Магнитооптический эффект

Эта статья может сбивать с толку или непонятна читателям . Помогите, пожалуйста, прояснить статью . На странице обсуждения может быть обсуждение этого вопроса . ( Июль 2010 г. ) ( Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения )

Магнито-оптический эффект представляет собой любое одно из целого ряда явлений , в которых электромагнитные волны распространяется через среду , которая была изменена в присутствии квазистатического магнитного поля . В такой среде, которую также называют гиротропной или гиромагнитной , эллиптические поляризации, вращающиеся влево и вправо, могут распространяться с разными скоростями, что приводит к ряду важных явлений. Когда свет проходит через слой магнитооптического материала, результат называется эффектом Фарадея : плоскость поляризации может вращаться, образуя вращатель Фарадея.. Результаты отражения от магнитооптического материала известны как магнитооптический эффект Керра (не путать с нелинейным эффектом Керра ).

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

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

Гиротропная диэлектрическая проницаемость [ править ]

В частности, в магнитооптическом материале наличие магнитного поля (либо приложенного извне, либо потому, что сам материал является ферромагнитным ) может вызвать изменение тензора диэлектрической проницаемости ε материала. Ε становится анизотропной, матрицей 3 × 3 со сложными недиагональными компонентами, конечно, в зависимости от частоты ω падающего света. Если потерями на поглощение можно пренебречь, ε - эрмитова матрица . Результирующие главные оси также становятся сложными, соответствующими эллиптически-поляризованному свету, в котором поляризации, вращающиеся влево и вправо, могут перемещаться с разными скоростями (аналогично двулучепреломлению ).

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

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

или эквивалентно соотношение между полем смещения D и электрическим полем E :

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

где - действительная симметричная матрица, а - действительный псевдовектор, называемый вектором гирации , величина которого обычно мала по сравнению с собственными значениями матрицы . Направление g называется осью вращения материала. В первом порядке g пропорционален приложенному магнитному полю :${\displaystyle \varepsilon '}$${\displaystyle \mathbf {g} =(g_{x},g_{y},g_{z})}$${\displaystyle \varepsilon '}$

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

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

Самый простой случай для анализа - это тот, в котором g является главной осью (собственным вектором) , а два других собственных значения идентичны. Тогда, если мы для простоты положим g в направлении z , тензор ε упростится до вида:${\displaystyle \varepsilon '}$${\displaystyle \varepsilon '}$

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

Чаще всего считается, что свет распространяется в направлении z (параллельно g ). В этом случае решениями являются эллиптически поляризованные электромагнитные волны с фазовыми скоростями (где μ - магнитная проницаемость ). Эта разница в фазовых скоростях приводит к эффекту Фарадея.${\displaystyle 1/{\sqrt {\mu (\varepsilon _{1}\pm g_{z})}}}$

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

Керровское вращение и керровская эллиптичность [ править ]

Керровское вращение и керровская эллиптичность - это изменения поляризации падающего света, который вступает в контакт с гиромагнитным материалом. Керровское вращение - это вращение в плоскости поляризации проходящего света, а Керровская эллиптичность - это отношение большой и малой оси эллипса, очерченного эллиптически поляризованным светом в плоскости, через которую он распространяется. Изменения ориентации поляризованного падающего света можно количественно оценить с помощью этих двух свойств.

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

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

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

Это можно лучше понять, если мы рассмотрим световую волну с круговой поляризацией (если смотреть справа). Если эта волна взаимодействует с материалом, в котором горизонтальная составляющая (зеленая синусоида) движется с другой скоростью, чем вертикальная составляющая (синусоида), две составляющие выпадут из разности фаз 90 градусов (необходимой для круговой поляризации), изменяя Эллиптичность Керра

Изменение вращения Керра легче всего распознать в линейно поляризованном свете, который можно разделить на два компонента с круговой поляризацией : свет с левой круговой поляризацией (LCP) и свет с правой круговой поляризацией (RCP). Анизотропия диэлектрической проницаемости магнитооптического материала вызывает разницу в скорости света LCP и RCP, что вызывает изменение угла поляризованного света. Материалы, обладающие этим свойством, известны как двулучепреломляющие .

По этому вращению мы можем вычислить разницу в ортогональных компонентах скорости, найти анизотропную диэлектрическую проницаемость, найти вектор гирации и вычислить приложенное магнитное поле ^[1] ${\displaystyle \mathbf {H} }$

См. Также [ править ]

• Эффект Зеемана
• QMR эффект
• Магнитооптический эффект Керра
• Эффект Фарадея
• Эффект Фойгта
• Фотоэлектрический эффект

Ссылки [ править ]

• Федеральный стандарт 1037C и MIL-STD-188
• Лев Давидович Ландау; Евгений Михайлович Лифшицо (1960). Электродинамика сплошных сред . Pergamon Press. п. 82 . Проверено 3 июня 2012 года .
• Джексон, Джон Дэвид (1998). Классическая электродинамика (3-е изд.). Нью-Йорк: Вили. С. 6–10. ISBN 978-0471309321.
• Йонссон, Фредрик; Флитзанис, Христос (1 ноября 1999 г.). «Оптическая параметрическая генерация и фазовый синхронизм в магнитооптических средах». Письма об оптике . 24 (21): 1514. Bibcode : 1999OptL ... 24.1514J . DOI : 10.1364 / OL.24.001514 .
• Першан П.С. (1 января 1967 г.). «Магнитооптические эффекты». Журнал прикладной физики . 38 (3): 1482. Bibcode : 1967JAP .... 38.1482P . DOI : 10.1063 / 1.1709678 .
• Фрейзер, М. (1 июня 1968 г.). «Обзор магнитооптических эффектов». IEEE Transactions on Magnetics . 4 (2): 152–161. Bibcode : 1968ITM ..... 4..152F . DOI : 10,1109 / TMAG.1968.1066210 .
• Широкополосная магнитооптическая спектроскопия

 Эта статья включает  материалы, являющиеся общественным достоянием, из документа Управления общих служб : «Федеральный стандарт 1037C» .