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 какмагнитооптический 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
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:
или эквивалентно соотношение между полем смещения D и электрическим полем E :
где - вещественная симметричная матрица ипредставляет собой реальный псевдовектор, называемый вектором гирации , величина которого обычно мала по сравнению с собственными значениями. Направление g называется осью вращения материала. В первом порядке g пропорционален приложенному магнитному полю :
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).
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:
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.
Для света, распространяющегося исключительно перпендикулярно оси вращения, свойства известны как эффект Коттона-Мутона и используются для циркулятора .
Керровское вращение и керровская эллиптичность
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:
где скорость света через материал, - диэлектрическая проницаемость материала, а - проницаемость материала. Поскольку диэлектрическая проницаемость анизотропна, поляризованный свет различной ориентации будет распространяться с разными скоростями.
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]
Смотрите также
Рекомендации
- ^ Гарсия-Мерино, JA "Магнитопроводимость и магнитно-управляемое нелинейное оптическое пропускание в многостенных углеродных нанотрубках" . Оптика Экспресс . 24 (17): 19552–19557. DOI : 10,1364 / OE.24.019552 .
- 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 General Services Administration : «Федеральный стандарт 1037С» .