Магнитооптический эффект

Магнитооптический эффект — это одно из ряда явлений, при которых электромагнитная волна распространяется через среду, измененную присутствием квазистатического магнитного поля . В такой среде, которая также называется гиротропной или гиромагнитной , лево- и правовращающиеся эллиптические поляризации могут распространяться с разной скоростью, что приводит к ряду важных явлений. Когда свет передается 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 случае магнитооптические эффекты локально нарушают симметрию обращения времени (то есть когда рассматривается только распространение света, а не источник магнитного поля), а также принцип взаимности Лоренца , который является необходимым условием для построения таких устройств, как оптические изоляторы (через которые свет проходит в одном направлении, но не проходит в другом).

Два гиротропных материала с обратными направлениями вращения двух главных поляризаций, соответствующих 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 анизотропным, матрицей 3×3, со сложными недиагональными компонентами, зависящими от частоты ω падающего света. Если можно пренебречь потерями на поглощение, ε является эрмитовой матрицей . Результирующие главные оси также становятся комплексными, что соответствует эллиптически поляризованному свету, где лево- и правовращающиеся поляризации могут перемещаться с разной скоростью (аналогично двулучепреломлению ).

Более конкретно, для случая, когда можно пренебречь потерями на поглощение, 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, что эквивалентно, соотношение между полем смещения D и электрическим полем E равно:

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

где — действительная симметричная матрица , а — действительный псевдовектор , называемый вектором гирации , величина которого обычно мала по сравнению с собственными значениями . Направление g называется осью гирации материала. В первом порядке g пропорционально 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 случае - тензор ). Если эта восприимчивость сама по себе зависит от электрического поля, можно получить нелинейный оптический эффект магнитооптической параметрической генерации (несколько аналогичный эффекту Поккельса , сила которого контролируется приложенным магнитным полем). ${\displaystyle \chi ^{(m)}\!}$

Самый простой случай для анализа — это случай, когда g является главной осью (собственным вектором) , а два других собственных значения идентичны. Тогда, если мы допустим, что g лежит в направлении z для простоты, тензор ε упрощается 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 рассматривают свет, распространяющийся в направлении z (параллельно g ). В этом случае решения представляют собой 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 строго перпендикулярно оси вращения, свойства известны как эффект Коттона-Мутона и используются для циркулятора .

Вращение Керра и эллиптичность Керра

Вращение Керра и эллиптичность Керра — это изменения поляризации падающего света, который контактирует с гиромагнитным материалом. Вращение Керра — это вращение в плоскости поляризации проходящего света, а эллиптичность Керра — это отношение большой к малой оси эллипса, вычерченного эллиптически поляризованным светом на плоскости, через которую он распространяется. Изменения ориентации поляризованного падающего света можно количественно оценить с помощью этих двух свойств.

Круговой поляризованный свет

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

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

где — скорость света 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 рассмотреть волну света с круговой поляризацией (см. справа). Если эта волна взаимодействует с материалом, в котором горизонтальная компонента (зеленая синусоида) движется с другой скоростью, чем вертикальная компонента (синяя синусоида), то эти две компоненты выйдут из разности фаз в 90 градусов (необходимой для круговой поляризации), изменив эллиптичность Керра.

Изменение вращения Керра легче всего распознать в линейно поляризованном свете, который можно разделить на два круговых поляризованных компонента: левосторонний круговой поляризованный (LHCP) свет и правосторонний круговой поляризованный (RHCP) свет. Анизотропия диэлектрической проницаемости магнитооптического материала вызывает разницу в скорости света LHCP и RHCP, что приведет к изменению угла поляризованного света. Материалы, которые проявляют это свойство, известны как двулучепреломляющие .

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

Смотрите также

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

Ссылки

1. Garcia-Merino, JA (2016). «Магнитопроводимость и магнитно-управляемая нелинейная оптическая пропускаемость в многослойных углеродных нанотрубках». Optics Express . 24 (17): 19552–19557. Bibcode : 2016OExpr..2419552G. doi : 10.1364/OE.24.019552 . PMID  27557232.

• Федеральный стандарт 1037C и MIL-STD-188
• Лев Давидович Ландау; Евгений Михайлович Лифшиц (1960). Электродинамика сплошных сред. Pergamon Press. С. 82. ISBN 9780080091051. Получено 3 июня 2012 г.
• Джексон, Джон Дэвид (1998). Классическая электродинамика (3-е изд.). Нью-Йорк: Wiley. С. 6–10. ISBN 978-0471309321.
• Йонссон, Фредрик; Флитцанис, Христос (1 ноября 1999 г.). «Оптическая параметрическая генерация и фазовое согласование в магнитооптических средах». Optics Letters . 24 (21): 1514–1516. Bibcode :1999OptL...24.1514J. doi :10.1364/OL.24.001514. PMID  18079850.
• Pershan, PS (1 января 1967 г.). «Магнитооптические эффекты». Журнал прикладной физики . 38 (3): 1482–1490. Bibcode : 1967JAP....38.1482P. doi : 10.1063/1.1709678.
• Фрейзер, М. (1 июня 1968 г.). «Обзор магнитооптических эффектов». Труды IEEE по магнетизму . 4 (2): 152–161. Bibcode : 1968ITM.....4..152F. doi : 10.1109/TMAG.1968.1066210.
• Широкополосная магнитооптическая спектроскопия

 В этой статье использованы материалы из Федерального стандарта 1037C. Администрация общих служб . Архивировано из оригинала 2022-01-22.