF – угол поворота плоскости поляризации МО-элементом. Данное устройство может работать в двух режимах – модулятора и оптического ключа. Для получения максимальной модуляции поляризатор и анализатор должны быть скрещены под углом φ=45 град, а для наблюдения дифракционных эффектов угол φ должен равняться 90 град. Для получения максимального отношения сигнала к шуму поляризатор и анализатор должны быть несколько

55

раскрещены. Величина раскрещивания должна быть порядка φF. Это режим ключа, т.е. режим максимального контраста. При пропускании света через МО-среду, размещенную в магнитном поле, за счет эффекта Фарадея плоскость поляризации света поворачивается на угол F=F∙(М/MS)∙d∙cos, (4.3) где F – удельное фарадеевское вращение ферромагнетика, М и МS – магнитный момент единицы объема образца и намагниченность насыщения,  – угол между направлением намагниченности и направлением распространения света. Анализ зависимости (4.2) показывает, что производная dI/dφ достигает максимального значения при φ. = /4. При этом изменение интенсивности света, прошедшего через модулятор равно I=t∙I0∙exp(-d)∙sin2φF. (4.4) При работе в режиме оптического ключа угол угол φ выбирается равным (– F∙d), т.е. при намагничивании МО-элемента в одном направлении интенсивность света, проходящего через магнитооптический ключ, равна нулю, а в другом направлении равна I=t∙I0∙exp(-d)∙sin22φF. (4.5) Основной характеристикой магнитооптического устройства является его оптическая эффективность QМО, определяемая как отношение изменения сигнала I при переключении ячейки к интенсивности падающего излучения I0 (оптический КПД): (4.6) QМО= I / I0 = (I+ - I–) / I0 . Эффективность магнитооптических устройств зависит от фарадеевского вращения и коэффициента поглощения материала. Видно, что оптический КПД тем выше, чем меньше оптическое поглощение и сильнее эффект Фарадея, другими словами, выше МОдобротность QМО=2F/. Из (4.4) можно определить оптимальную толщину магнитооптической пленки, обеспечивающую наибольшую эффективность магнитооптического модулятора: dопт=(2F)-1∙arctg(2F/). (4.7) Для магнитооптического ключа: dопт=(2F)-1∙arctg(4F/). (4.8) Важным параметром МО-модулятора являются глубина модуляции, %. Для модуляции оптического излучения с помощью про56

зрачных ферромагнетиков могут использоваться следующие физические процессы: смещение доменных границ, вращение вектора намагниченности образца во внешнем магнитном поле, прецессия намагниченности образца, помещенного в СВЧ-резонатор. В конструкциях оптических модуляторов чаще всего применяются эпитаксиальные структуры феррит-гранатов или пластинки ортоферритов, характеризующиеся наличием значительной одноосной анизотропии с НА>4πМS. При использовании для модуляции оптического излучения процесса смещения доменных границ глубина модуляции: к=(I+– I–)∙100 /I + . (4.9) Затраты энергии при модуляции характеризуют энергетической эффективностью МО-материалов: (4.10) =(F/HS)2. Очевидно, что управляющая мощность МО-модулятора тем ниже, чем выше фарадеевское вращение, ниже поле насыщения и перемагничиваемый объем МО-среды. Принято считать, что магнитооптические модуляторы, в основе работы которых лежит процесс смещения доменных границ, являются низкочастотными. Это связано с тем, что в ранних разработках магнитооптических модуляторов исследовались материалы, в которых предельные скорости движения доменной границы не превышали 10 м/с. Очевидно, что при такой скорости и периоде доменной структуры 10 мкм частота модуляции ограничивалась несколькими мегагерцами. Современные достижения в области технологии магнитооптических материалов привели к изменению ситуации. К настоящему времени созданы эпитаксиальные структуры феррит-гранатов, в которых скорость движения доменной границы превышает несколько тысяч м/с, поэтому при периоде доменной структуры равной 10 мкм становится возможным получение глубины модуляции в несколько десятков процентов на частотах в сотни мегагерц и в полях управления порядка десятков эрстед. Частотный диапазон модулятора тем выше, чем меньше период доменов, т.е. меньше смещение доменных стенок и выше их скорость v. Значение v (до известных пределов) линейно зависит от 57

управляющего магнитного поля Н, поэтому частотный диапазон модуляции можно расширить, повышая амплитуду управляющего поля. Однако при некотором значении Н скорость доменных стенок практически перестает зависеть от поля, достигая насыщения, что ограничивает быстродействие МО-модулятора частотами 108÷109 Гц. Предельная частота модуляции сильно уменьшается, если управляющее поле превышает поле насыщения МО-среды изза задержки образования доменов с обратной намагниченностью в монодоменной МО-среде после выключения управляющего поля или изменения его полярности. При некоторых условиях МО-среда может обладать эффектом памяти – сохранением однородно намагниченного состояния в отсутствие внешнего поля. Это свойство МО-материалов используется при создании на их основе вентилей и затворов. Таким образом, основные требования к МО-материалам, используемым в модуляторах, сводятся к следующему: магнитный материал должен иметь как можно более высокие МОдобротность, подвижность ДС и скорость насыщения при их движении, малые поля насыщения и малый период доменной структуры. Последние два требования противоречивы, поскольку уменьшение размера доменов, как правило, связано с увеличением намагниченности насыщения и, следовательно, ростом поля насыщения. Магнитооптический модулятор лазерного излучения Первым интегральным магнитооптическим устройством, в основе работы которого лежал процесс преобразования волноводных мод, явился модулятор – переключатель светового излучения с управляющим проводником в виде меандра. Это так называемый модулятор волноводного типа. В нем свет распространяется в плоскости пленки. Для модуляции проходящего излучения осуществляется перемагничивание магнитооптической среды за счет вращения вектора намагниченности под действием управляющего магнитного поля. В экспериментальном варианте прибора использовалась эпитаксиальная пленка состава Y3 Fe3,5 Sc0,4 Ga1,1 O12, 58

толщиной 3,5 мкм, выращенная на подложке из галийгадолиниевого граната (GGG) c ориентацией в плоскости (111). Вектор намагниченности лежал в плоскости пленки. Поле, необходимое для вращения намагниченности в плоскости пленки, не превышало 1 Э. На рис. 4.2 показана конструкция одного из вариантов прибора.

Рис. 4.2. Тонкопленочный магнитооптический модулятор лазерного излучения: 1 – входная и выходная призмы, 2 – проводник, 3 – эпитаксиальная пленка феррит-граната, 4 – подложка

При волноводном распространении света в зависимости от того, параллельна или перпендикулярна плоскость колебаний электрического вектора Е к плоскости пленки, различают поперечную электрическую (ТЕ) и магнитную (ТМ) моды, которые характеризуются числом т узлов световой волны. Ввод и вывод излучения осуществлялся с помощью призм, причем необходимо, чтобы показатель преломления пленки был меньше показателя преломления призмы, но больше подложки. Одномодовый режим с желаемым т можно возбудить, изменяя угол падения луча на призму. Управляющий проводник имел период Р = (Δβ)-1·2π ≈ 0,25 см (где Δβ – разность фаз волноводных мод, равная 24,7 рад ⁄см) и обеспечивал изменение связи между ТЕ- и ТМ-модами (при М║х достигалось максимальное преобразование мод, при М║у оно отсутствовало).

59

Для модуляции проходящего излучения перемагничивание МОпленки осуществляется не путем смещения ДС, а за счет вращения вектора намагниченности под действием управляющего магнитного поля, приложенного в плоскости пленки. Управление ориентацией вектора намагниченности осуществлялось с помощью двух токовых проводников в виде меандров, расположенных перпендикулярно друг к другу. Теоретическая оценка дала для коэффициента преобразования 62 %, в эксперименте было достигнуто значение 52 %. Предельная частота модуляции (300 МГц) ограничивалась быстродействием детектора. Вообще говоря, в таком модуляторе отсутствуют частотные ограничения, поскольку эффект не связан с динамикой доменных стенок, и он может функционировать вплоть до 1 ÷ 10 ГГц. Существует вариант прибора, также обеспечивающий значительный коэффициент преобразования мод. В этом варианте для создания периодического обращения намагниченности использовалась структура, формально эквивалентная набору маленьких постоянных магнитов, создающих внешнее магнитное поле, пространственно модулированное по знаку и амплитуде. Длина взаимодействия равнялась 1 см, оптимум преобразования мод, достигавший 80 %, получался при приложении продольного поля 1 Э и поперечного поля 2,4 Э. Глубина модуляции составляла 70 % на частоте 60 Гц. Быстродействие было доведено до 300 МГц. 4.2. Дефлекторы Распространение линейно поляризованного света через магнитооптический материал, обладающий полосовой или лабиринтной доменной структурой, имеет ряд особенностей. В частности, из-за того что соседние магнитные домены вращают плоскость поляризации в разные стороны, прохождение света через МО-материал сопровождается дифракцией на магнитных доменах, т.е. доменную структуру в тонкой магнитной пленке можно рассматривать как фазовую дифракционную решетку. В фазовой дифракционной решетке происходит модуляция фазы световых волн, в то время как в амплитудной дифракционной решетке происходит модуляция их 60

амплитуды. Изменение периода доменной структуры внешним магнитным полем приводит к изменению углов дифракции света. На этом принципе построен самостоятельный класс одноэлементных МО-устройств. К ним относятся устройства отклонения света (дефлекторы), устройства коммутации пучка между световодами, оптические мультиплексоры и демультиплексоры, устройства управляемого и избирательного ввода света в оптические волноводы, магнитоуправляемые линзы, устройства измерения расстояния и др. Рассмотрим тонкую пластинку магнитного диэлектрика, обладающую одноосной магнитной анизотропией. В такой пластинке реализуется полосовая или лабиринтная доменная структура, причем направление намагниченности в доменах ориентировано перпендикулярно к поверхности образца. Так как соседние домены намагничены в противоположных направлениях, вращение плоскости поляризации света происходит в разные стороны: φF+ и φF–. Предположим, что толщина d выбрана таким образом, что φF+ = +90 град, а φF – = –90 град. Тогда для волны, поляризованной на входе вдоль оси у (вектор Е световой волны направлен по оси у), на выходе из кристалла свет будет поляризован вдоль оси х, но при переходе от одного домена к другому фаза будет меняться на 180 град. (рис.4.3). Доменная структура в этом случае ведет себя как фазовая дифракционная решетка. В рассматриваемой симметричной фазовой дифракционной решетке (для нее w1 = w2 = P/2, где Р – период доменной структуры, а w1 и w2 – ширины соседних доменов с противоположной ориентацией намагниченности) будет отсутствовать нулевой порядок дифракции, так как в результате интерференции лучей, прошедших через соседние домены, отсутствует интенсивность излучения вдоль оси z. Рассматривая интерференцию световых пучков при произвольном угле , где угол  отсчитывается от оси z в плоскости хоz, можно получить соотношение, определяющее углы дифракции света на полосовой доменной структуре Р sin = nλ, (4.11) где n = 0, ±1, ±2,…– порядок дифракции, λ – длина волны света.

61

Рис. 4.3. Прохождение линейно поляризованного света через пластинку магнетика с полосовой доменной структурой

Для фазовой дифракционной решетки, изображенной на рис.4.3 отсутствуют четные порядки дифракции, т.е. интенсивность дифракции равна нулю при n = 0, ±2, ±4, …. В большинстве случаев фарадеевское вращение оказывается менее 90 град, при этом на выходе кристалла световая волна имеет как ЕУ-, так и ЕХ-компоненты. Все ЕУ-компоненты имеют одну фазу, поэтому эта компонента световой волны на выходе из кристалла распространяется вдоль оси z и не содержит никакой информации о доменной структуре, т. е. интенсивность излучения, поляризованного вдоль оси у, представляет собой фоновую засветку. Таким образом, при прохождении света через систему доменов в произвольном случае в нулевом порядке дифракции излучение поляризовано вдоль осей х и у (случай несимметричной фазовой дифракционной решетки), а в остальных порядках дифракции излучение поляризовано лишь вдоль оси х. Интенсивность излучения в нулевом порядке дифракции, поляризованного вдоль оси у определяется как Iy,0=I0 exp(-γd)∙cos2(φF d), (4.12) а интенсивность света в остальных порядках дифракции поляризованного вдоль оси х определяется: 62

Ix, 0=I0(2w1/P-1) exp (-γ d)∙sin2(φF d), (4.13а) -2 -2 2 2 Ix, ±n= I0π n 4exp(-γ d)∙sin (φF d)sin (πnw1/P). (4.13б) Формула (4.13б) определяет интенсивность излучения в порядках дифракции, начиная с n = 1,2,3,…; для порядков дифракции с n = –1,–2, –3… имеет место соотношение Ix, n = Ix, –n. Свет в нулевом дифракционном максимуме имеет ту же поляризацию, что и падающий, в то время как поляризация света в первом дифракционном максимуме, направленном под углом =arcsin(λ/P) ортогональна исходной. Для управления углом дифракции света необходимо изменять период доменной структуры. Это может быть достигнуто двумя способами. При наложении внешнего магнитного поля, направленного вдоль оси легкого намагничивания в пленках с одноосной магнитной анизотропией (поле прикладывается перпендикулярно плоскости пленки), происходит расширение доменов, магнитные моменты которых направлены по полю, и сжатие доменов с противоположным направлением намагниченности (рис.4.4).

Рис. 4.4. Магнитооптические дефлекторы оптического излучения: напряженность магнитного поля равна нулю (а), поле приложено в плоскости пластины (б), перпендикулярно к пластине (в). Двумерное сканирование с помощью магнитооптического дефлектора (г)

63

При этом сначала период доменной структуры почти не изменяется, так что углы дифракции также не изменяются, а происходит изменение интенсивности света во всех порядках дифракции; в частности, появляются четные порядки, при этом интенсивность излучения в первом порядке падает пропорционально sin2(πw/P), здесь w – размер домена. При дальнейшем увеличении поля смещения происходит быстрое увеличение периода доменной структуры, при этом ширина доменов, намагниченность которых ориентирована по полю, также быстро растет, в то время как ширина доменов с противоположной ориентацией намагниченности слабо уменьшается. На этом этапе перестройки доменной структуры происходит уменьшение углов дифракции света. Такой процесс изменения вида доменной структуры называется изменением симметрии дифракционной решетки. При наложении магнитного поля в плоскости пленки происходит уменьшение периода доменной структуры (рис. 4.4, б), однако дифракционная решетка в первом приближении остается симметричной, так как домены с противоположными ориентациями намагниченности остаются равными по ширине. Управление полосовой структурой с помощью поля в плоскости пленки позволяет реализовать двумерные дефлекторы оптического излучения. Дифрагированные лучи все время лежат в плоскости, перпендикулярной к поверхности магнитной пленки и направлению полосовой доменной структуры. При изменении направления магнитного поля в плоскости пленки система полосовых доменов будет поворачиваться, отслеживая направление приложенного поля. В результате происходит двумерное сканирование (рис.4.4, г). Следует отметить, что такой уникальной возможностью не обладают ни акустооптические, ни электрооптические дефлекторы света. Оптимальная толщина МО-среды для дефлекторов равна (4.14) dОПТ=F-1arctg QМО. При этой толщине оптический КПД (относительная интенсивность дифрагированного луча) зависит только от МО-добротности. Кроме МО-добротности важным параметром дефлектора является энергия управления доменной решеткой. Для существенного 64

изменения периода решетки необходимо приложить в плоскости пленки поле, соизмеримое с полем анизотропии НОДН. Следовательно, для уменьшения энергии управления необходимо выбирать МО-среды с невысокой НОДН. Быстродействие МО-дефлектора определяется скоростью изменения периода полосовой структуры и ограничивается в основном не скоростью движения ДС, а механизмами перестройки доменов. Характерные значения времени при этом составляют примерно 10-6 с. Дифракционная эффективность магнитооптических дефлекторов на основе эпитаксиальных феррит-гранатовых пленок может быть существенно увеличена, если пленку поместить в резонатор лазера. Однако нужно иметь в виду, что при этом резко падает добротность резонатора. Создание оптической системы, состоящей из двух связанных резонаторов, позволяет решить проблему построения эффективного магнитооптического дефлектора ИКдиапазона. На рис.4.5 показана принципиальная схема такой системы.

Рис. 4.5. Внутрирезонаторный магнитооптический дефлектор: 1 – отражающие зеркала, 2 – магнитная пленка, 3 – полупрозрачное зеркало, 4 – активный элемент лазера, 5 – дифрагированный свет

Надлежащим выбором коэффициента пропускания среднего полупрозрачного зеркала можно добиться, чтобы в резонаторе лазера обеспечивалась устойчивая генерация, а в резонаторе дефлектора существовала система стоячих волн, в результате чего значительно повышается дифракционная эффективность системы. В эксперименте, достигнута эффективность дифракции 10 % на длине волны 1,06 мкм при использовании эпитаксиальной пленки феррит65

граната толщиной 20 мкм, которая в обычном режиме обеспечивала эффективность 0,5 %.

4.3. Пространственная фильтрация оптических сигналов Явление дифракции света на доменной структуре используется для исследования тонких магнитных пленок, в частности для измерения параметров доменной структуры в пленках с очень низким контрастом, что соответствует дифракционной эффективности на уровне 10-3 ÷ 10-6. Примем для определенности, что падающий на магнитную пленку свет линейно поляризован вдоль оси у. При такой дифракционной эффективности, практически весь свет, падающий на магнитную пленку, линейно поляризованный вдоль оси у и прошедший через пленку, соответствует нулевому порядку дифракции, имеющему поляризацию, совпадающую с исходной. Скрещенные пленочные дихроичные поляризаторы обеспечивают ослабление света на уровне 10-2 ÷ 10-4. В то же время вся информация о доменной структуре заключена в порядках дифракции, в которых излучение поляризовано вдоль оси х, т.е. перпендикулярно к поляризации падающего излучения. При указанной дифракционной эффективности интенсивность нулевого порядка дифракции даже после его ослабления поляризатором, установленным в скрещенное положение, на несколько порядков превышает интенсивность излучения в первых порядках дифракции. При наблюдении доменной структуры в поляризационном микроскопе низкий контраст изображения, как указывалось в предыдущем разделе, обусловлен маскирующей засветкой, связанной с излучением, поляризованным вдоль оси у, которое не несет никакой информации. Метод пространственной фильтрации дифрагированных лучей позволяет, в принципе, полностью устранить укомпоненту излучения путем блокирования нулевого порядка дифракции, т.е. использование пространственного фильтра позволяет существенно увеличить контраст при наблюдении доменных структур. Методы пространственной фильтрации пригодны для измерения периода доменной структуры микронного и субмикронного 66

размеров без использования оптических поляризационных микроскопов. На рис.4.6 показана структурная схема установки для измерения ширины доменов в тонких магнитных пленках с одноосной анизотропией дифракционным методом.

Рис. 4.6. Структурная схема пространственной фильтрации. 1 – лазер, 2 – модулятор (вращающийся диск), 3 –магнитная пленка, 4 – анализатор, 5 – пространственный фильтр, 6 – линза, 7– фотоприемник

Луч лазера 1 проходит через модулятор 2, магнитную пленку 3, содержащую лабиринтную доменную структуру, и дифрагирует на ней. Нулевой порядок дифракции первоначально ослабляется анализатором 4, ось пропускания которого направлена перпендикулярно к плоскости поляризации падающего луча. Анализатор необходим для уменьшения интенсивности рассеянного света. Излучение нулевого порядка дифракции, все же прошедшее через скрещенный анализатор, полностью блокируется пространственным фильтром 5, представляющим собой кольцевую прорезь в непрозрачном экране. Дифрагированное излучение собирается линзой 6 на фотоприемник 7. Перемещая пространственный фильтр вдоль оси, совпадающей с лучом лазера, устанавливают его в такое положение, при котором дифрагированный конус 1-го порядка пройдет через кольцевую прорезь. Зная радиус пространственного фильтра r и расстояние L от фильтра до пленки, можно найти угол дифракции , определяемый соотношением tg  = r/L. Период доменной структуры Р, или ширину полосового домена w=P/2, определяют по найденному углу дифракции с помощью соотношения ( 4.11) для 1-го порядка дифракции: Р sin  = λ. 67

4.4. Запоминающие устройства на магнитооптических дисках Интерес к магнитооптическим способам записи и хранения информации обусловлен, в первую очередь тем, что достигаемая плотность записи находится на уровне 10 8 бит/см2, при наличии возможности многократного стирания и повторной записи. При использовании носителей стандартного формата становится достижимым объем памяти 1 Гбайт на поверхность. Существует два способа записи: дискретная (в виде отдельных битов информации) и голографическая. В настоящий момент чаще всего используется дискретная запись. При дискретной записи свет фокусируется в пятно диаметром 1 мкм на поверхности тонкой магнитной пленки. По способу адресации запись можно разделить на два класса: с неподвижным и с подвижным носителем информации. В неподвижных адресация производится с помощью дефлектора, а в подвижном как в обычных накопителях с движущейся головкой. Носитель информации в МО-запоминающих устройствах (ЗУ) может выполняться в виде однородной тонкой магнитной пленки или в виде дискретной островковой структуры, где каждый островок (мезаструктура) соответствует одной ячейке ЗУ. В МО-дисках предварительно формируются спиральные или концентрические дорожки. В принципиальном плане, запись информации может производиться или термомагнитным способом или с помощью намагничивающего поля, которое создается специальными токовыми шинами или катушками. Термомагнитная запись производится путем нагрева МО-материала до температуры Кюри. Мы остановимся лишь на последнем способе. В устройстве записи носителем информации является МОматериал, представляющий собой жесткий пластиковый диск толщиной 1,2÷1,5 мм и диаметром 130 ÷ 300 мм, на который методом вакуумного осаждения или катодного напыления нанесена тонкая магнитная пленка, магнитные и магнитооптические свойства которой обеспечивают возможность термомагнитной записи информации и ее последующее считывание с помощью эффекта Фарадея 68

или Керра. Типичная толщина интерметаллической магнитной пленки 100 нм. Для защиты пленки от окружающей среды со стороны подложки и с внешней стороны наносятся тонкие пленки диэлектриков, внешний защитный слой одновременно выполняет роль просветляющего покрытия. Обычно два таких диска соединяются между собой и заключаются в пластиковый корпус. На дисках предварительно формируются дорожки с расстоянием 1,5 мкм. Традиционная магнитооптическая запись информации осуществляется путем фокусировки излучения полупроводникового лазера с длинной волны 0,8 мкм и мощностью 10÷30 мВт на МО-среду в пятно, диаметр которого определяется дифракционным пределом (менее 1 мкм). Важно, что бы локальный участок пленки при этом нагревался до температуры, превышающей температуру Кюри. Линза объектива должна находиться на расстоянии в несколько миллиметров, что исключает механическое повреждение носителя. На рис. 4.7 представлена структурная схема ЗУ на движущемся магнитооптическом диске. Луч лазера 1 пропускается через дифракционную решетку 2. Нулевой порядок используется для считывания информации, а дифракционные для слежения за дорожкой с точностью 0,05-0,1 мкм. Оптическая головка располагается на подвижном позиционере, перемещение которого по радиусу диска обеспечивает запись в любую дорожку. Так как глубина резкости объектива 6 примерно равна 1мкм, для фокусировки лазерного излучения на поверхность магнитооптической пленки 7 применяется специальная система автофокусировки. В системе автофокусировки используются две цилиндрические линзы 11 и матрица из четырех фотоприемников 12. Фокальные расстояния в оптической системе выбраны таким образом, что при фокусировке луча лазера на магнитооптическом носителе изображение, формируемое цилиндрическими линзами на матрице фотоприемников, не искажается и имеет форму круга.

69

Рис. 4.7. Структурная схема ЗУ на подвижном магнитооптическом диске: 1 – лазер, 2 – дифракционная решетка, 3 – линза, 4 – поляризатор, 5 – делитель луча, 6 – объектив, 7 – магнитооптический диск, 8 – привод диска, 9 – пластинка λ/4, 10 – делитель поляризованного излучения, 11 – цилиндрические линзы, 12 – фотодиодная матрица

Если фокусировка нарушается, то световое пятно, проецируемое на матрицу фотодиодов, приобретает форму эллипсов. Главная ось эллипса направлена вертикально, когда магнитооптическая пленка слишком удалена от объектива, и горизонтально, когда МОП находится слишком близко. В этих случаях матрица фотоприемников формирует сигнал ошибки, который усиливается и поступает на сервосистему, обеспечивающую перемещение объектива и фокусировку изображения. Плотность записи на магнитооптическом диске зависит от свойств среды, схемы кодирования информации, длины волны излучения лазера и числовой апертуры объектива. Применяется код, использующий изменение направления магнитного потока между доменами. Плотность записи ограничивается дифракционным пределом. В современных ЗУ запись и считывание производится на 70

пределе разрешения оптической системы, т.е. считываются пятна диаметром 0,8 мкм с дорожек, находящихся на расстоянии 1,6 мкм друг от друга с помощью объектива с числовой апертурой А = 0,6 на длине волны λ = 0,82 мкм. Таким образом, максимальная плотность записи информации N=(1/2)q-2≈1,4 (λ/А)2 составляет 8∙107 бит/см2 (здесь коэффициент ½ учитывает площадь между дорожками, q – диаметр сфокусированного излучения). При считывании информации необходимо мощность лазера снизить ниже порога записи, чтобы не разрушить запись. При отражении линейно поляризованного света от магнитооптической пленки плоскость поляризации поворачивается на некоторый угол, определяемый значением эффекта Керра материала, при этом направление вращения плоскости поляризации зависит от ориентации намагниченности среды. Так как при отражении света, наряду с поворотом плоскости поляризации, происходит преобразование линейно поляризованного излучения в эллиптически поляризованное. Для того чтобы компенсировать возникшую эллиптичность, отраженный луч пропускают через компенсатор, представляющий собой четвертьволновую пластинку. После компенсатора световой луч проходит через призму Волластона, после чего каждый из лучей попадает на свой фотоприемник. Если вращение плоскости поляризации света при отражении отсутствует, то интенсивности света на фотодиодах равны и разностный сигнал равен нулю. При наличии вращения плоскости поляризации на один фотодиод попадает больше света, чем на другой, в результате возникает разностный сигнал. Фаза разностного сигнала обеспечивает регистрацию направления намагниченности среды. Для магнитооптических материалов, предназначенных для термомагнитной записи информации со считыванием с помощью эффекта Керра, вводят фактор качества материала К : (4.15) К = Rsin22К , где К – угол вращения Керра, R – коэффициент отражения материала. Для аморфных пленок на основе сплавов редкоземельных и переходных элементов группы железа R ≈ 40 %, 2К < 1 град, так что К ≈ 1·10-4. 71

Основные пути повышения фактора качества, а, следовательно, отношения сигнала к шуму – это повышение величины К за счет подбора состава материала пленки и легирования ее различными ионами, а также использование просветляющего диэлектрического покрытия, что приводит к уменьшению коэффициента отражения и увеличению угла вращения плоскости поляризации. Применение просветляющего покрытия, которое одновременно выполняет роль защитного покрытия, позволяет увеличить коэффициент К в несколько раз. Справедливости ради, нужно отметить, что оптические накопители значительно опережают магнитооптические в скорости записи и объемах хранимой информации, но существенно проигрывают им в надежности хранения этой информации. Для примера, испортить данные на магнитооптическом диске довольно трудно: его необходимо нагреть до очень высокой температуры (температуры Нееля). На фоне этого любой оптический носитель существенно менее надежен, так как несколько царапин, появившихся вследствие неосторожного хранения, могут привести к невосполнимым потерям данных. Естественно, что ученые и технологи ищут пути для преодоления такого недостатка магнитооптических запоминающих устройств, как относительно невысокая скорость записи. Например, фирма SONY связывает дальнейшее развитие магнитооптических ЗУ с новой технологией оптической записи UDO (Ultra Density Optical). Примерно аналогичную технологию (формат OSD – Optical Super Density) предложила фирма Maxoptix. Технология UDO базируется на новом коротковолновом лазере с длиной волны 405 нм, применение которого позволит существенно увеличить плотность размещения дорожек записи и плотность записи в дорожке. Процесс записи основан не на традиционной магнитооптической технологии, а на технологии изменения фазы. Формат UDO предполагает начальную емкость 5,25″диска в 40 GB (по 20 GB на сторону). В дальнейшем емкость должна быть доведена до 60 GB или даже до 120 GB. Для повышения плотности записи и быстродействия используется комбинация из нескольких приемов. В отличие от традиционной магнитооптической технологии рабочий слой размещается 72

практически на поверхности диска. При этом защитный слой сохраняется, но становится тоньше, так, что головки могут приблизиться к рабочему слою почти вплотную. Считывающая оптическая головка имеет усовершенственную линзу и располагается очень близко от поверхности, благодаря чему достигается минимальный размер светового пятна. Запись производится с помощью двух головок. Оптическая головка осуществляет нагрев, а магнитная модулирует магнитное поле. Обе стороны диска записываются одновременно, благодаря чему скорость записи и чтения данных удваиваются. 4.5. Магнитооптические ЗУ с адресацией лазерным лучом Как отмечалось выше, в магнитооптических ЗУ с неподвижным носителем информации запись и считывание производится лучом лазера, который отклоняется в требуемую позицию с помощью дефлектора. Магнитооптические запоминающие устройства такого типа обладают существенными преимуществами по сравнению с другими типами магнитооптических ЗУ. В первую очередь, это отсутствие механических перемещающихся узлов и высокое быстродействие. С другой стороны, возникают серьезные трудности при построении ЗУ такого типа большой емкости (более10 6 бит), так как существующие дефлекторы лазерного излучения имеют ограниченное число разрешимых позиций. На рис. 4.8 представлена схема такого ЗУ с неподвижным носителем информации. В качестве носителя информации используются магнитооптические материалы, обладающие одноосной магнитной анизотропией и высоким значением фарадеевского или керровского вращения, в которых намагниченность ориентирована перпендикулярно к плоскости пленки.

73

Рис. 4.8. Структурная схема магнитооптического ЗУ с адресацией лазерным лучом: запись (а) и считывание (б) информации: 1 – лазер, 2 – дефлектор, 3 – магнитооптический носитель информации, 4 – информационный домен (бит информации), 5 – анализатор, 6 – линза, 7 – фотоприемник

Большинство макетных образцов ЗУ такого типа выполнено на основе ЭПФГ. Запись информации, как и в предыдущем случае, производится термомагнитным способом. При локальном нагреве участка носителя информации происходит его перемагничивание в результате совместного воздействия размагничивающего поля и постоянного или импульсного магнитного поля смещения с напряженностью порядка 100 Э. Импульсное магнитное поле прикладывается практически одновременно с воздействием лазерного импульса. Считывание информации производится также лучом лазера, только с меньшей интенсивностью, чем при записи. Магнитооптические ЗУ с адресацией лазерным лучом, в зависимости от способа организации информационных ячеек, имеют плотность записи информации на уровне 10 6 ÷107бит/см2, время произвольного обращения составляет примерно 0,1÷5 мкс. Как и в ЗУ на магнитооптических дисках, процесс записи информации может производиться нагревом локального участка пленки до температуры, превышающей температуру Кюри. В пленке ферритграната с 4πМS = 36 Гс и ТС = 125 град Цельсия, толщиной 4 мкм формировались мезаструктуры в виде квадратных ячеек со стороной 10 мкм, глубина канавок между ячейками равнялась 2 мкм, при этом ширина канавки также равнялась 2 мкм. Переключение ячеек происходило под воздействием импульса лазерного излучения длительностью 6 мкс, сфокусированного в пятно диаметром 74

4 мкм, мощность лазера составляла 20 мВт, в момент записи подавалось постоянное поле смещения напряженностью 10 Э. 4.6. Магнитооптический коммутатор для волоконнооптических линий связи На рис. 4.9 показано устройство, предназначенное для коммутации оптических сигналов, распространяющихся по волоконнооптическим линиям связи. Свет, выходящий из нижнего световода, дифрагирует на полосовой доменной структуре с периодом 3,4мкм. Для увеличения дифракционной эффективности устройства использовались эпитаксиальная пленка висмутсодержащего ферритграната с большим фарадеевским вращением.

Рис. 4.9. Переключатель для волоконно-оптический линии связи на основе магнитооптического дефлектора: 1 – входной световод, 2 – центральный выходной, 3 – переключаемые выходные световоды, 4 – подложка, 5 – эпитаксиальная пленка феррит-граната с полосовой доменной структурой

В описываемом устройстве нулевой порядок дифракции собирался центральным выходным световодом, соосным с входным световодом. Луч первого порядка дифракции с помощью дефлек75

тора адресовался в любой из шести боковых световодов, угол наклона которых по отношению к вертикали выбирался равным углу дифракции в первом порядке. Переключение дифрагированного луча между световодами достигалось азимутальным вращением системы полосовых доменов, причем переход от одного положения к другому происходил в результате воздействия на систему полосовых доменов импульсов магнитного поля длительностью менее 1 мкс. Выходной сигнал имел отношение сигнал/шум более восьми. Данный коммутатор волоконно-оптических линий связи имеет значительные преимущества по сравнению с существующими, так как в нем отсутствуют движущиеся детали, система функционирует в области длин волн λ > 1мкм, наиболее пригодной для построения дальних линий оптической связи. Мощность расходуется только в процессе переключения ориентации системы полосовых доменов и не потребляется в течение остального периода. Система обеспечивает передачу информации в обоих направлениях как в боковые световоды из нижнего, так и в обратном направлении.

Рис. 4.10. Мультиплексор оптических сигналов на основе магнитооптического дефлектора: входной 1, центральный 2 и боковые выходные 3 световоды, эпитаксиальная пленка с полосовой доменной структурой 4, подложка 5

76

На рис. 4.10 показана схема мультиплексирования и демультиплексирования оптических сигналов с различной длиной волны света. При заданном периоде доменной структуры угол дифракции зависит от длины волны света в соответствии с соотношением Psin = nλ, так что каждый луч попадает в требуемое волокно, установленное под углом дифракции первого порядка для соответствующей длины волны света. 4.7. Оптические изоляторы При использовании в качестве источников излучения одночастотных полупроводниковых лазеров отраженный от межсоединений тракта свет способен существенно ухудшить характеристики излучателя, а именно – привести к флуктуациям амплитуды, разделению мод, сдвигу частоты излучения и т.п. Один из путей устранения этих негативных эффектов заключается во введении в оптическую линию связи МО-изолятора. В МО-изоляторе плоскость поляризации проходящего света поворачивается на угол 45 град. Если оси пропускания поляризатора и анализатора развернуты на угол 45 град, большая часть света проходит в прямом направлении и почти гасится в обратном. В качестве активной среды используются пленки феррит-граната. ЭПФГ с вектором намагниченности в плоскости пленки обладают существенно меньшим размагничивающим фактором и требуют для насыщения намного меньшие магнитные поля, чем объемные монокристаллы. Однако при распространении света в плоскости МО-пленки существенное значение приобретает отражение света от верхней и нижней границы пленки, в результате чего могут проявиться нежелательные дифракционные эффекты. Кроме этого, ввиду ограниченной толщины пленки они могут использоваться только с одномодовыми лазерами. На рис.4.11 приведена конструкция МО-изолятора горизонтального типа. Диаметр устройства составляет 7 мм, длина также 7 мм.

77

Рис. 4.11. Магнитооптический изолятор на ЭПФГ толщиной 200 мкм: 1 – поляризатор; 2 – градан; 3 – подложка; 4 –ЭПФГ; 5 – анализатор; 6 – постоянный магнит. (Градан – стержневая линза с переменным показателем преломления)

Всех перечисленных недостатков лишена конструкция вертикального типа. В такой конструкции между лазерным диодом (ЛД) и Bi-содержащей ЭПФГ отсутствуют какие-либо элементы тракта, вследствие чего излучение, отраженное от поляризатора и линзы, согласующей ЛД с оптическим волокном, не вызывает генерации шумов в лазере. МО-изолятор действует следующим образом (рис. 4.12).

Рис. 4.12. Структурная схема лазерного модуля волоконно-оптической линии связи (ВОЛС) с магнитооптическим изолятором. 1 – стекловолокно, 2 – поляризатор, 3 – линза, 4 – магнит, 5 – лазерный диод, 6 – ЭПФГ

78

Плоскополяризованный свет от лазера проходит через Biсодержащую ЭПФГ и при этом плоскость поляризации поворачивается на 45 град. Ось пропускания поляризатора устанавливается так, чтобы максимум прямого излучения попадал в стекловолокно. Между тем плоскость поляризации отраженного света после вторичного прохождения через Bi-содержащую ЭПФГ оказывается ортогональной исходной плоскости поляризации, и такой свет не приводит к нарушению режима работы лазерного диода. 4.8. Топографирование пространственно неоднородных магнитных полей Визуализация и топографирование магнитных полей с помощью магнитооптики представляет собой новое широкое направление в измерительной технике. Сюда же относится и возможность визуализации записи на магнитных носителях. Суть магнитооптического метода визуализации пространственного распределения магнитного потока, создаваемого магнитным носителем, заключается в однозначном соответствии намагниченности МО-пленки ЭПФГ величине напряженности воздействующего на него магнитного поля, что, в свою очередь, создает пространственное распределение ориентации магнитного момента по поверхности ЭПФГ, которое с помощью эффекта Фарадея приводит к пространственному распределению плоскости поляризации взаимодействующего света. При создании подобного визуализатора необходимо предъявлять к МО-феррит-гранатовым пленкам особые требования. Эти пленки не должны обладать собственной доменной структурой и должны полностью перемагничиваться в полях порядка сотни эрстед. В большей степени этим требованиям удовлетворяют ЭПФГ с анизотропией типа ―легкая плоскость‖. В размагниченном состоянии вектор М пленок типа ―легкая плоскость‖ наклонен к плоскости пленки под некоторым малым углом. Под влиянием внешнего поля, нормального к плоскости пленки, вектор М отклоняется от плоскости и при полях, соответствующих насыщающим, ориентируется по нормали к плоскости. Из-за существенного различия в размагничивающем факторе для нормальных и касательных ориентаций внешних полей, поля намагничивания также зна79

чительно отличаются. Наиболее характерными значениями полей перемагничивания являются 1÷3 Э и 250÷500 Э, для касательной и нормальной ориентации внешних полей соответственно. К сожалению, эти пленки малопригодны для визуализации слабых магнитных полей, нормальных к плоскости пленки. Ферритгранатовыми структурами, сочетающими свойства одноосных доменосодержащих пленок и пленок с анизотропией ―легкая плоскость‖ являются многослойные пленки с анизотропией типа ―угловая фаза‖. В этих пленках угол выхода из плоскости вектора намагниченности изменяется по толщине и в разных слоях достигает насыщения при различных внешних полях. Основными параметрами, характеризующими свойства ферритгранатовых пленок, используемых в магнитооптических преобразователях, являются: ■ угол удельного фарадеевского вращения поляризации света, прошедшего через намагниченный до насыщения образец, F град/см;  коэффициент поглощения света МО-образцом, , см-1;  величина коэрцитивной силы, НС , Э;  тип анизотропии, определяющий магнитную структуру (домены) полностью размагниченного образца;  намагниченность насыщения, 4МS , Э;  гистерезис кривой перемагничивания;  размеры доменов, их форма и распределение намагниченности в доменных границах;  подвижность доменных границ, определяющая максимальную частоту перемагничивания образца, ГР, с-1. Для эпитаксиальных пленок феррит-гранатов, выращенных на прозрачных гранатовых подложках, принципиальным является значение магнитострикции, которая существенным образом может изменить магнитные параметры таких образцов при их охлаждении до азотных температуры. Кроме того, важное значение имеет также количество и размер дефектов магнитной структуры пленки на единице ее поверхности. Идеальными с точки зрения практического использования в устройствах визуализации магнитных полей являются феррит80

гранатовые пленки с максимальным значениям F , малым оптическим поглощением, отсутствием или предельно малым значением коэрцитивности, линейной кривой намагничивания, малыми размерами доменов или их отсутствием. Однако не всегда удается в одном образце сочетать указанные свойства оптимальным образом. Так, например, наибольшим значением F, достигающим нескольких десятков тысяч градусов на сантиметр, обладают ферритгранатовые пленки, содержащие висмут. Но наличие полосовой доменной структуры, присущее таким пленкам, ограничивает их разрешающую способность. Пленки, не содержащие висмута с анизотропией ―легкая плоскость‖, обладают практически неограниченной разрешающей способностью, однако требуют для своего намагничивания значительных магнитных полей. Это приводит к тому, что в зависимости от характера и величины магнитных распределений, которые требуется преобразовать в видимое изображение, особенностей оптической схемы, используемой при преобразовании, необходимо применять феррит-гранатовые пленки с параметрами, оптимальным образом соответствующими условиям задачи. 4.9. Магнитооптический измеритель переменных магнитных полей Среди задач, потенциально решаемых методами прикладной магнитооптики, одной из основных является задача измерения малых магнитных полей. Наиболее впечатляющие результаты в области магнитометрии с использованием феррит-гранатов получены именно на пленках с плоскостной анизотропией. В литературе описан малогабаритный магнитометр переменных полей с чувствительностью порядка 10-7 Э/Гц1/2. Такая высокая чувствительность достигнута благодаря большой длине взаимодействия света с намагниченностью ферритовой пленки – 5 мм, что реализуется в интегрально-оптическом исполнении датчика. В призменной геометрии двукратного прохода света через легкоплоскостную пленку удалось измерить магнитные поля порядка 10-6 Э. Следует заметить, что измерения проводились с использо81

ванием мощного аргонового лазера. С одной стороны, это определило высокую чувствительность из-за значительного фарадеевского коэффициента и относительно низкого уровня дробовых шумов. С другой стороны, массогабаритные показатели и энергопотребление установки весьма велики, что не всегда приемлемо для потребителя. Малогабаритный высокочувствительный измеритель переменных магнитных полей был создан на основе магнитооптических пленок с плоскостной анизотропией, петля гистерезиса которых изменяет свою форму при воздействии внешних переменных полей. Источник излучения (ИК-светодиод) и приемник (фотодиод) размещались вплотную к магнитооптической пленке. Система катушек подмагничивания создавала продольное (вдоль ОЛН) высокочастотное (6 кГц) и поперечное (вдоль ОТН) постоянные магнитные поля. Регистрация сигналов осуществлялась на частоте измеряемых полей (100÷300 Гц) методом синхронного детектирования с выходом на самописец. Предельная чувствительность ограничена практически дробовыми шумами фотодиода и приемника составляла 0,3∙10-4 Э. 4.10. Магнитооптический микроскоп для визуального наблюдения сбоев микросхем В основу устройства положен магнитооптический метод визуализации, суть которого заключается в том, что пространственно неоднородное магнитное поле токовых шин интегральных схем (ИС) сложной топологии формирует соответствующее распределение намагниченности магнитооптически активного кристалла (тонкой пленки), находящегося в непосредственном контакте с поверхностью ИС либо на очень малом удалении от нее. Этот кристалл, в свою очередь, будучи помещенным между парой поляризатор–анализатор определенной взаимной ориентации, образует пространственный модулятор света. Таким образом, информация о конфигурации токов и их магнитных полей переносится в оптическую область, где анализируется известными методами обработки изображений. Входящий в состав прибора магнитооптический узел 82

визуализации по своим техническим и стоимостным параметрам способен с успехом конкурировать с другими методами, в частности термоаналитическими, основанными на регистрации распределения температуры по поверхности ИС, существенным недостатком которых является сравнительно большое время измерения, в течение которого локальный нагрев распространяется на соседние области кристалла. Технические характеристики прибора: Порог визуализации, мА/мкм…………………………………..….1 Пространственное разрешение визуализатора, мкм…………….2 Поперечный размер области визуализации, мм.……………..2÷10 Результаты апробации данной методики опубликованы в журнале J. of Applied Physics (Vol. 87, No. 9, Part 1, p. 5362). Авторы: Egorov A.N., Lebedev S.V. 4.11. Магнитооптические лазерные гироскопы Чувствительным элементом лазерного гироскопа является лазер с кольцевым резонатором, в котором генерируются две независимые противоположно направленные моды излучения. Частоты встречных мод определяются скоростью вращения кольцевого резонатора в инерциальном пространстве. Разность частот встречных мод пропорциональна угловой скорости вращения. Существуют две основные оптические конфигурации лазерных гироскопов: лазерный резонатор с нечетным числом зеркал (обычно их три) с линейно поляризованными собственными модами излучения и лазерный резонатор с четным числом зеркал (четыре зеркала) с циркулярно поляризованными собственными модами излучения. При вращении кольцевого лазерного резонатора вокруг оси, перпендикулярной к плоскости резонатора, происходит изменение частот распространяющих навстречу друг другу мод. С точки зрения наблюдателя, вращающегося вместе с резонатором, время, за 83

которое световая волна обходит замкнутый контур, будет больше для волны, распространяющейся в направлении вращения резонатора, чем для волны, вращающейся в противоположном направлении. Так как скорость света постоянна, эффект интерпретируется наблюдателем как увеличение суммарной длины оптического пути в направлении вращения и как сокращение длины пути в противоположном направлении. При резонансе на длине резонатора укладывается целое число длин волн, т.е. изменение оптического пути сопровождается сдвигом частоты с противоположным знаком для встречных мод (рис.4.13).

Рис. 4.13. Оптические конфигурации лазерных гироскопов с магнитооптическими элементами с линейно поляризованными (а) и циркулярно поляризованными (б) модами: 1 – диэлектрические зеркала, 2 – магнитооптическое зеркало, 3 – фарадеевская ячейка, 4 – циркулярный поляризатор, О – ось вращения

Возникающая разность частот встречных мод прямо пропорциональна угловой скорости Ω: Δf=(λ∙L)-1·4S∙Ω, (4.16) где S – площадь, ограниченная оптическим контуром резонатора, L – оптическая длина резонатора, λ – длина волны излучения. Наилучшими с точки зрения применения в лазерных гироскопах являются гелий-неоновые лазеры с длиной волны 0,63 и 1,15 мкм. Первые эксперименты с лазерными гироскопами показали, что их реальные характеристики отличаются от описываемых выражением (4.16). При малых угловых скоростях существует зона нечувствительности и смещение нуля, а также нестабильность характери84

стик во времени, от включения к включению и при изменении внешних условий. Причиной появления зоны нечувствительности и нелинейности характеристики при малых угловых скоростях является связь встречных мод, возникающая из-за обратного рассеяния света на элементах резонатора. Эта связь приводит к синхронизации мод в некотором интервале угловых скоростей – ΩL ‹ Ω ‹+ ΩL, где ΩL – порог захвата. Для того чтобы свести к минимуму связь встречных мод через обратное рассеяние, в качестве отражателей в лазерных гироскопах используют зеркала с многослойными (до 20 слоев) диэлектрическими покрытиями, обеспечивающими коэффициент отражения более 99,7 % и коэффициент обратного рассеяния менее 0,05 %. Тем не менее типичная величина ΩL – сотни градусов в час. Для устранения явления захвата рабочую точку лазерного гироскопа смещают за счет искусственно создаваемой разности хода встречных мод, что приводит к расщеплению частот даже в отсутствие реального вращения лазерного гироскопа. Требуемую разность частот создают либо за счет невзаимных оптических эффектов (эффект Фарадея или эффекта Керра), либо за счет вращения лазерного гироскопа с постоянной скоростью или создания механических крутильных колебаний. В одном из вариантов лазерного гироскопа используется магнитооптическое зеркало. В данном случае расщепление мод создается за счет поперечного магнитооптического эффекта Керра. Первоначально использовался фарадеевский элемент, однако при помещении в резонатор ячейки Фарадея возникает необходимость температурной стабилизации, увеличивается обратное рассеяние света, а также существенно возрастает стоимость системы. Одним из недостатков такого решения является увеличение потерь в резонаторе вследствие поглощения оптического излучения в магнитном зеркале. Лазерный гироскоп с магнитооптическим зеркалом характеризуется температурной чувствительностью менее 0,02 град /(ч∙К) и магнитный – менее 0,03 град /(ч∙Э), допускает ускорения до 20 g.

85

Ячейка Фарадея использована для вывода из зоны захвата дифференциального лазерного гироскопа. В приборе применяется четырехчастотный режим работы на модах с циркулярной поляризацией излучения, при этом одновременно возбуждаются две пары встречных мод. Так как поляризации мод гироскопа различны, ячейка Фарадея создает для каждой моды смещение, одинаковое по частоте, но противоположное по знаку. При суммировании выходных сигналов смещения, вызванные ячейкой Фарадея, взаимно компенсируются, а обусловленные вращением – складываются. Использование циркулярной поляризации излучения обеспечивает уменьшение связи встречных мод через обратное рассеяние и, как следствие этого, влияния захвата на характеристики лазерного гироскопа. Внутрирезонаторные оптические элементы приводят к усложнению конструкции лазерного гироскопа и повышению температурной чувствительности, поэтому на современном этапе развития лазерной гироскопии весьма актуальной задачей является создание магнитооптических зеркал, обладающих малыми оптическими потерями. Фарадеевский элемент, предназначенный для использования в кольцевых лазерных резонаторах, должен удовлетворять следующим требованиям: поле переключения направления намагниченности меньше 2 Э; собственные оптические потери меньше 0,5 %; магнитооптическая добротность – больше 60 %. 4.12. Магнитооптическая защита ценных бумаг и документов На нынешнем этапе развития рынка деловых документов и ценных бумаг представляется целесообразным создание относительно дешевых, но в то же время достаточно надежных методов защиты документов и ценных бумаг, которые базировались бы на последних достижениях современной науки и технологии. К числу таких методов следует отнести метод магнитной защиты в сочетании с возможностью визуализации магнитных меток. Обладая очень вы86

сокой чувствительностью и разрешающей способностью, магнитооптический метод визуализации распределенных в пространстве магнитных потоков дает возможность быстро и надежно получать информацию об истинности данного документа или ценной бумаги. С другой стороны, подделка их существенно затруднена в связи со сложными технологическими приемами при их изготовлении. Еще одной положительной характеристикой, подтверждающей перспективность развития данного направления является то, что он обладает высоким потенциалом дальнейшего развития, т.е., переходя от довольно простого способа нанесения магнитных меток и магнитооптического считывания информации к более сложным схемам, таким как сверхплотная запись информации ~10 6 Бит/мм2 с применением высокоразрешающей системой считывания, а также математическим преобразованием сигналов через Фурье-спектр, мы получаем уникальную возможность так защитить ценную бумагу или документ и записать на нем такой объем информации, что практически подделать их невозможно, и, кроме того, данный объем информации не доступен для передачи каким-либо другим способом. Естественно, что вопрос о создании способов защиты ценных бумаг и документов, которые позволяли бы со 100 % гарантией в течение нескольких лет использовать эти носители информации, не заботясь о том, что они могут быть подделаны, занимают многих ученых в разных странах мира. Наиболее перспективным направлением следует считать сочетание магнитных методов защиты с математическими методами кодирования информации, записанной на магнитном носителе. Оценки показывают, что для изготовления дубликата (подделки) ценной бумаги, защищенной таким образом, требуются огромные затраты в течение достаточно длительного времени, определяемым временем раскодирования информации, которое может составлять несколько лет.

87

Магнитооптические способы записи информации Как отмечалось в п.п. 4.4 и 4.5 запись информации может производиться двумя различными способами: дискретно (в виде отдельных битов информации) и голографически. В последние годы наибольшие успехи достигнуты в разработке дискретной магнитооптической записи информации. При дискретной записи свет мощностью несколько милливатт фокусируется в пятно диаметром около 1 мкм на поверхности тонкой магнитной пленки. Если магнитооптический материал, находящийся во внешнем магнитном поле, кратковременно нагреть лучом лазера до температуры Нееля (или Кюри), а затем охладить, то на материале окажется записанный знак, который можно поставить в соответствие с какой-либо информацией. В зависимости от магнитных свойств материала (пленки) используется несколько способов записи. 1. Способ, основанный на нагреве материала выше точки Кюри. Магнитный материал локально кратковременно нагревают выше точки Кюри, а при охлаждении нагретого участка его намагниченность ориентируется вдоль приложенного магнитного поля Н. Если же Н=0, то намагниченность ориентируется вдоль направления размагничивающего поля, которое создается соседними участками. 2. Способ, основанный на уменьшении коэрцитивной силы НС материала при его нагреве. При нагреве материала коэрцитивная сила уменьшается и при Т = ТK становится равной нулю. При нагреве до температуры близкой к ТK коэрцитивная сила уменьшается настолько, что намагниченность может приобрести ориентацию внешнего магнитного поля. 3. Способ, основанный на нагреве материала выше его точки компенсации. Этот способ исходит из предположения, что температура, при которой работает материал (комнатная температура), очень близка к его точке компенсации. При Т = ТК коэрцитивная сила принимает очень высокие значения, а выше и ниже точки компенсации значения НС весьма резко убывает. Локальный нагрев на 10÷30 К выше 88

точки компенсации приводит к тому, что намагниченность ориентируется вдоль внешнего магнитного поля. Для обеспечения термомагнитной записи коэрцитивная сила материала должна уменьшаться с увеличением температуры. Для записи обычно используют дополнительное магнитное поле смещения, ориетировавнное против направления намагниченности среды. Если результирующее магнитное поле меньше, чем коэрцитивная сила при комнатной температуре, но больше, чем коэрцитивная сила при повышенной температуре (температуре записи), то в результате локального нагрева участка материала намагниченность в этом месте переориентируется по направлению приложенного магнитного поля и остается в этом направлении после остывания. Локальный нагрев лучше всего осуществлять с помощью импульсного лазера. В этом случае направление намагниченности окружающих нагретых областей не изменяется, так как для них результирующее поле меньше коэрцитивной силы. Таким образом, прикладывая внешнее магнитное поле, антипараллельное направлению намагниченности среды, в ней можно произвести локальную запись информации с помощью импульсного лазера. Стирание информации может быть произведено или приложением магнитного поля, превышающим коэрцитивную силу материала при комнатной температуре и направленного параллельно исходной намагниченности среды, или путем одновременного приложения магнитного поля и нагрева среды лазерным излучением. Достижимое локальное повышение температуры зависит от мощности лазера, а также от свойств материала. Весьма интересная идея использовать в качестве магнитного носителя материал с фазовым переходом ферромагнетик – диамагнетик. В настоящее время имеется материалы, в которых температуру фазового перехода можно изменять. Таким образом, появляется дополнительная степень защиты, а именно при обычных, комнатных температурах этот материал никак себя не проявляет, обычными магнитометрами его обнаружить нельзя. Только охлаждение до определенной температуры позволяет обнаружить его магнитные свойства. Записанную информацию можно визуализи-

89

ровать, если использовать для этой цели магнитооптический преобразователь, работающий на эффекте Керра или Фарадея. Способы съема информации с магнитного носителя При визуализации магнитной записи магнитооптическую пленку прикладывают к магнитному носителю и на пленку направляют под углом поляризованное излучение (может использоваться лазер или обычная лампа накаливания). Отраженный свет проходит через анализатор, находящийся почти в скрещенном положении относительно поляризатора, и с помощью экрана (при визуализации достаточно больших площадей магнитного носителя) можно считать записанную информацию. Если эта информация записана на малых площадях (~ 1мм2), то ее можно считать с помощью микроскопа.

Рис. 4.14. Блок–схема устройства считывания информации с магнитного носителя: 1 – бумага с магнитным носителем, 2 – магнитооптическая пленка, 3 – источник света видимого диапазона, 4 – поляризатор, 5 – делительный кубик, 6 – анализатор, 7 – оптическая система, 8 – экран или окуляр объектива

На рис. 4.14 изображена блок-схема устройства считывания информации с магнитного носителя. Узел считывания информации с магнитного носителя, включающий в себя детали 2,3,4,5,6, носит название ―магнитооптический преобразователь‖ – (МОП). 90

Магнитные поля рассеяния, создаваемые носителем информации, перестраивают магнитную структуру магнитооптической пленки. В результате над магнитным носителем в магнитооптической пленке формируется система магнитных доменов, причем над местом нахождения положительных магнитных зарядов в носителе информации намагниченность в домене магнитооптической пленки направлена вверх, а над отрицательными магнитными зарядами – вниз. Таким образом, при переносе информации с носителя на магнитооптическую среду считывания домены в носителе находятся под центрами доменов магнитооптической среды считывания и наоборот. При перемещении носителя информации происходит перемещение связанной с ним доменной структуры в верхнем слое считывания. Изменение фарадеевского вращения света, проходящего через пленку и отраженного от ее нижней поверхности, преобразуется с помощью анализатора в изменение амплитуды сигнала считывания. Магнитооптическое преобразование невидимого изображения в видимое В качестве магнитного носителя могут использоваться тонкие проволочки, распределенные случайным образом на бумажном носителе, или ферромагнитный порошок, нанесенный в определенных местах. Считывающее устройство автоматически выбирает из множества меток несколько (~2÷4) и с помощью цифрового кода кодирует их координаты (а также может кодировать форму и др. параметры). Все это выдается в виде 9-или 10-значного набора цифр. Это так называемый закрытый ключ. Для того чтобы обезопасить потребителя от возможности подделок со стороны изготовителя, сам потребитель с помощью ЭВМ каждому закрытому коду присваивает определенный номер (открытый код, который проставляется на ценной бумаге). Этот номер, с соответствующем математическим обеспечением, в виде программы для компьютера хранится у потребителя. Только он владеет информацией о соответствии закрытого и открытого кодов. Проверка на идентичность ценной бумаги осуществляется довольно просто. Бумажный носи91

тель вставляется в считывающее устройство (см. рис. 4.14), которое связано с компьютером. Набирается открытый код (номер, проставленный на ценной бумаге), компьютер сравнивает информацию со считывающего устройства с информацией, заложенной при изготовлении данной бумаги, и выдает ответ о ее подлинности. Еще одним способом магнитной защиты ценных бумаг является наличие в бумаге небольшого магнитного носителя в виде магнитной пленки площадью несколько квадратных миллиметров. На этой пленке с высокой плотностью записана информация в виде большого количества точек, распределенных в пространстве по определенному закону. Это распределение вводится в компьютер, и на стадии идентификации компьютер автоматически сравнивает записанное распределение и имеющееся в действительности, тем самым, устанавливая подлинность бумаги. Спектральный способ защиты ценных бумаг и документов В предыдущих разделах речь шла фактически о визуализации магнитных меток и изображений, т.е. с помощью магнитооптического преобразования невидимые в обычных условиях изображения становятся видимыми. Появление когерентных источников излучения в видимом диапазоне длин волн делает возможным выполнение целого ряда математических преобразований непосредственно в оптике. Причем обработка информации осуществляется параллельным образом, т.е. со всего поля изображения одновременно и практически мгновенно. Наиболее известным применением когерентно-оптических преобразований является получение голограмм трехмерных изображений. В последнее время голограммы, воспроизводящие записанное изображение в некогерентном свете, стали использоваться для защиты ценных бумаг. Использование линз в когерентном свете приводит к оптическому преобразованию Фурье. Из волновой оптики известно, что распределение амплитуд и фаз в задней фокальной области сферической линзы представляет собой двумерное комплексное преобразование фурье-света, промодулированного исходным изображе92

нием. Математическое понятие преобразования Фурье является основой многих приложений обработки информации, среди которых наиболее известными являются спектральный и корреляционный анализ, пространственная фильтрация изображений, линзовая голография. Схема простейшего оптического процессора, выполняющего операцию преобразования Фурье, представлена на рис. 4.15.

Рис. 4.15. Схема оптического фурье-процессора

Во входной плоскости Р1 с координатами (х1,у1) расположен пространственно-временной модулятор света (ПВМС) с амплитудным пропусканием f (x1,y1). При освещении ПВМС однородным по амплитуде и фазе пучком когерентного света комплексное пропускание в плоскости Р1 записывается как: f (x1,,y1)=A(x1 ,,y1)exp[-jφ(x1,,y1)], (4.17) где А (x1,y1) – положительная величина, соответствующая амплитуде, а φ(x1, y1) – фазе входной функции. В плоскости Р2 с координатами (х2, у2), расположенной в задней фокальной плоскости фурье-

93

преобразующей линзы L1, распределение комплексных амплитуд пространственных частот F(u,v) будет: ∞ F(u,v) = F(x2/λf1 ,y2/λf1) = ∫∫ f (x1,y1) exp[-j2π(x1u+y1v)]dx1dy1, (4.18) -∞ где u,v – координаты пространственных частот в плоскости Р2; х2 = uλf1; y2 = vλf1 – координаты расстояний в плоскости Р2; λ – длина волны используемого света; f1 – фокусное расстояние преобразующей линзы L1. Таким образом, сферическая линза осуществляет разложение изображения по пространственным частотам, т.е. в плоскости Р2 каждой гармонической составляющей изображения соответствуют два пространственно локализованных отклика. Это свойство линзы лежит в основе большого разнообразия анализаторов спектра сигналов широкого диапазона частот – от звуковых до СВЧ. Отличие заключается лишь в используемом ПВМС. В лаборатории прикладной магнитооптики МИФИ были разработаны феррит-гранатовые ПВМС и на их основе созданы анализаторы спектра сигналов, записанных на магнитном носителе, что позволило предложить еще один способ защиты ценных бумаг и документов с помощью вставок из магнитного носителя с записью фурье-голограмм. Сверхплотная запись информации (о чем говорилось выше) делает эти голограммы достаточно миниатюрными и практически не поддающимися копированию. Разработано значительное число модификаций способа, отличающихся объемом информации, записанной на фурье-голограмме, а, следовательно, сложностью и стоимостью используемой аппаратуры. Одним из возможных вариантов защитной вставки является фурьепреобразование номера ценной бумаги. Цифровой ряд, соответствующий номеру на ценной бумаге, преобразуется в последовательность электрических импульсов, закодированных по интервалу их следования. Этой импульсной последовательности соответствует преобразование Фурье, представляющее сумму чисто гармонических сигналов, которые и записываются на магнитный носитель. На стадии распознавания используется оптический процессор с магнитооптическим простран94

ственно-временным модулятором света и полупроводниковым лазером. Кроме записанных точек на магнитной вставке может быть записана фурье-голограмма. Сверхплотная запись информации делает эти голограммы достаточно миниатюрными и практически не поддающимся копированию. Контрольные вопросы 1. Чем определяется интенсивность прошедшего через магнитооптический элемент света в МО-модуляторе? 2. Как определяется эффективность магнитооптических устройств? 3. От чего зависят частотные характеристики магнитооптических модуляторов? 4. Каким образом осуществляется модуляция света в волноводном модуляторе лазерного излучения? 5. Чем определяются углы дифракции света в магнитооптическом дефлекторе? 6. Как осуществляется двумерное сканирование с помощью МО-дефлектора? 7. Каким образом можно повысить дифракционную эффективность МО-дефлектора? 8. Как осуществляется пространственная фильтрация оптических сигналов? 9. Каковы способы записи и считывания информации на магнитооптическом диске? 10. Какие магнитооптические пленки целесообразно использовать для топографирования неоднородных магнитных полей? 11. Чем отличаются лазерные магнитооптические гироскопы с четным и нечетным количеством зеркал? 12. Что представляет собой магнитооптический преобразователь? 13. Какова роль оптического фурье-процессора при магнитооптической защите документов и ценных бумаг?

95

Глава 5. УСТРОЙСТВА НА ОСНОВЕ САНДВИЧА: ПЛЕНКА ВТСП – МАГНИТООПТИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ Пространственное распределение индукции, создаваемое захваченным магнитным потоком элементами ВТСП-матрицы, представлено на рис.5.1, а. В промежутках между элементами матрицы знак магнитной индукции меняется на противоположный. Величина магнитной индукции над элементом значительно меньше 0H0, т.е. меньше поля, в котором матрица была намагничена. В этом случае для магнитооптического преобразования картины поля в видимое изображение можно использовать феррит-гранатовые висмутсодержащие пленки с одноосной анизотропией, которые характеризуются наличием доменной структуры, перестраиваемой в полях напряженностью десятки эрстед, и, как указывалось выше, гигантским значением угла удельного фарадеевского вращения. Недостатком таких пленок является ограниченное разрешение, которое обусловлено периодом доменной структуры. Иначе дело обстоит с феррит-гранатовыми пленками, обладающими анизотропией типа ―легкая плоскость‖. Магнитный момент в таких пленках лежит в плоскости пленки или отклонен от нее на малый угол. Намагничивание полем, направленным по нормали к плоскости пленки, приводит к вращению магнитного момента. Этим объясняется линейный характер кривой намагничивания, существование нормальной и тангенциальной составляющих магнитного момента, бездоменный характер структуры пленок, а также возможность магнитооптического преобразования с их помощью магнитных полей различной ориентации. Применение таких пленок для исследования процессов намагничивания ВТСПструктур позволяет получить наиболее полную информацию об их магнитных свойствах. 5.1. Магнитооптический анализатор качества пленок ВТСП В настоящее время пленки, изготовленные из высокотемпературных сверхпроводников, начинают широко использоваться в различных микроэлектронных устройствах. В связи с этим, возник 96

вопрос о методах контроля качества пленок, наличия в них микродефектов, неоднородностей, слабых связей и несверхпроводящих областей. В основе работы устройства лежит явление идеального диамагнетизма сверхпроводников, вследствие чего магнитное поле не проникает в сверхпроводник до определенных значений напряженности магнитного поля, если температура сверхпроводника ниже критической. Однако если в сверхпроводнике имеются дефекты, возникшие вследствие несовершенства структуры подложки или плохого качества пленки, то магнитное поле в этих местах проникает сквозь пленку. Измерение прошедшего магнитного потока с помощью магнитооптического эффекта Фарадея дает возможность получить пространственное распределение дефектов в ВТСП–материале, а также информацию об их размерах. Оптическая система позволяет фиксировать панорамное изображение структуры ВТСП или отдельных участков с требуемым увеличением как визуально, так и на экране монитора, что дает возможность оперативно проводить коррекции технологического цикла при производстве сверхпроводниковых элементов. а)

б)

Рис.5.1. Магнитооптическая фотография сверхпроводниковой матрицы приемных элементов (а) и аналогичная фотография одной из пленок ВТСП, имеющей множество дефектов (б)

97

В качестве примера работы магнитооптического экспресс– анализатора качества пленок ВТСП на рис.5.1 приведены фотографии двух пленок, одна из которых имеет регулярную структуру в виде сверхпроводящих ячеек (см. рис.5.1,а), а другая (рис.5.1,б) имеет множество дефектов в виде царапин, появившихся, повидимому, вследствие плохой полировки поверхности подложки. Размер всей пленки 8х4 мм2. 5.2. Магнитооптический приемник тепловых изображений с чувствительным элементом из пленки ВТСП Принципиальным отличием данного устройства от имеющихся является использование в качестве приемного чувствительного элемента (ЧЭ) матрицы из ВТСП-материала, съем информации с которой осуществляется оптическим способом с помощью фарадеевского магнитооптического преобразователя на основе висмутсодержащих феррит-гранатовых пленок. Переход от электрического принципа регистрации резистивного состояния сверхпроводника к регистрации его магнитного состояния оптическим способом на порядок сокращает время обработки информации, увеличивает стабильность работы прибора, существенно снижает массу и габариты, а также потребляемую энергию. Одна часть приемного элемента – магнитооптическая пленка, которая с помощью эпитаксии выращивается, как уже указывалось выше, на подложке из галийгадолиниевого граната (GGG) и защищается специальным отражающим покрытием толщиной несколько сотен ангстрем. Вторая часть элемента представляет собой пленку ВТСП, напыленную с помощью импульсного лазера на соответствующую подложку (например, NdGaO3, SrTiO3, LaSrAlO4, LaGaO3, LaAlO3 и др.) и изготовленную в виде матрицы. На рис. 5.1,а визуализированная сверхпроводниковая матрица, а на рис 5.2 представлена конструкция приемного элемента.

98

Рис. 5.2. Приемный элемент на основе тонкой пленки ВТСП и магнитооптической пленки

Требования к основным физическим характеристикам магнитооптической пленки для данного типа прибора сводятся к следующему: спектральный диапазон визуализации (λ) – 0,520,63 мкм; угол фарадеевского вращения (F) при магнитном насыщении, более 10 град; напряженность магнитного насыщения (HS) – менее 150 Э; тип анизотропии магнитооптической пленки – ―легкая плоскость‖. Все эти параметры, в первую очередь, зависят от композиционного состава МО-материала, который, в свою очередь, связан с технологическими режимами его изготовления, а также от напряжений, возникающих в результате несоответствия параметров кристаллических решеток пленки и подложки. Для получения пленок с аналоговым отображением информации потребовалось изготовить образцы с вектором намагниченности М, лежащим в плоскости, т.е. анизотропией типа «легкая плоскость». Это довольно серьезная проблема, поскольку наряду с этим условием необходимо выполнять требование максимализации фарадеевского вращения.

99

Как уже отмечалось выше, в данной концепции прибора используется схема Фарадея с двойным прохождением излучения через магнитоактивную среду. До попадания регистрируемого излучения на сверхпроводниковый чувствительный элемент (ЧЭ), который представляет собой матрицу, состоящую, например, из 128х128 или 256х256 элементов, ее намагничивают внешним магнитным полем. Захваченный магнитный поток каждого элемента регистрируется магнитооптическим методом. После захвата ЧЭ магнитного потока, внешнее поле убирается, а затем на ЧЭ подается сформированное входным объективом регистрируемое изображение. Поглощая излучение, сверхпроводниковый элемент увеличивает свою температуру в соответствии с мощностью излучения соответствующего участка объекта. Захваченный магнитный поток каждого элемента изменяется из-за его зависимости от температуры. По величине захваченного магнитного потока можно определить температуру ЧЭ, а по изменению магнитного потока в элементах матрицы определяется изменение температуры и, следовательно, мощность излучения того или иного участка объекта. На этом принципе построена работа многоэлементного приемника. Таким образом, решается основная проблема – проблема контактов, поскольку в нашем случае они отсутствуют, так как в изложенной выше концепции вместо измерения электрических сигналов измеряются интенсивности оптических сигналов, непосредственно создающих видимое изображение. В свою очередь, измерения интенсивности оптических сигналов производится с помощью хорошо отработанной цифровой техники видимого диапазона. Безусловно, что для того чтобы рассчитать параметры прибора, необходимо знать полную физическую картину процессов, связанных с проникновением и захватом магнитного потока. Для достижения качественной тепловой картины, получаемой с большого числа элементов (около 65000), используется компьютерная обработка информации с магнитооптического преобразователя, которая не только улучшает параметры прибора в целом, но и устраняет медленно меняющиеся флуктуации температуры и внешнего фонового воздействия. Идея состоит в том, что из оцифрованного 100

изображения элементов матрицы, захватившей магнитный поток до воздействия излучения, вычитается оцифрованное изображение после воздействия излучения и полученная разность обрабатывается с последующим выводом изображения на монитор. 5.3. Магнитооптический датчик малых перемещений При измерении малых перемещений наиболее часто пользуются зависимостью какой-либо физической величины (Ф) от расстояния. Причем, чем больше градиент этой величины ∂Ф ∕∂r, тем выше, при прочих равных условиях, чувствительность метода. В приборе использовался эффект резкого уменьшения напряженности поля рассеяния намагниченной ВТСП-пленки. При удалении от торца пленки магнитное поле убывает по закону Н(r) = НП exp(-2πr ∕d), (5.1) где Н(r) – поле на расстоянии r, НП – поле на поверхности торца пленки. При типичных значениях НП = 100 Э и d = 0,3∙10-4 см на расстоянии 10-4 см поле уменьшится до 8∙10-8 Э. Относительный градиент поля [∂Н(r) ∕∂r 1∕ Н(r)] cоставляет 2∙105 см-1. В качестве измерителя магнитного потока используется тонкая, толщиной не более 0,1 мкм, магнитооптическая пленка с анизотропией ―легкая ось в плоскости‖. Оптическая схема с компенсацией и дифференциальным фотоприемом позволяет регистрировать изменения измеряемой величины на уровне 10-2 ÷ 10-3. Чувствительность устройства к перемещению составляет 5∙10-8 ÷ 5∙10-9 см. Эти значения можно считать предельными для данного метода, однако, для их достижения должны использоваться специальные магнитооптические пленки и проводить измерения в ультрафиолетовом (УФ) диапазоне. Так, например, для феррит-граната состава Bi2,3 (Ylu)0,7 Fe5 O12 удельное фарадеевское вращение в области λ=0,37 мкм будет превышать 60 град/мкм и оптимальная толщина пленки hОПТ= 0,05мкм. Если ограничиться чувствительностью к перемещениям на 2÷3 порядка хуже предельных значений, т.е. ограничиться значениями 0,1 ÷ 0,05 мкм, то техническая реализация

101

становится возможной существующими оптическими методами с использованием МО-пленок толщиной 3÷5 мкм. 5.4. Магнитооптический магнитометр Основой метода является способность сверхпроводника, обладающего диамагнитными свойствами, существенным образом влиять на пространственное перераспределение окружающего его магнитного потока. Это приводит к тому, что магнитная индукция на границах сверхпроводника увеличивается многократно и возникающие локальные поля могут быть измерены с помощью магнитооптического эффекта Фарадея в прозрачных эпитаксиальных пленках феррит-гранатов. Чувствительность магнитометра, построенного на принципе концентрации магнитного потока сверхпроводником, и измерение плотности потока с использованием ЭПФГ в равной мере определяется степенью концентрации магнитного потока сверхпроводником и величиной напряженности магнитного поля, которая может привести к изменению намагниченности магнитооптической пленки. Таким образом, магнитометр состоит из концентратора магнитного потока, роль которого выполняет ВТСП-структура, и собственно магнитооптического измерителя напряженности магнитного поля, использующего эффект Фарадея в прозрачных пленках феррит-гранатов. В зависимости от вида структуры концентрация магнитного потока может происходить либо на краю сплошной пленки, либо в промежутке между элементами периодической магнитной решетки ВТСП. При этом напряженность магнитного поля в области щели ВТСП-решетки будет в N раз меньше (N – число элементов решетки), по сравнению с напряженностью поля на краю сплошной пленки. Распределение магнитного поля в области щели имеет знакопеременный характер для тангенциальной компоненты и однополярный – для нормальной компоненты. Это обстоятельство позволило использовать для измерения напряженности поля феррит-гранатовые пленки с плоскостной анизотропией. Как было установлено, эти пленки позволяют достаточно просто измерять магнитные поля напряженностью 10 -4 Э. 102

При коэффициенте концентрации равном 100, соответствующем минимальному значению, для достижения чувствительности магнитометра 10-12 Тл, чувствительность измерителя магнитного поля должна составлять 10-10 Тл. Это практически реальное значение, однако достигнуто оно было с использованием мощного и громоздкого аргонового лазера. При коэффициенте концентрации 104, что соответствует максимуму, для получения такой же чувствительности магнитометра (10 -12 Тл) чувствительность измерителя поля должна составлять 10-8 Тл, что сравнительно нетрудно достичь. Контрольные вопросы 1. Какое фундаментальное свойство сверхпроводников используется при построении устройств на основе сандвича: пленка ВТСП-магнитооптический преобразователь? 2. От чего зависит степень концентрации магнитного поля сверхпроводником? 3. Какие магнитооптические пленки целесообразно использовать при построении датчика малых перемещений и магнитооптического магнитометра? 4. В чем состоит преимущество магнитооптического съема сигнала c приемного чувствительного элемента перед резистивным способом? 5. На каком расстоянии от магнитооптической пленки следует размещать исследуемый магнитный материал? 6. Для получения изображения в ИК-диапазоне используется матрица сверхпроводниковых элементов. Почему? 7. В чем суть эффекта преобразования невидимого излучения в видимое?

103

Глава 6. ТРЕБОВАНИЯ К ЭЛЕМЕНТАМ МАГНИТООПТИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ 6.1. Намагничивающие устройства Общими требованиями к намагничивающим системам являются: высокие однородность и стабильность магнитного поля; достаточная напряженность поля; малая погрешность измерения напряженности магнитного поля. Высокая однородность магнитного поля достигается использованием катушек Гельмгольца и длинных соленоидов или электромагнитов с отношением диаметров параллельных полюсных наконечников к зазору между ними не хуже чем 5:1. Сравнительно легко может быть достигнута однородность магнитного поля не хуже 10-3 в объеме порядка 1см3. Повышение временной стабильности напряженности магнитного поля обеспечивается путем стабилизации намагничивающего тока или самой напряженности поля, а также путем компенсации магнитного поля Земли. При использовании для намагничивания образцов катушек Гельмгольца или соленоидов для определения напряженности магнитного поля Н измеряют намагничивающий ток. В электромагнитах Н обычно измеряют с помощью холловских датчиков. 6.2. Источники излучения В различных магнитооптических устройствах широко применяются лампы накаливания, недостатком которых является низкий КПД, дополнительно снижающийся при использовании светофильтров и монохроматоров. Газоразрядные лампы имеют более высокий КПД, но обнаруживают хаотические колебания потока излучения. Значительным уровнем шумов характеризуются также лазеры. Лазер позволяет получать монохроматические потоки весьма большой мощности, сфокусированные в малое пятно диаметром (2÷6)∙10-6 м, а в ряде случаев, когда не требуется высокое разрешение, позволяет исключить фокусирующую оптику. Шумовые колебания потока излучения составляют для аргоновых лазе104

ров 1÷2 %, а для гелий-неоновых 0,1 ÷ 0,5 % (в диапазоне 1 кГц ÷ 1 мГц) от среднего уровня. Последнее время, в связи с освоением промышленностью светодиодов, работающих в различных спектральных диапазонах и обладающих достаточно высокими мощностями излучения и низкими шумами, они стали широко использоваться в магнитооптических устройствах. 6.3. Фотоприемники Специфическими требованиями, предъявляемыми к фотоприемникам в магнитооптических устройствах, являются: независимость чувствительности от азимута плоскости поляризации потока излучения, постоянство чувствительности по приемной поверхности, минимальное влияние внешних полей. Первое из этих требований имеет большое значение, например, при модуляции, осуществляемой путем вращения анализатора. В этом случае для исключения изменений чувствительности из-за поворота плоскости поляризации между анализатором и фотоприемником устанавливают четвертьволновую пластинку, вращающуюся вместе с анализатором. Тогда при любом положении анализатора на фотоприемник падает циркулярно поляризованный свет. Второе требование особенно важно, когда из-за модуляции или при компенсации измеряемого параметра в устройствах на основе экваториального эффекта Керра происходит смещение светового пучка, возникающее из-за магнитострикционных деформаций образцов на частоте перемагничивающего поля. Обычные изменения чувствительности по приемной поверхности ФЭУ составляет ±20 %, но могут и значительно превышать это значение. Для уменьшения влияния неравномерности чувствительности необходима равномерная засветка всей приемной площадки. Третье требование связано с возникновением систематической погрешности определения магнитных характеристик, которая вызвана влиянием на фотоприемник поля рассеяния намагничивающей системы. Наиболее подвержены воздействию магнитного поля фотоприемники, основанные на использовании внешнего фотоэффекта, т.е. фотоэлементы и ФЭУ. Для устранения этого влияния используют магнитные экраны, уве105

личивают расстояние между фотоприемником и намагничивающей системой, а также применяют компенсацию полей рассеяния в месте расположения фотоприемника. 6.4. Оптические элементы К оптическим элементам магнитооптических устройств относятся линзы, зеркала, диафрагмы, а также поляризационные приборы и различные компенсаторы. Для обеспечения высокого контраста или отношения сигналшум необходимо, чтобы линзы и зеркала не изменяли поляризацию проходящего или отраженного излучения, а также возможно меньше деполяризовали поток излучения. Для этого необходимо, чтобы линзы изготовлялись из однородного материала, обладающего малым двупреломлением, оптической активностью и постоянной Верде. Зеркала устанавливают так, чтобы свести к минимуму эллиптичность, возникающую при отражении. Тщательный выбор оптических элементов и компенсация паразитного вращения плоскости поляризации, обусловленного полем рассеяния намагничивающей системы, позволяет свести вклад от несовершенства оптических элементов в результирующую погрешность измерения до пренебрежимо малого значения. Поляризационные приборы являются одними из важнейших оптических элементов, от которых в значительной степени зависит повышение точности и контраста в магнитооптических устройствах. Для определения эллиптичности потока излучения после образца используются различные типы фазовых компенсаторов. Наибольшее распространение в МО-устройствах получили компенсаторы Сенармона (четвертьволновые пластинки). Поляризационные приборы и компенсаторы размещают в устройствах с плавным изменением и точным отсчетом угла поворота (азимута), которые позволяют ориентировать главные оси поляризаторов или фазовых пластинок. Отсчетные устройства должны быть безлюфтовыми, обладать малым эксцентриситетом и возможностью юстировки призм или пластинок. Используемые для этой цели устройства имеют цену деления 1 ÷ 30". 106

6.5. Модуляторы Амплитудные модуляторы. Для модуляции потока излучения, падающего на фотоприемник, можно периодически изменять значение потока излучения, азимут плоскости поляризации или фазовый сдвиг между ортогональными составляющими. В соответствии с этим различают амплитудную, азимутальную и фазовую модуляцию. Амплитудная модуляция может быть осуществлена электромеханическим путем, например вращением диска с отверстиями (обтюратора), периодически прерывающего поток излучения, или с использованием специальных модуляторов электро- или магнитооптических, установленных между поляризационными приборами. Механическое вращение, и связанная с ним вибрация, нарушает юстировку и требует высокую стабильность вращения, поскольку регистрирующий тракт имеет очень узкую полосу пропускания (используется, как правило, узкополосный резонансный усилитель). Кроме того, низкая частота, а также относительная сложность изготовления являются недостатками электромеханических модуляторов. Применение магнитооптических и электрооптических модуляторов позволяет повысить частоту модуляции, отказаться от вращающихся деталей, легко регулировать амплитуду и форму модуляции. Поглощение в рабочем теле, ограниченная угловая и линейная апертуры, зависимость амплитуды модуляции от длины волны и температуры являются недостатками электрооптических МО-модуляторов. Азимутальные модуляторы. Широкое применение для определения угла поворота плоскости поляризации получила азимутальная модуляция. Все азимутальные модуляторы можно разделить на электромеханические, магнито- и электрооптические. Электромеханические азимутальные модуляторы обеспечивают значительную глубину модуляции, они не подвержены влиянию электрических и магнитных полей, но наличие вращающихся или колеблющихся элементов приводит к нарушению юстировки оптической схемы. Большое распространение получили схемы с вращающимся поляризатором, порог реагирования которых может достигать 107

0,002 град. При вращении анализатора с постоянной частотой фаза сигнала, имеющего удвоенную частоту вращения, непосредственно определяет угол поворота плоскости поляризации, который в этом случае измеряется фазометром. Схема с вращающейся полуволновой пластинкой является аналогом рассмотренной схемы. Схемы с колеблющимся поляризатором и вращающимися кварцевыми полудисками являются механическими аналогами МОячеек Фарадея. Последние широко применяются в МО-устройствах высокой точности. Их достоинством является отсутствие движущихся элементов, возможность измерений угла поворота плоскости поляризации путем его компенсации током, протекающим через МО-ячейку Фарадея без смещения или поворота оптических элементов. Оптимальная амплитуда модуляции составляет 1 ÷ 5 град. Наибольшую амплитуду модуляции при наименьшей потребляемой мощности обеспечивают прозрачные ферромагнетики. Однако зависимость угла поворота плоскости поляризации от напряженности магнитного поля носит нелинейный, гистерезисный характер. Поэтому такие модуляторы обеспечивают прямоугольную форму азимутальной модуляции либо в сочетании с поляроидами – амплитудную модуляцию. При использовании в качестве рабочего тела диа- и парамагнетиков применяют стержни (или кюветы с жидкостью) с плоскопараллельными торцами. Значительную глубину азимутальной модуляции и высокую частоту можно получить при использовании электрооптической ячейки Поккельса в сочетании с фазовой четвертьволновой пластинкой, что превращает фазовую модуляцию в азимутальную. Фазовая модуляция. При использовании фазовой модуляции модулятор периодически изменяет фазовый сдвиг между двумя взаимно перпендикулярными составляющими вектора Е в световой волне. Фазовый модулятор обычно может быть представлен линейной фазовой пластинкой. В МО-устройствах находят применение электромеханические, фотоупругие и электрооптические модуляторы. Электромеханический модулятор представляет собой вращающуюся линейную фазовую пластинку. Недостатком этого модулятора является относительно низкая частота модуляции и 108

наличие вращающихся частей. Избавиться от этих недостатков можно, применяя электрооптическую ячейку Керра с вращающимся электрическим полем. Идеальная фазовая модуляция обладает существенным преимуществом перед азимутальной, так как сигналы фазовой модуляции связаны только с магнитным состоянием образца. Однако азимутальная модуляция с использованием ячейки Фарадея обеспечивает наибольшее отношение сигнал-шум при регистрации угла поворота поляризации. Достоинством фазовой модуляции является возможность одновременной регистрации эллиптичности и вращения плоскости поляризации. Контрольные вопросы 1. Зачем необходима высокая однородность магнитного поля? 2. К чему приводит нестабильная работа источников излучения? 3. Какими параметрами должны обладать фотоприемные устройства при использования их в магнитооптических устройствах? 4. Для чего нужна модуляция оптического излучения в МОустройствах? Какие типы модуляции при этом применяются? Глава 7. МАТЕРИАЛЫ С ОТРИЦАТЕЛЬНЫМ КОЭФФИЦИЕНТОМ ПРЕЛОМЛЕНИЯ 7.1. История вопроса Необычные свойства сред, характеризуемых одновременно отрицательными значениями электрической и магнитной проницаемостей, которые определяют коэффициент преломления, в конце 30-х годов двадцатого столетия предсказал советский физик Л. И. Мандельштам. В середине 60-х годов профессор В. Веселаго заинтересовался проблемой веществ с отрицательным коэффициентом преломления и высказал идею, что некоторые оптические явления будут совершенно другими. И самое поразительное из них рефракция – отклонение электромагнитной волны при прохождении границы раздела двух сред. В нормальных условиях волна появляется 109

на противоположной стороне линии, проходящей перпендикулярно к этой границе (так называемой нормали к поверхности). Однако если один материал имеет положительный коэффициент преломления, а другой отрицательный, волна будет появляться на той же стороне нормали к поверхности. В своих работах советский теоретик утверждал, что электродинамика веществ с отрицательным значением n должна представлять несомненный общефизический интерес и вполне логично дополнять куда более привычную нам электродинамику веществ с положительными величинами n . В. Веселаго даже придумал для них специфическое название – «материалы – левши». Тем не менее все попытки создания веществ с такими свойствами, неоднократно предпринимавшиеся учеными, заканчивались ничем, и интерес к «левым материалам» в научной среде сравнительно быстро угас. Отношение ученых к экзотической идее В.Веселаго резко поменялось в 2000 году. Именно тогда, в Калифорнийском университете, был впервые создан искусственный композитный материал (метаматериал), обладающий отрицательными электрической и магнитной проницаемостями в микроволновом диапазоне. Этот метаматериал представлял собой массив микроскопических медных проволочек и колечек, помещенных в основу из стекловолокна. Колечки имели отрицательную магнитную проницаемость, а проволочки — отрицательную электрическую проницаемость, и благодаря этой хитрой комбинации электрических и магнитных резонаторов экспериментаторам удалось добиться столь желанного эффекта – отрицательного показателя преломления n. Впрочем, эти первые результаты экспериментов были встречены многими физиками почти в штыки. Настоящий метаматериальный бум начался лишь спустя почти три года, то есть в 2003 году, когда сразу в нескольких лабораториях наконец удалось повторить важнейшее открытие калифорнийцев. К текущему моменту количество публикаций на эту тему уже перевалило за тысячу, причем многочисленные зарубежные исследователи безо всяких оговорок признают научный приоритет В. Веселаго. 110

Получить же метаматериал с отрицательным преломлением в оптическом волновом диапазоне ученые смогли лишь совсем недавно — в середине 2006 года. Этого успеха добились Владимир Шалаев и его коллеги из университета Пардью (Purdue University), которые разработали весьма прихотливый композит, состоящий из массива микроскопических (нанометрового масштаба) пар параллельных золотых проволочек-нанотрубок. Наконец, нельзя не упомянуть и об открытии в декабре 2005 года совершенно нового типа материалов с отрицательным показателем преломления. Созданный совместными усилиями ученых из австрийского университета Аугсбурга, американского университета штата Северный Иллинойс и сотрудников Польской академии наук (в числе его ведущих разработчиков значится еще один российский физик, Андрей Пименов) материал представляет собой своеобразный «бутерброд» из нескольких слоев-пленок ферромагнитного оксида марганца и оксида меди (кроме того, в нем присутствуют также иттрий и барий). В отсутствие внешнего магнитного поля и при близкой к абсолютному нулю температуре он является сверхпроводником и обладает отрицательной диэлектрической проницаемостью. Изюминка же этого «слоеного пирога» в том, что, если к нему приложить внешнее магнитное поле, становится отрицательной и магнитная проницаемость. 7.2. Суперлинзы Новейшие эксперименты дают убедительные доказательства того, что метаматериалы с отрицательным коэффициентом преломления имеют большое будущее как в оптике, так и в ряде других областей физики. И одно из самых перспективных направлений их использования, по мнению многих специалистов, связано с разработкой суперлинз, с помощью которых станет возможно получать изображения, не ограниченные так называемым дифракционным пределом разрешения. Обычные линзы с положительным коэффициентом преломления собирают и фокусируют световые волны, испускаемые объектом, создавая, таким образом, изображение (рис.7.1). Однако объекты — источники электромагнитного излу111

чения испускают также особые слабые волны (эванесцентные волны), которые содержат много дополнительной информации о микроскопической структуре объекта.

Рис. 7.1. Обычное преломление на границе двух сред (а); преломление в материале с отрицательным показателем преломления (b); линза из материала с отрицательным показателем преломления (с). (Пунктирная линия – нормаль к поверхности среды)

Измерять эти волны стандартными методами значительно труднее, потому что они экспоненциально затухают по мере удаления от источника и никогда не достигают поверхности изображения. Иными словами, обычное изображение всегда содержит меньше информации, чем источник, из-за дифракционного предела. Этот дифракционный предел, связанный со всеми оптическими инструментами с положительным коэффициентом преломления, означает, что наилучшее разрешение, которое возможно получить при их помощи, соответствует примерно половине длины набегающей волны света, которая используется для создания изображения. В 2000 году Д. Пендри высказал теоретическое предположение, что метаматериалы с отрицательным коэффициентом преломления могут эффективно улавливать и перефокусировать слабые затухающие (эванесцентные) волны (рис.7.2). В такой «металинзе» электромагнитные волны, достигая ее поверхности, возбуждают коллективное движение поверхностных волн – электрические осцилляции, известные в науке также как поверхностные плазмоны. Этот процесс усиливает и восстанавли112

вает эванесцентные волны. В идеале такая линза может обеспечить создание совершенного изображения, что и подсказало Пендри название «совершенная линза» для пластинки с n = –1.

Рис. 7.2. Нанометровое изображение, полученное с помощью серебряной суперлинзы: разрешение превышает дифракционный предел. Неровная линия демонстрирует усиление эванесцентных волн. (Пояснение в тексте)

Как и в случае с первыми метаматериалами, полученными в 2000 году, идея Пендри вызвала у многих коллег большие сомнения и стала причиной очередной оживленной дискуссии. В частности, некоторые оппоненты Пендри настаивали на том, что она входит в очевидное противоречие с базовыми физическими постулатами, такими как закон сохранения энергии и принцип неопределенности. Однако достаточно скоро эти критики были вынуждены признать свою неправоту, причем первое экспериментальное подтверждение идеи Пендри было получено российскими исследователями из Института теоретической и прикладной электродинамики Объединенного института высоких температур РАН (ИТПЭ ОИВТ РАН, Москва). Активная работа по электродинамическому моделированию и исследованию резонансных свойств неоднородных сред со сложной структурой велась сотрудниками этого института фактически с момента его создания в 1987 году. В частности, именно в ИТПЭ 113

впервые в мире были получены композитные материалы как с отрицательной диэлектрической, так и с отрицательной магнитной проницаемостями. Только назывались эти материалы иначе: ―покрытия на основе искусственных диэлектриков и магнетиков‖, поэтому не было столь шумной рекламы и ликования по поводу синтеза этих материалов. В начале 2003 года в ИТПЭ был специально поставлен эксперимент с фотопластинкой из «левого материала». Этот эксперимент убедительно подтвердил принципиальную возможность в реальных условиях получить при помощи метаматериалов изображение источников, расстояние между которыми существенно меньше длины волны: пространственное разрешение изображения составило всего одну десятую этой длины. К схожим результатам в том же 2003 году пришла и группа американских исследователей из Калифорнийского университета (Беркли), которые продемонстрировали, что отрицательным показателем преломления может обладать очень тонкая (толщиной 35нм) серебряная пленка. Расположив изучаемый предмет и фотопластинку очень близко к пленке, им удалось с помощью ультрафиолетового лазера получить изображение предмета с разрешением в шесть раз меньше длины волны, тем самым с хорошим запасом превзойдя пресловутый дифракционный предел. В 2005 году там же было получено изображение малых объектов размером 40 нм (для сравнения: обычные оптические микроскопы упираются в 400-нанометровый предел). Эти эксперименты доказали, что предложенный новый метод получения изображений действительно может преодолеть оптический дифракционный предел, и у этого метода есть громадный потенциал для революционных преобразований в области многих технологий. К числу таковых сегодня, прежде всего, следует отнести получение детальных биомедицинских изображений в реальном времени и in vivo, а также оптическую литографию для создания электронных схем более высокой плотности.

114

7.3. Ближайшие перспективы применения метаматериалов Одна из публикаций в журнале ―Science‖, была посвящена перспективам создания маскировочных материалов, делающих невидимыми (неразличимыми) скрытые под ними физические объекты. По мнению авторов двух статей, британца Джона Пендри и американцев Дэвида Смита и Дэвида Шурига, а также работающего независимо от этой троицы шотландца Ульфа Леонхардта, первые экспериментальные образцы материалов-невидимок могут быть получены уже в ближайшие несколько лет. Впрочем, здесь необходимо уточнить, что, говоря о материалах-невидимках, Пендри, Смит и Ко имеют в виду далеко не только и даже пока не столько материалы, маскирующие объекты в оптическом диапазоне электромагнитного спектра излучения. В первую очередь, реальным тестам будет подвергнута «непрощупываемость» маскировки в длинноволновой части спектра – радиоволнах и микроволнах: радионевидимки ученые рассчитывают создать примерно через полтора года. Затем по плану дело должно дойти до микро- и инфракрасных волн, и лишь после этого начнутся испытания в части спектра, доступной простому глазу. В самых общих чертах, идея британских и американских физиков заключается в том, что маскируемый объект помещается в некую полость внутри маскировочной оболочки, и световые волны (или любая другая разновидность электромагнитного излучения), ударяясь об эту оболочку, вместо того чтобы попадать далее в спрятанный внутри объект, плавно огибают его и, заново рекомбинируя, выходят наружу как ни в чем не бывало. Дэвид Смит в этой связи приводит условную аналогию с речным потоком и камнем, помещенным на его пути: «Водные струи, сталкиваясь с камнем, просто растекаются вокруг него и соединяются вместе уже за ним». Но, в отличие от камня и речного потока, человек, наблюдающий за столкновением световых волн с оболочкой-невидимкой, прекрасно видит все прочие предметы, находящиеся непосредственно за скрытым внутри нее объектом, т.е. как бы смотрит сквозь объект, никак его не обнаруживая. 115

На основании уравнений Максвелла, описывающих электромагнитные явления в среде, Пендри и его коллеги сделали необходимые теоретические расчеты физических характеристик маскировочного материала, способного соответствующим образом изменять направление электромагнитных волн. В частности, ученые пришли к выводу, что этот материал должен быть сконструирован так, чтобы скорость света на некотором удалении от полости была относительно медленной и возрастала при приближении к ней. Исходя из этого и ряда других полученных расчетных результатов, авторы обеих статей в журнале ―Science‖ сошлись во мнении, что основой маскировочных покрытий будущего скорее всего станут метаматериалы, как было сказано выше, совершенно новый класс искусственно модифицированных композитных материалов, обладающих весьма необычными электромагнитными и оптическими свойствами. Метаматериалы состоят не из атомов и молекул, как обычные вещества, а из особых микроструктур: крошечных, меньше микрона, металлических резонаторов. Причем одно из многих необычных свойств метаматериалов – возможность искусственного варьирования показателя преломления в различных зонах, что, в свою очередь, и может обеспечить нужный по теории разброс скорости света внутри маскировочной оболочки. Потенциальные возможности применения уникальных метаматериалов сегодня кажутся многим ученым практически неисчерпаемыми. По сути колоссальный поток теоретических и экспериментальных исследований этих «левых микроструктур» породил к настоящему времени то, что один из авторов публикации в журнале ―Science‖ Дэвид Шуриг называет «новой научной парадигмой конструирования устройств, взаимодействующих с электромагнитными волнами». И все-таки утверждать наверняка, что с помощью метаматериалов науке удастся в скором времени создать пресловутые материалы-невидимки, пока не следует. До практической реализации амбициозных идей еще очень далеко: на текущем этапе наука все еще не вышла за рамки чисто фундаментальных исследований в этой сфере.

116

Честно признают наличие существенного разрыва между теорией и практикой и сами авторы сенсационных статей. Скажем, Пендри отмечает: «Теоретический базис для создания оболочекневидимок в стиле Гарри Поттера нами почти создан, но инженерно-технические возможности современной науки по конструированию метаматериалов с требуемыми согласно нашим расчетам характеристиками пока не позволяют рассчитывать на быстрое воплощение задуманного». У многих коллег Пендри и К о вызывает большие сомнения и сама возможность создания абсолютно невидимого в оптическом диапазоне покрытия, поскольку согласно оптической теории полностью избавиться от рассеивания или поглощения световых волн нельзя. Однако ученые надеются, что подобные оптические дефекты могут быть сведены к минимуму: «Даже в том случае, если разработанный метаматериал будет создавать на пути света легкую дымку, это все равно будет означать наш большой успех». Другая очевидная проблема будущих покрытий связана с тем, что замаскированные под ними объекты скорее всего полностью потеряют связь с внешним миром. Скажем, если этим объектом будет человек, он не только окажется невидимым для внешних наблюдателей, но и сам «лишится зрения». Кроме того, материалыневидимки как бы по определению должны накладывать жесткие ограничения и на подвижность спрятанных внутри объектов. Оболочка из метаматериала не может менять своей формы, подстраиваясь под объект, и если вы, например, попытаетесь подвигать руками или изменить свою позу, то рискуете быстро потерять всю маскировку. Наконец, есть у всей шумной истории с материаламиневидимками и еще одна, не столь афишируемая в околонаучных СМИ обратная сторона. Речь идет о большом интересе, который проявляют к этим исследованиям чиновники из военных ведомств. Хорошо известно, что работа научной группы уже не первый год частично финансируется из бюджета минобороны США. Одним из важнейших направлений прикладных исследований для военных является уменьшение радиолокационной заметности объектов спецтехники. 117

Исходя из этого, рассчитывать, что первые экспериментальные образцы материалов-невидимок будут доступны широкой публике, по всей видимости, не стоит. Более того, без большого риска ошибиться можно предположить, что в случае первых успешных опытов все эти разработки вообще на долгое время исчезнут из поля зрения СМИ. (По материалам журнала “Эксперт” №27 от 17 июля 2006. Наука и технологии : Физика.) Список литературы 1. Ландсберг Г.С. Оптика. 5 изд., М., 1976 (Общий курс физики). 2. Звездин А.К., Котов В.А. Магнитооптика тонких пленок. М.: Наука, 1988. 3. Рандошкин В.В., Червоненкис А.Я. Прикладная магнитооптика. М.: Энергоатомиздат, 1990. 4. Червинский М.М., Глаголев С.Ф., Горбунов И.П. Магнитооптические методы и средства определения магнитных характеристик материалов. Л.: Энергия, 1980.

118