Эффект Фарадея — это… Что такое Эффект Фарадея?
Вращение плоскости поляризации света за счет эффекта ФарадеяЭффект Фарадея (продольный электрооптический эффект Фарадея) — магнитооптический эффект, который заключается в том, что при распространении линейно поляризованного света через оптически неактивное вещество, находящееся в магнитном поле, наблюдается вращение плоскости поляризации света. Теоретически, эффект Фарадея может проявляться и в вакууме в магнитных полях порядка 1011—1012 Гс.[1]
Феноменологическое объяснение
Проходящее через изотропную среду линейно поляризованное излучение всегда может быть представлено как суперпозиция двух право- и левополяризованных волн с противоположным направлением вращения. Во внешнем магнитном поле показатели преломления для циркулярно право- и левополяризованного света становятся различными ( и ). Вследствие этого, при прохождении через среду (вдоль силовых линий магнитного поля) линейно поляризованного излучения его циркулярно лево- и правополяризованные составляющие распространяются с разными фазовыми скоростями, приобретая разность хода, линейно зависящую от оптической длины пути. В результате плоскость поляризации линейно поляризованного монохроматического света с длиной волны , прошедшего в среде путь , поворачивается на угол
- .
В области не очень сильных магнитных полей разность линейно зависит от напряжённости магнитного поля и в общем виде угол фарадеевского вращения описывается соотношением
- ,
где — постоянная Верде, коэффициент пропорциональности, который зависит от свойств вещества, длины волны излучения и температуры.
Элементарное объяснение
Эффект Фарадея тесно связан с эффектом Зеемана, заключающимся в расщеплении уровней энергии атомов в магнитном поле. При этом переходы между расщеплёнными уровнями происходят с испусканием фотонов правой и левой поляризации, что приводит к различным показателям преломления и коэффициентам поглощения для волн различной поляризации. Грубо говоря, различие скоростей различно поляризованных волн обусловлено различием длин волн поглощаемого и переизлучаемого фотонов.
Строгое описание эффекта Фарадея проводится в рамках квантовой механики.
Применение эффекта
Используется в лазерных гироскопах и другой лазерной измерительной технике и в системах связи.
История
Данный эффект был обнаружен М. Фарадеем в 1845 году.
Первоначальное объяснение эффекта Фарадея дал Д. Максвелл в своей работе «Избранные сочинения по теории электромагнитного поля», где он рассматривает вращательную природу магнетизма. Опираясь в том числе на работы профессора У. Томсона, который подчеркивал, что причиной магнитного действия на свет должно быть реальное(а не воображаемое) вращение в магнитном поле, Максвелл рассматривает намагниченную среду как совокупность «молекулярных магнитных вихрей». Теория, считающая электрические токи линейными, а магнитные силы вращательными явлениями, согласуется в этом смысле с теориями Ампера и Вебера. Исследование, проведенное Д. К. Максвеллом приводит к заключению, что единственное действие, которое вращение вихрей оказывает на свет, состоит в том, что плоскость поляризации начинает вращаться в том же направлении, что и вихри, на угол, пропорциональный:
- толщине вещества
- составляющей магнитной силы параллельной лучу
- показателю преломления луча
- обратно пропорциональный квадрату длины волны в воздухе
- среднему радиусу магнитных вихрей
- емкости магнитной индукции (магнитной проницаемости)
Все положения «теории молекулярных вихрей» Д. Максвелл доказывает математически строго, подразумевая, что все явления природы в глубинной сути своей аналогичны, и действуют похожим образом.
Многие положения данной работы были впоследствии забыты или не поняты (например, Герцем), однако известные на сегодняшний день уравнения для электромагнитного поля выведены были Д. Максвеллом из логических посылок указанной теории.
Австрийский физик-теоретик Л. Больцман в примечаниях к работе Д. Максвелла отзывался следующим образом:
Я мог бы сказать, что последователи Максвелла в этих уравнениях, пожалуй, ничего кроме букв не переменили… Результаты переведенного здесь цикла работ, следовательно, должны быть причислены к важнейшим достижениям физической теории»
Примечания
Фарадея эффект — Физическая энциклопедия
ФАРАДЕЯ ЭФФЕКТ —
один из эффектов магнитооптики, заключающийся во вращении плоскости
поляризации линейно поляризованного света, распространяющегося в веществе
вдоль пост. магн. поля, в к-ром находится это вещество. Открыт М. Фарадеем (М.
Faraday) в 1845 и явился первым доказательством прямой связи оптич. и эл—магн.
явлений.
Феноменологич. объяснение
Ф. э. заключается в том, что в общем случае намагниченное вещество нельзя охарактеризовать
одним показателем преломления п. Под действием магн. поля показатели
преломления
Ф. э. по своей природе
тесно связан с Зеемана эффектом ,обусловленным расщеплением уровней энергии
атомов и молекул магн. полем. При продольном относительно магн. поля наблюдении
спектральные компоненты зеема-новского расщепления оказываются циркулярно поляризованными.
Соответствующую циркулярную анизотропию обнаруживает и спектральный ход показателя
преломления в области зеемановских переходов. Т. о., в наиб. простом виде Ф.
э. является следствием зеемановского расщепления кривых дисперсии показателя
преломления для двух циркулярных поляризаций.
В Ф. э. ярко проявляется
специфич. характер вектора напряжённости магн. поля Н ( Н-осевой
вектор, «псевдовектор»). Знак угла поворота плоскости поляризации
при Ф. э. в отличие от естественной оптической активности не зависит
от направления распространения света (по полю или против поля). Поэтому многократное
прохождение света через среду, помещённую в магн. поле, приводит к возрастанию
угла поворота плоскости поляризации в соответствующее число раз. Эта особенность
Ф. э. нашла применение при конструировании невзаимных оп-тич. и радиомикроволновых
устройств (см.
Лит. см. при ст. Магнитооптика. В. С. Запасский.
Предметный указатель >>
Изучение магнитооптического эффекта Фарадея Текст научной статьи по специальности «Физика»
ИЗУЧЕНИЕ МАГНИТООПТИЧЕСКОГО ЭФФЕКТА ФАРАДЕЯ И.Г. Дейнека, О.А. Шрамко, С.А. Тараканов Научный руководитель — д.т.н., профессор И.К. Мешковский
В работе изучается магнитооптический эффект Фарадея в образце магнитоактивного стекла, находящегося в однородном продольном магнитном поле. На основании данных, полученных с помощью созданной лабораторной установки, вычисляется постоянная Верде для исследуемого образца.
Введение
В современной науке и технике широко применяются оптические свойства веществ. В частности, большой интерес представляет магнитооптический эффект Фарадея, суть которого заключается в повороте плоскости поляризации луча света, проходящего через прозрачную среду, находящуюся в магнитном поле. Данное явление приобрело большое значение для физики полупроводников при измерениях эффективной массы носителей заряда. Эффект Фарадея используется при исследованиях степени однородности полупроводниковых пластин, имеющих целью отбраковку дефектных экземпляров. Это явление лежит в основе работы амплитудных и фазовых невзаимных элементов, а также большинства высокоточных оптических датчиков тока и магнитного поля.
Целями исследования являются изучение эффекта Фарадея в оптически активном стекле, измерение постоянной Верде для этого материала, получение навыков сборки и настройки оптических систем, проведения экспериментов и моделирования физических процессов. В результате работы собрана лабораторная установка, зарегистрировано влияние магнитного поля на распространяющееся в стекле излучение, произведено измерение угла поворота плоскости поляризации света и определена постоянная Верде используемого стекла.
Теоретическая часть
Основные свойства эффекта
Продольный магнитооптический эффект Фарадея заключается во вращении плоскости поляризации луча света, проходящего через прозрачную среду, находящуюся в магнитном поле. Показатели преломления для лево- и для правоциркулярного света при наличии магнитного поля будут различны, что и вызывает вращение плоскости поляризации и появление эллиптичности линейно поляризованного света . Угол поворота плоскости поляризации света после прохождения оптически активной среды описывается соотношением
а = уИ1 ,где V — постоянная Верде, I — длина пути света в веществе (толщина образца), а И -напряженность магнитного поля. Постоянная Верде зависит от свойств вещества, длины волны света и температуры. Знак угла поворота плоскости поляризации 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 в соответствующее число раз. Изменение направления магнитного поля, напротив, изменяет направление вращения на обратное. Эта особенность нашла применение при конструировании невзаимных оптических устройств (например, в системах управления излучением) [1].
Магнитооптический эффект Фарадея с точки зрения классических представлений
С феноменологической точки зрения эффект Фарадея, по аналогии с естественной активностью, объясняется тем, что показатели преломления п+ и п- для света, поляризо-
ванного право- и левоциркулярно, становятся различными при помещении оптически
неактивного вещества в магнитное поле. Детальная интерпретация эффекта Фарадея
возможна лишь на основе квантовых представлений [2]. Конкретный механизм явления
может быть несколько различным в разных веществах и в разных областях спектра.
Однако, с точки зрения классических представлений, эффект Фарадея всегда связан с
влиянием на дисперсию вещества частоты
еН
гаь =-,
2тс
с которой оптические электроны совершают ларморовскую прецессию вокруг направления магнитного поля, и может быть получен на основе классической теории дисперсии. В диэлектриках в видимой области спектра дисперсия определяется связанными электронами, которые совершают вынужденные колебания под действием электрического поля световой волны. Вещество рассматривается как совокупность таких классических осцилляторов. Тогда, записав и решив уравнение движения электронов отдельно для лево- и правоциркулярно поляризованной волны, можно получить выражение для угла поворота плоскости поляризации в виде
2 2( 2-2Т2 = , (1)
пт с (га0 -га )
где V — постоянная Верде. Она описывается следующим выражением:
V =-
2пЫеъга2
2 2 2 2 2 пт с (гао -га )
где е — заряд электрона, т — масса электрона, N — концентрация электронов, ю — частота света, с — скорость света в вакууме, юо — собственная частота осциллятора.
Практические применения эффекта Фарадея
Эффект Фарадея приобрел большое значение для физики полупроводников при измерениях эффективной массы носителей заряда. Эффект Фарадея очень полезен при исследованиях степени однородности полупроводниковых пластин, имеющих целью отбраковку дефектных пластин. Для этого проводится сканирование по пластине узким лучом-зондом от инфракрасного лазера. Те места пластины, в которых показатель преломления и, следовательно, плотность носителей заряда отклоняются от заданных, будут выявляться по сигналам фотоприемника, регистрирующего мощность прошедшего через пластину излучения.
Рис. 1. Амплитудный невзаимный элемент
Рассмотрим теперь амплитудные и фазовые невзаимные элементы (АНЭ и ФНЭ) на основе эффекта Фарадея. В простейшем случае оптика АНЭ состоит из пластинки
специального магнитооптического стекла, содержащего редкоземельные элементы, и двух пленочных поляризаторов (см. рис. 1).
Плоскости пропускания поляризаторов ориентированы под углом 45° друг к другу. Магнитное поле создается постоянным магнитом и подбирается так, чтобы поворот плоскости поляризации стеклом составлял 45°. Тогда на пути «вперед» вся система будет прозрачной, а на пути «назад» — непрозрачной, т.е. она приобретает свойства оптического вентиля. ФНЭ предназначен для создания регулируемой разности фаз двух линейно поляризованных встречных волн. Он нашел применение в оптических датчиках тока и магнитного поля. ФНЭ состоит из пластинки магнитооптического стекла и двух пластинок X/4, вносящих разность фаз п/2 и -п/2. Магнитное поле, как и в АНЭ, создается постоянным магнитом. На пути «вперед» линейно поляризованная волна, прошедшая пластинку, преобразуется в циркулярно поляризованную с правым вращением, затем проходит магнитооптическую пластинку с соответствующей скоростью и далее через вторую пластинку X/ 2, после чего линейная поляризация восстанавливается. На пути «назад» получается левоциркулярная поляризация, эта волна проходит магнитооптическую пластинку со скоростью, отличающейся от скорости правоциркуляр-ной волны, и далее преобразуется в линейно поляризованную. Введя ФНЭ в кольцевой лазер, мы обеспечиваем разность времен обхода контура встречными волнами и вытекающую отсюда разность их длин волн [3].
Практическая часть
Основной целью работы является наблюдение магнитооптического эффекта Фа-радея при помощи экспериментальной установки и измерение постоянной Верде исследуемого магнитооптического стекла (вид и схема установки приведены соответственно на рис. 2 и рис. 3).
Рис. 2. Внешний вид лабораторной установки
Рис. 3. Принципиальная схема лабораторной установки
Источником излучения служит Не-Ые лазер <1>, излучающий свет с длиной волны Хо = 632 нм. Это излучение вводится в оптический патчкорд <2>, заканчивающийся коллиматором <3>. После этого практически параллельный пучок света попадает на неподвижный поляризатор <4>, пропускающий только одну поляризацию. Затем свет проходит через исследуемый образец стекла <6>, находящийся в магнитном поле. Магнитное поле в стекле практически однородно и направлено вдоль распространения света. Источником магнитного поля является катушка с током <5>. Ток в катушке обеспечивается источником постоянного напряжения <7>. Далее излучение проходит через анализатор <8>, установленный во вращающейся оправке со шкалой углов, проходит через коллиматор <9> и регистрируется фотоприемником <10>.
В работе измерение постоянной Верде производится следующим образом. Рассмотрим два режима работы установки: без тока (режим 1) и с током (режим 2). Интенсивность света, прошедшего через два поляризатора, по закону Малюса зависит от а -угла между осями пропускания поляризаторов друг относительно друга:
Г 1 Г 2
I = — Iq cos а . 2 0
(2)
где 10 — интенсивность света, прошедшего через поляризатор <2>. Iq cos (а + Да).
(3)
При помощи экспериментальной установки производится измерение интенсивности I в зависимости от угла между осями поляризаторов в двух режимах: при выключенном токе и при включенном токе. Используя снятые значения, строятся две кривые
и аппроксимируются функциями вида Y = const • cos (a + Ki) (для режима 1) и
Y = const • cos (a + K2) (для режима 2). Расстояние между кривыми по оси абсцисс (ось углов) есть Да, т. е. угол, на который поворачивается плоскость поляризации при действии магнитного поля, Да находится как разница между коэффициентами к1 и к2.
Воспользовавшись соотношением (1), можно найти значение постоянной Верде.
Результаты измерений
Данные, используемые при расчете:
длина магнитооптического стекла Ькат = 8 см; число витков в катушке N = 4000. 0,0942 Тл, соответственно, Н = 942 Э.
0,08( м)
Экспериментальные данные представлены в таблице. В ней использованы следующие обозначения: Ф — угол между плоскостями поляризации поляризаторов; 1БТ -интенсивность излучения, регистрируемого фотоприемником в случае, когда ток отключен; 1ст — интенсивность излучения, регистрируемого фотоприемником в случае, когда ток включен.
№ изм. Ф (град.) 1бт (нВт) 1ст (нВт)
1 0 4200 4176
2 15 3936 3522
3 30 3297 2680
4 45 2195 1467
5 60 1199 607
6 75 403 91
7 90 35 63
8 105 137 507
9 120 770 1428
10 135 1762 2492
11 150 2802 3393
12 165 3590 3890
13 180 3940 3896
14 195 3855 3450
15 210 3206 2577
16 225 2234 1559
17 240 1354 755
18 255 555 222
19 270 158 205
20 285 311 701
21 300 911 1529
22 315 1799 2478
23 330 2728 3311
24 345 3563 3875
25 360 3967 3888
Таблица., н = 942Э, ! = 1,5 А.
нт
ТГ 10,313 • 60 п пп_ мин
Подставляя значения, получаем V =-= 0,082 ■
942 • 8 Э • см
угол между плоскостями поляризации поляризаторов, рад Рис. 4. Экспериментальные точки и аппроксимирующие кривые. Светлые точки и светлая аппроксимирующая кривая соответствуют работе установки в режиме 1, темные точки и темная кривая — работе в режиме 2.
Заключение
В работе исследован эффект Фарадея в магнитооптическом стекле, а также измерена величина постоянной Верде для этого материала. В результате работы собрана лабораторная установка, зарегистрировано влияние продольного магнитного поля на распространяющееся в стекле излучение. Произведено измерение угла поворота плоскости поляризации света и постоянной Верде используемого стекла. Экспериментально полученные в ходе проведения опыта данные хорошо согласуются с аппроксимационны-ми кривыми. Найденная величина постоянной Верде (0,082 мин/(Э-см)) наиболее близка по значению к величине постоянной Верде, соответствующей стеклу марки Corning 8363 (0,9 мин/(Э-см)).
Литература
1. Калитиевский Н.И. Волновая оптика: Учебное пособие. 4-е изд., стер. — СПб.: Издательство «Лань», 2006. — 480 с.
2. Сивухин Д.В. Общий курс физики: Учеб. пособие для вузов. В 5 т. Т. IV. Оптика. -3-е изд., стер. — М.: ФИЗМАТЛИТ, 2006. — 729 с.
3. Физическая энциклопедия. Т.2 / Л.И. Абалкин, И.В. Абашидзе, С.С. Аверинцев и др.; под ред. А.М. Прохорова — М.: Издательство «Советская энциклопедия», 1990. — С. 701-703.
Эффект фарадея
Работа 3.04
ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТА ФАРАДЕЯ
Ю.Н.Волгин
ЗАДАЧА
1. Исследование искусственной оптической активности (эффекта Фарадея) стекла. Определение постоянной Верде и марки стекла.
2.Исследование естесственной оптической активности кристалла Bi12SiO20. Определение постоянной вращения.
ВВЕДЕНИЕ
1.Наглядное описание поляризованного света.
Сточки зрения классической физики свет представляет собой поперечные электромагнитные волны. Направления колебаний вектора напряженности электрического и магнитного поля (E и H соответственно) взаимно перпендикулярны и составляют прямой угол с лучом света. Большинство источников, кроме оптических квантовых генераторов (ОКГ), испускает так называемый естественный (неполяризованный) свет. По определению, естественный свет – это свет, в котором электрический и магнитный векторы хаотически меняют свое направление, оставаясь в плоскости, перпендикулярной лучу, что схематически показано на рис.1 для вектора Е. Все направления колебаний равновероятны. [1]
Рис.1
Поляризованный свет – это свет, с преимущественным направлением колебаний вектора Е и Н. Общепринято изображать поляризованный свет, используя проекционную картину – проекцию траектории конца электрического вектора на плоскость, перпендикулярную лучу. [2] Существует три типа поляризации: линейная, циркулярная, эллиптическая. Проекционная картина этих типов показана на рис.2 а схематическое изображение на рис.3.
Линейная поляризация включает в себя бесконечное число форм, различающихся
азимутом (угол α на рис.2).
Рис.2
Циркулярная поляризация (круговая) включает в себя две формы, различающиеся направлением вращения.
Рис.3
Нетрудно показать, что линейно поляризованный свет можно представить как суперпозицию двух форм циркулярно поляризованного света (см. рис.4).
Рис.4
Эллиптическая поляризация включает в себя бесконечное число форм, различающихся азимутом, эллиптичностью и направлением вращения, и является наиболее общим типом поляризации.
Часто пользуются понятием «плоскость поляризации», определяя так плоскость, содержащую направление распространения волны и направление колебаний вектора Е. Следует заметить, что определение это неоднозначно, так как можно создать несколько волн, имеющих одну и ту же плоскость поляризации, но разное направление колебаний вектора Е.
Обычно свет состоит из естественной и поляризованой составляющих. Такой свет называется частично поляризованным. Отношение интенсивности поляризованной составляющей частично поляризованного света к полной его интенсивности называется степенью поляризации и записывается в виде
P = | Iпол | (1) |
Iпол + Iест |
где Р – степень поляризации, Iпол – интенсивность поляризованной составляющей, Iест
– интенсивность естественной составляющей.
Если свет частично линейно поляризован, то параметр степени поляризации может быть определен экспериментально как отношение разности интенсивностей двух выделенных ортогональных поляризаций к их сумме.
P = | Imax − Imin | (2) | |
Imax + Imin | |||
|
|
Соответствие формул (1) и (2) нетрудно показать. Поляризатор – это оптическое устройство, проходя через которое свет становится линейно поляризованным.
Действие поляризатора состоит в том, что он разделяет первоначальный пучок на два, в которых направления колебаний вектора Е взаимно перпендикулярны, т.е. ортогональны, пропускает один из них и поглощает или отражает другой. Работа поляризаторов разных типов основана на таких физических явлениях как явление двойного лучепреломления, отражения света, дихроизма и др. Идеальный поляризатор полностью пропускает свет, линейно поляризованный вдоль его оптической оси ОО, и не пропускает свет, линейно поляризованный перпендикулярно оптической оси. Пропускание двух установленных один за другим поляризаторов становиться минимальным когда их оптические оси взаимно перпендикулярны (поляризаторы скрещены).
2. Об оптической активности.
Открытие волновой, электромагнитной природы света позволило объяснить многие явления, возникающие при взаимодействии света и вещества, например, явление дисперсии, рассеяния и др. Большой интерес представляет явление вращение плоскости поляризации света при его прохождении через среду. Свойство вещества поворачивать плоскость поляризации света называется естественной оптической активностью. Этим свойством, как оказалось, обладают некоторые жидкости, растворы многих веществ, а также некоторые кристаллы. Такие вещества получили название естественно активных веществ.
Вращательные способность естественно оптически активных веществ характеризуют постоянной вращения:
где, ψ — угол поворота плоскости поляризации, d – толщина слоя вещества.
Значение η зависит от природы вещества, от температуры, от длины волны
света.
Обычно явление естественной оптической активности наблюдается в анизотропных кристаллах. Наблюдать и интерпретировать его удобнее, когда свет распространяется вдоль оптической оси кристалла. Изучение вращения в кристаллах, например в кварце (SiO2) показывает, что существует два сорта кварца: правовращающий (положительный, поворачивающий плоскость поляризации по часовой стрелке, обозначается индексом «+») и левовращающий (отрицательный «-»), при этом η+=η- . Направление вращения принято устанавливать для наблюдателя, смотрящего навстречу лучу света (*). При изменении направления распространения света на 1800, направление вращения не изменяется.
Объяснения оптической активности дал Френель в 1817г., основываясь на предположении о том, что фазовая скорость света V, т.е. показатель преломления n в оптически активных веществах различны для лучей, поляризованных право- и левоциркулярно. При этом, для правовращающих веществ V+>V-, n+<n-, а для левовращающих – наоборот.
На рис. 4 приведен пример сложения двух циркулярно поляризованных волн
оптически активного вещества совокупность право- и левоциркулярно поляризованных волн эквивалентна линейно поляризованному свету с колебаниями электрического вектора, направленными относительно АА, т.е. вращающиеся векторы Е+ и Е- симметричны относительно АА. Тогда, при условии V+=V- , Е+ будет повернут на больший угол (ϕ+) вправо, чем Е- влево (ϕ-). Следовательно, плоскость, относительно которой векторы Е+ и Е- будут симметричны, оказывается ВВ, повернутая вправо относительно АА, т.е. плоскостью поляризации, повернутой на угол ψ (рис. 4б), равный половине разности фаз между Е+ и Е-. Это видно из рисунка:
ψ = | 1 | (ϕ+ −ϕ− )= | πd | (n− + n+ ) | (4) |
2 |
| ||||
|
| λ0 |
| ||
где λ0 – длина световой волны в вакууме.
(*) Следует заметить, что направление вращения некоторые авторы устанавливают для наблюдателя, смотрящего по лучу, также как под плоскостью поляризации в некоторых учебниках подразумевается плоскость, проходящая через магнитный вектор (а не электрический) и направление распространения света. Мы пользуемся определениями, рекомендуемыми в [1]
3. Эффект Фарадея.
Большинство веществ становятся оптически активными при воздействии внешнего магнитного поля. Это явление (вращение плоскости поляризации линейно поляризованного света при прохождении его через вещество, помещенное в продольное магнитное поле) называется эффектом Фарадея – по имени первооткрывателя. Эффект Фарадея относится к числу магнитооптических явлений. Исследование диэлектриков и полупроводников с помощью магнитооптических методов позволяет наиболее точно определять их важнейшие характеристики, параметры энергетической структуры и имеет большое практической значение.
Угол поворота плоскости поляризации может быть вычислен по следующей формуле:
ψ =V H d (5)
где d – путь света в веществе, Н – напряженность магнитного поля, V – постоянная Верде, которая зависит от частоты света, свойств вещества и температуры [3]. Принято постоянную Верде измерять в угловых минутах, деленных на эрстед и сантиметр (мин/Э см). В оптической промышленности по значению V определяют состав стекла. Направление вращения, т.е. знак V зависит от направления магнитного поля и не связано с направлением распространения света. Поэтому фарадеевское вращение условно принято считать положительным для наблюдателя, смотрящего по полю, если плоскость поляризации поворачивается по часовой стрелке (вправо).
Очевидно, что с феноменологической точки зрения эффект Фарадея, по аналогии с естественной активностью объясняется тем, что показатели преломления n+ и n- для света, поляризованного право- и левоциркулярно, становятся различными при помещении оптически неактивного вещества в магнитное поле. Детальная интерпретация эффекта Фарадея возможна лишь на основе квантовых представлений [3]. Конкретный механизм явления может быть несколько различным в разных веществах и в разных областях спектра. Однако, с точки зрения классических представлений, эффект Фарадея всегда связан с влиянием на дисперсию вещества
частоты ωL = e2mcH , с которой оптические электроны совершают ларморовскую
прецессию вокруг направления магнитного поля, и может быть получен на основе классической теории дисперсии. В диэлектриках в видимой области спектра дисперсия определяется связанными электронами, которые совершают вынужденные колебания под действием электрического поля световой волны. Вещество рассматривается как совокупность таких классических осцилляторов. Тогда, записав и решив уравнение движения электронов отдельно для лево- и правоциркулярно поляризованной волны, можно получить выражение для угла поворота плоскости поляризации в виде:
| ψ = | 2π Ne3ω2 Hd | =VHd (6) |
| |||||
| nm2 c2 (ω0 | 2 −ω2 )2 |
|
| |||||
где |
| V = | 2π Ne3ω2 |
|
| (7) | |||
| nm2 c2 (ω0 | 2 −ω2 )2 |
| ||||||
здесь е – заряд электрона, m-масса электрона, N – концентрация электронов, ω — частота света, с- скорость света в вакууме, ω0 – собственная частота осциллятора. С выводом формул (6) и (7) можно ознакомиться в приложении, имеющимся в лаборатории.
УСТАНОВКА Схема экспериментальной установки приведена на рис.5. Источником линейно
поляризованного света (λ0=0,632 мкм) является оптический квантовый генератор 2 с блоком питания 1. Далее свет попадает на дополнительный неподвижный поляризатор 3 и через отверстия в полюсе электромагнита 6,7 – на образец 4, после чего проходит через второй поляризатор 5, выполняющий роль анализатора поворота плоскости поляризации после взаимодействия света с веществом. Затем свет попадает на фотоэлемент (приемник излучения) 9. К фотоэлементу подключен регистрирующий прибор – вольтметр 10. Обмотки электромагнита подключены к блоку питания 11. Угол поворота анализатора измеряется с помощью связанного с ним отсчетного устройства с угловым нониусом. Полный отсчет равен сумме отсчетов по основной шкале и по шкале нониуса. Отсчет по основной шкале делается по риске, соответствующей нулю нониуса. Отсчет по нониусу на 30 угловых минут снимается в месте совпадения риски шкалы и нониуса с риской основной шкалы.
Рис.5
ПРОВЕДЕНИЕ ИЗМЕРЕНИЙ.
1.Подготовить приборы к включению.
2.Включить лазер и блок питания магнита.
3.Установить между полюсами магнита образец №1 (стекло) и провести юстировку оптической системы, т.е. добиться, чтобы свет от лазера проходил через поляризатор 5, отверстия в полюсах электромагнита, образец, анализатор 9 и попадал на фотоэлемент.
4.Провести исследования эффекта Фарадея, сняв зависимость угла поворота плоскости поляризации от силы тока электромагнита. Результаты занести в таблицу 1. Напряженность магнитного поля Н определяется по току магнита с помощью градуировочного графика на установке.
5.Провести исследование естественной оптической активности образца Bi12SiO20 (силикат висмута). Данныe занести в таблицу 2 (многократные измерения).
Бoлее подробнo порядок выполнения работы смотрите в инструкции, которую получите в лаборатории.
ВНИМАНИЕ!!!
ДЕТАЛИ ОТМЕЧЕННЫЕ КРАСНОЙ КРАСКОЙ, ТРОГАТЬ ЗАПРЕЩАЕТСЯ!!!
ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ
1.Используя данные таблицы 2 (исследование естественной оптической активности) вычислить среднее значение и его погрешность, как погрешность прямых многократных измерений [4].
2.По формуле (3) вычислить постоянную вращения. Вычислить погрешность η,
как погрешность косвенных измерений [4]. Толщина образца №2 (Bi12SiO20) d=0,83±0,02 мм.
3.Используя данные таблицы 1 (исследование эффекта Фарадея) построить график зависимости угла поворота плоскости поляризации ψ от напряженности магнитного поля Н (ψ — в угловых минутах, Н – в эртедах). Методом парных точек или наименьших квадратов вычислить угловой коэффициент (К) и его погрешность [4].
4.Используя формулу К=Vd, вычислить постоянную Верде и ее погрешность, с помощью таблицы 3 определить марку стекла. Толщина образца №1 (стекло) d=10,0±0,2 мм.
|
|
|
|
|
|
|
|
| Таблица 1 |
|
| Ток | Напряженность |
|
| Отсчет, | Угол поворота плоскости | ||
№ п/п | магнита | магнитного поля |
|
| угловые |
| поляризации ψ=(γi-γ0) | ||
| I, мА | Н, Э |
|
| градусы, |
| Угловые минуты | ||
|
|
|
|
|
|
| минуты |
|
|
1. |
| 0 |
|
|
|
| γ0 |
|
|
2. |
| 25 |
|
|
|
| γ1 |
|
|
3. |
| 50 |
|
|
|
| γ2 |
|
|
4. |
| 75 |
|
|
|
| γ3 |
|
|
… |
| … | … |
|
| … |
| … | |
11. |
| 250 |
|
|
|
| γ10 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
| Таблица 2 |
|
|
|
| Отсчет, |
|
| Угол поворота | ||
|
|
|
| угловые градусы, минуты |
| плоскости | |||
№ п/п |
|
|
|
|
|
|
| поляризации | |
|
|
|
| γ0i |
| γi |
| ψ=(γi-γ0i) | |
|
|
|
| без образца |
| с образцом |
|
| |
1. |
|
|
|
|
|
|
|
| |
2. |
|
|
|
|
|
|
|
| |
3. |
|
|
|
|
|
|
|
| |
4. |
|
|
|
|
|
|
|
| |
5. |
|
|
|
|
|
|
|
| |
Константа Верде некоторых марок стекла (λ0=0,632 мкм) |
| Таблица 3 | |||||||
|
| ||||||||
|
| Марка стекла |
|
|
| V | |||
|
|
|
|
|
| ||||
Кварцевое стекло (КУ) |
|
|
|
| 0,031 | ||||
Corning 8363 |
|
|
|
|
|
| 0,09 | ||
Corriny 8414 |
|
|
|
|
|
| 0,18 | ||
Тяжелый флинт |
|
|
|
| 0,053 | ||||
Пирекс |
|
|
|
|
|
| 0,035 | ||
ЛИТЕРАТУРА
1.Физическая оптика. Терминология. Изд. «Наука», М., 1971.
2.Ландберг Г.С. Оптика. Изд. «Наука», М., Л., 1981.
3.Волькштейн И.В. Молекулярная оптика. М., Л., 1981.
4.Обработка результатов измерений. Ленинград. ЛПИ, 1981.
Проведено наблюдение эффекта Фарадея в графене — Газета.Ru
Физики из Швейцарии, Германии и США зарегистрировали эффект Фарадея в одно- и многослойном графене, сообщает «Компьюлента» со ссылкой на публикацию в Nature Physics.
Суть этого магнитооптического эффекта заключается в том, что прохождение линейно поляризованного света через вещество, находящееся в магнитном поле, приводит к вращению плоскости поляризации. Объяснить его можно так: во внешнем поле показатели преломления для циркулярно право- и левополяризованного света становятся различными, и при попадании исходного излучения в среду две его поляризованные составляющие распространяются с разными фазовыми скоростями. Это и приводит к наблюдаемому вращению плоскости поляризации на некоторый угол, линейно зависящий, как несложно догадаться, от длины пути излучения.
Поскольку графен — моноатомный слой углерода — можно считать предельно тонким материалом, изучать эффект Фарадея в нем авторы не планировали, собираясь вместо этого измерять характеристики квантового эффекта Холла с использованием ИК-излучения. В эксперименте свет пропускался через поляризационный фильтр, полученный линейно поляризованный пучок направлялся на графен, проходил через еще один фильтр и попадал на детектор. Система была настроена так, чтобы без вращения плоскости поляризации на детектор не приходило ничего.
«Мы не надеялись увидеть заметное вращение в графене, — говорит руководитель исследования Алексей Кузьменко из Университета Женевы. — Предполагалось, что угол вращения составит около 0,01 радиана, но на деле он оказался равен 0,1 радиана [~6˚]». По величине угла в пересчете на один слой атомов графен опередил всех своих полупроводниковых «соперников».
«Эффект Фарадея и родственный ему магнитооптический эффект Керра находят применение в оптической связи, устройствах хранения информации, вычислительных системах, — напоминает сотрудник Кембриджского университета Андреа Феррари, не принимавший участия в работе. — Обнаруженные коллегами свойства графена дают возможность создавать уникальные устройства». На практике, впрочем, нужны довольно большие углы вращения плоскости поляризации (45˚), для получения которых потребуется около 10 слоев графена. Материал поглощает инфракрасное излучение, что приведет к заметному ослаблению сигнала в готовых устройствах — к примеру, оптических диодах.
Эффект Фарадея
Эффект Фарадея — магнитооптический эффект, который заключается в том, что при распространении линейно-поляризованного света через оптически неактивное вещество, находящееся в магнитном поле, наблюдается вращение плоскости поляризации света. Теоретически, эффект Фарадея может проявляться и в вакууме в магнитных полях порядка 10 11 — 10 12 Гс.
1. Феноменологическое объяснение
Проходящее через изотропную среду линейно поляризованное излучение всегда может быть представлено как суперпозиция двух право- и левополяризованных волн с противоположным направлением вращения. Во внешнем магнитном поле показатели преломления для циркулярно право- и левополяризованного света становятся различными n + {\displaystyle n_{+}} и n − {\displaystyle n_{-}}. Вследствие этого, при прохождении через среду вдоль силовых линий магнитного поля линейно поляризованного излучения его циркулярно лево- и правополяризованные составляющие распространяются с разными фазовыми скоростями, приобретая разность хода, линейно зависящую от оптической длины пути. В результате плоскость поляризации линейно поляризованного монохроматического света с длиной волны λ {\displaystyle \lambda }, прошедшего в среде путь l {\displaystyle l}, поворачивается на угол
Θ = π l n + − n − λ {\displaystyle \Theta ={\frac {\pi ln_{+}-n_{-}}{\lambda }}}.
В области не очень сильных магнитных полей разность n + − n − {\displaystyle n_{+}-n_{-}} линейно зависит от напряжённости магнитного поля и в общем виде угол фарадеевского вращения описывается соотношением
Θ = ν H l {\displaystyle \ \Theta =\nu Hl},
где ν {\displaystyle \nu } — постоянная Верде, коэффициент пропорциональности, который зависит от свойств вещества, длины волны излучения и температуры.
2. Элементарное объяснение
Эффект Фарадея тесно связан с эффектом Зеемана, заключающимся в расщеплении уровней энергии атомов в магнитном поле. При этом переходы между расщеплёнными уровнями происходят с испусканием фотонов правой и левой поляризации, что приводит к различным показателям преломления и коэффициентам поглощения для волн различной поляризации. Грубо говоря, различие скоростей различно поляризованных волн обусловлено различием длин волн поглощаемого и переизлучаемого фотонов.
Строгое описание эффекта Фарадея проводится в рамках квантовой механики.
3. Применение эффекта
Используется в лазерных гироскопах, лазерной измерительной технике, лазерных передатчиках в системах связи как элемент защитного оптического изолятора. Кроме того, эффект применяется при создании ферритовых СВЧ-устройств. В частности, эффект Фарадея лежит в основе работы циркуляторов СВЧ- и оптического диапазона.
4. История
Данный эффект был обнаружен М. Фарадеем в 1845 году.
Первоначальное объяснение эффекта Фарадея дал Д. Максвелл в своей работе «Избранные сочинения по теории электромагнитного поля», где он рассматривает вращательную природу магнетизма. Опираясь в том числе на работы Кельвина, который подчеркивал, что причиной магнитного действия на свет должно быть реальноеа не воображаемое вращение в магнитном поле, Максвелл рассматривает намагниченную среду как совокупность «молекулярных магнитных вихрей». Теория, считающая электрические токи линейными, а магнитные силы вращательными явлениями, согласуется в этом смысле с теориями Ампера и Вебера. Исследование, проведённое Д. К. Максвеллом, приводит к заключению, что единственное действие, которое вращение вихрей оказывает на свет, состоит в том, что плоскость поляризации начинает вращаться в том же направлении, что и вихри, на угол, пропорциональный:
толщине вещества,
ёмкости магнитной индукции магнитной проницаемости.
составляющей магнитной силы, параллельной лучу,
среднему радиусу магнитных вихрей,
показателю преломления луча,
обратно пропорциональный квадрату длины волны в воздухе,
Все положения «теории молекулярных вихрей» Д. Максвелл доказывает математически строго, подразумевая, что все явления природы в глубинной сути своей аналогичны и действуют похожим образом.
Многие положения данной работы были впоследствии забыты или не поняты например, Герцем, однако известные на сегодняшний день уравнения для электромагнитного поля выведены были Д. Максвеллом из логических посылок указанной теории.
Австрийский физик-теоретик Л. Больцман в примечаниях к работе Д. Максвелла отзывался следующим образом:
Я мог бы сказать, что последователи Максвелла в этих уравнениях, пожалуй, ничего кроме букв не переменили… Результаты переведенного здесь цикла работ, следовательно, должны быть причислены к важнейшим достижениям физической теории»
Дата публикации:
05-16-2020
Дата последнего обновления:
05-16-2020Билет №8
Билет 29
2) Оптическая активность. Вращение плоскости поляризации. Эффект Фарадея.
Оптическая активность – способность некоторых веществ вызывать вращение плоскости поляризации проходящего через них света.-1.Поворот может быть либо положительный либо отрицательный. Эффект Фарадея заключается в том, что в магнитном поле первоначально неактивное вещество становится оптически активным. При распространении света в веществе вдоль вектора напряженности магнитного поля плоскость поляризации световой волны вращается.Угол поворота плоскости поляризации равен ф=VHl, где V-постоянная Верде, l-длинна активной среды,H-Напряженность магнитного поля на оси соленоида.
3) Квантовые свойства света. Тормозное рентгеновское излучение. Коротковолновая граница сплошного рентгеновского спектра.
В рамках квантовой теории свет представляет собой поток дискретных частиц,названных фотонами.Среди разнообразных явлений, в которых проявляются квантовые свойства света,
одно из самых важных мест занимает фотоэлектрический эффект. Различают два вида фотоэлектрического эффекта ? внешний и внутренний. Внешним фотоэффектом называется испускание электронов веществом при облучении его электромагнитным излучением. При внутреннем фотоэффекте оптически возбужденные электроны остаются внутри освещаемого
вещества, не нарушая его электрическую нейтральность.
Согласно Эйнштейну, свет частотой v не только испускается отдельными квантами, но также в виде квантов (фотонов) распространяется в пространстве и поглощается веществом.
Фотоэффект же возникает в результате неупругого столкновения фотона с электроном в материале катода. При таком столкновении фотон поглощается, а его энергия передается
электрону.К рентгеновскому относится электромагнитное излучение, занимающее спектральную область между γ- и УФ-излучением в диапазоне длин волн λ от 10-12 до 10-7 м.
Рентгеновские спектры, возникающие при бомбардировке антикатода рентгеновской трубки электронами, бывают двух видов: сплошные и линейчатые. Сплошные спектры возникают при торможении электронов в веществе антикатода и являются обычным тормозным излучением электронов. Их вид не зависит от материала антикатода. Линейчатые спектры появляются с повышением напряжения на трубке. Они состоят из отдельных линий и зависят от материала антикатода. Каждый элемент из которого сделан антикатод обладает своим, характерным для него линейчатым спектром. Поэтому такие спектры названы характеристическими. С увеличением напряжения на трубке коротковолновая граница сплошного спектра смещается, а линии характеристического спектра не меняют своего положения, становясь более интенсивными.
Эффект Фарадея — обзор
Магнитно-резонансное рассеяние
Магнитооптические явления (вращение Фарадея и магнитооптический эффект Керра) с видимым светом и инфракрасным излучением ясно демонстрируют, что электромагнитное излучение взаимодействует с магнитными моментами. Эти явления связаны с показателем преломления, который связан с частью амплитуды рассеяния K = 0. Однако в рентгеновском диапазоне вдали от резонансов можно видеть, что векторы поляризации A и B , которые входят в fnnonres MagneticK, исчезают при K = 0.Показатель преломления рентгеновских лучей сильно отличается от единицы только вблизи краев поглощения из-за аномальной части амплитуды рассеяния: именно здесь можно обнаружить эффекты вращения поляризации и эффекты магнитного рассеяния.
Резонансное магнитное рассеяние возникает из-за зависимости fnres (k, k ′, h̸ω) от намагниченности в позиции n . Это происходит, если интегралы перекрытия зависят от локального магнитного момента или если энергии промежуточных уровней | c 〉 расщепляются обменными взаимодействиями.Магнитная чувствительность возникает из-за комбинации спин-орбитальных взаимодействий, которые должны присутствовать на одном из двух уровней, участвующих в резонансном и обменном взаимодействиях.
Следующий пример иллюстрирует эффект ( Рисунок 3 ) : если основное состояние | a 〉 атома имеет единственное отверстие в оболочке 4 f l = 3 и, следовательно, несет локализованный магнитный момент, прямое применение правила Хунда показывает, что пустая электронная орбиталь характеризуется величиной ml = −2 , ms = −1 / 2, которое также является квантовым состоянием с j = 7/2, mj = −7 / 2.На границе M 5 (начальное состояние в полосе 3 d 5/2 ) дипольные переходы вносят вклад только с ΔL = 1 и ΔML = -1; это соответствует круговой левой поляризации. Два других перехода, ΔML = 1 и ΔML = 0, недопустимы. Если все узлы имеют свои магнитные моменты, выровненные в одном направлении, левосторонние циркулярно поляризованные фотоны с соответствующей энергией будут возбуждать этот переход и будут поглощаться совокупностью магнитных атомов, тогда как другие поляризации, линейная и правосторонняя круговая, будут не взаимодействовать.Это источник рентгеновского магнитного дихроизма. Аналогичные эффекты будут иметь место и в процессе рассеяния. Оценки в этом идеализированном случае показали, что амплитуда магнитно-резонансного рассеяния может достигать 100 в электронных единицах, что дает чрезвычайно большие эффекты в поглощении и дифракции рентгеновских лучей.
Рис. 3. Схематическая диаграмма, показывающая магнитную чувствительность резонансного процесса: только переход ΔM = −1 разрешен на переходе, ведущем к рентгеновскому дихроизму в экспериментах по поглощению.
Если энергия края E c — E a расщепляется обменными взаимодействиями, то есть в зависимости от спинового состояния промежуточного электронного уровня | c 〉, то вероятности переходов также зависят от изменения импульса Δ M L , индуцированного падающим излучением. В результате также появятся рентгеновский дихроизм и магнитное рассеяние.
Если переданный импульс K соответствует магнитной периодичности материала, сумма по промежуточным состояниям для всех атомов отлична от нуля, что приводит к резонансным магнитным пикам Брэгга.Резонансное рассеяние накладывается на нерезонансное рассеяние: две амплитуды рассеяния интерферируют, создавая полное сечение d σ / dΩ.
Большие резонансные увеличения интенсивности магнитного рассеяния наблюдались на краях L II, III редкоземельных элементов (увеличение в 10–100 раз) и M 4, 5 краях актинидов (несколько порядков). увеличения величины), как показано на рисунке 4. Фундаментальное различие между fnnonres magnetK и fnres (k, k ‘, h̸ω) состоит в том, что fnnonres MagneticK содержит спин и орбитальный вклад в магнитный момент, тогда как fnres (k, k’, h̸ω) чувствительна только к ориентации местного момента.Однако существуют правила сумм для Δ f ″, которые позволяют извлекать значения для орбитального момента и для вращения.
Рис. 4. Зависимость интенсивности магнитной дифракции от энергии фотонов от материала, содержащего два магнитных элемента, уран и нептуний. Нептуний и уран четко различимы и хорошо разделены. Настройка энергии фотона на один край делает дифракцию чувствительной к магнитным свойствам нептуния или урана. Резонансные интенсивности увеличиваются на 5 порядков по сравнению с интенсивностями, наблюдаемыми в нерезонансном режиме намного выше краев.
Наибольшие резонансные усиления, наблюдаемые на краях актинидов M 4, 5 , являются результатом сильных дипольных переходов, которые связывают уровни ядра d непосредственно с незаполненной магнитной электронной оболочкой 5 f . Размер магнитного резонанса представляет собой комбинацию интегралов перекрытия, обсужденных выше, и магнитной поляризации промежуточных состояний. Более слабые усиления, наблюдаемые на краях редкоземельных элементов L 2, 3 , объясняются тем, что дипольные переходы связаны с полосами 5 d , которые более спин-поляризованы, чем оболочки 4 f , несущие намагниченность в редкоземельных элементах.В таком случае квадрупольные переходы могут быть сравнимы с дипольными термами, потому что они связывают базовый уровень (2 p ) непосредственно с сильно поляризованными по спину состояниями 4 f . В таблице 2 перечислены резонансные процессы, которые важны для экспериментов по резонансному магнитному рассеянию.
Свойства резонансного магнитного рассеяния рентгеновских лучей находят важные применения. Большой размер амплитуды рассеяния позволяет исследовать мельчайшие образцы и даже поверхности в экспериментах по магнитному рассеянию.Химическая селективность резонансного процесса проиллюстрирована на рисунке 4: настройка энергии фотонов через края поглощения различных химических частиц позволяет различать магнитные моменты, которые находятся в разных элементах. Точно так же электронная чувствительность позволяет различать вклады электронных состояний d , f или даже перемещающихся p электронных состояний в намагниченность.
Соответствующие эффекты можно наблюдать при рентгеновской спектроскопии.Ограничивая резонанс дипольными переходами, fnres, диполь (k, k ′, h̸ω) можно записать как
fnres, диполь (k, k ′, h̸ω) = F0ε ′ * ⋅ε − iF1 (ε ′ * × ε) zn + F2 (ε ′ * ⋅zn) (ε⋅zn)
, где z n — ось квантования на участке n . F (I = 0,1,2) являются резонансными матричными элементами и содержат резонансные знаменатели. Первый член в fnres, диполь (k, k ‘, h̸ω) не зависит от z n и не вносит вклад в магнитное рассеяние; это обычный член аномального рассеяния рентгеновских лучей, который вносит вклад в белые линии в сигнале флуоресценции.Второй член в fnres, диполь (k, k ‘, h̸ω) приводит к рентгеновскому круговому дихроизму в экспериментах по рентгеновской спектроскопии, а третий член вносит вклад в рентгеновский линейный дихроизм.
Эффект Фарадея | Encyclopedia.com
Эффект Фарадея, также называемый вращением Фарадея, возникает, когда направление поляризации электромагнитной волны изменяется, когда волна проходит через кусок прозрачного материала, пронизанный магнитным полем. Величина вращения определяется свойством прозрачного материала, называемым его коэффициентом Верде, толщиной куска материала и силой магнитного поля.Закон обычно выражается как θ = VBL , где V — коэффициент Верде материала, B — напряженность магнитного поля, а L — толщина куска материала.
Эффект Фарадея не следует путать с законом Фарадея, который описывает индукцию тока в проволочной петле за счет изменения магнитного поля внутри петли. Оба эти явления были описаны английским физиком Майклом Фарадеем (1791–1867) в девятнадцатом веке, но они различны.
Фарадей открыл эффект Фарадея в 1845 году, систематически исследуя взаимодействие магнитных полей, прозрачных материалов и поляризованного света (свет — это форма электромагнитного излучения). Электромагнитная природа света еще не была понята, и наблюдение Фарадея было первым, показавшим, что свет связан с магнетизмом: как Фарадей отмечал в своем дневнике, «на поляризованный луч производился эффект, и, таким образом, магнитная сила и свет были оказались связаны друг с другом.Этот факт, скорее всего, окажется чрезвычайно плодотворным и очень ценным при исследовании обоих условий естественной силы ».
Причины эффекта Фарадея кроются в детальной физике передачи электромагнитного излучения через материальные объекты; эффект Фарадея не возникает, когда электромагнитные лучи проходят через магнитное поле в вакууме. Вкратце, линейно поляризованный луч можно рассматривать как суперпозицию или одновременное присутствие двух лучей, поляризованных по кругу в противоположных направлениях.В среде с ненулевым коэффициентом Верде эти два луча с круговой поляризацией испытывают разные задержки (по сложным причинам). Когда они выходят из куска материала, они рекомбинируют в единый линейно-поляризованный луч, направление поляризации которого было повернуто на некоторый угол θ.
Эффект Фарадея имеет практическое применение. Например, его можно использовать для обнаружения наличия магнитного поля, которое, в свою очередь, можно использовать для обнаружения наличия электрического тока. Существуют и другие методы обнаружения магнитных полей, но эффект Фарадея можно использовать для обнаружения слабых полей и полей в труднодоступных местах, таких как сверхгорячая плазма.Эффект Фарадея также исследуется для использования в оптических вычислениях. Путем быстрого изменения значения магнитного поля можно быстро модулировать поляризацию лазерного луча (изменять управляемым образом). Это можно использовать для нанесения информации на лазерный луч, и эта информация может быть обнаружена приемным устройством. Для обнаружения поляризованный свет может проходить через поляризационный фильтр, который более или менее блокирует свет в зависимости от его быстро меняющегося угла поляризации.(Аналогичный эффект возникает, когда пара солнцезащитных очков Polaroid блокирует блики с неба или от отражающих поверхностей. Вращая пару солнцезащитных очков Polaroid, вы можете наблюдать изменение яркости различных источников поляризованного света.) Тогда можно было бы использовать относительно простой детектор яркости. записать сигнал данных. Такие устройства были предложены в качестве сверхвысокоскоростных каналов передачи данных, соединяющих вычислительные элементы.
Эффект Фарадея — Fosco Connect
Эффект Фарадея описывает такое явление:
Если магнитное поле приложено к среде в направлении, параллельном направлению распространения света, происходит поворот направления поляризации света.Лучше всего это показано на картинке.
Суть эффекта Фарадея или вращения Фарадея состоит в том, что он показывает взаимодействие между светом и магнитным полем в среде.
В 1845 году Фарадей обнаружил, что магнитное поле в направлении распространения светового луча в прозрачной среде создает эффекты кругового двулучепреломления. Таким образом, он впервые установил прямую связь между оптикой и электромагнетизмом — связь, о существовании которой он давно подозревал и которую искал много лет.
Однако прошло полвека, прежде чем объяснение эффекта Фарадея было сформулировано в терминах электромагнитной теории света Максвелла (разработанной в 1860-х годах) и концепции атомарности заряда, которая возникла в 19 веке под влиянием электрохимии. и подтверждено открытием Томсоном электрона в 1897 году.
Установка для наблюдения эффекта Фарадея
В этой установке магнитное поле настроено так, что силовые линии проходят вдоль направления распространения оптического луча.Линейный поляризатор пропускает в кювету свет одной поляризации. Второй линейный поляризатор используется для анализа результата.
Величина вращения под действием поля H на длине пути L определяется по формуле:
, где V — постоянная, известная как постоянная Верде: V — постоянная для любого материала, но зависит от длины волны и температуры.
Итак, если H постоянна на оптическом пути, мы получаем:
Мы можем дать качественное объяснение эффекта Фарадея.Взгляните на картинку ниже.
Когда к среде приложено магнитное поле, электронам в среде легче вращаться в одном направлении вокруг магнитного поля, чем в другом.
Сила Лоренца действует на движущийся заряд в магнитном поле, и это будет действовать радиально на электрон, когда он вращается вокруг поля. Сила будет направлена наружу для одного направления вращения и внутрь для другого.
Последующее смещение электрона приведет к двум разным радиусам вращения и, следовательно, двум разным частотам вращения; и электрическая диэлектрическая проницаемость (ε).Следовательно, поле приведет к двум различным показателям преломления и, следовательно, к круговому двулучепреломлению.
Свет с круговой поляризацией в «легком» направлении будет распространяться быстрее, чем свет, поляризованный в «жестком» направлении, что приводит к наблюдаемому эффекту.
Невзаимная природа эффекта Фарадея
Невзаимный означает, что линейно поляризованный свет всегда вращается в одном и том же АБСОЛЮТНОМ направлении в пространстве, независимо от направления распространения света.
Положительная постоянная Верде соответствует L-вращению (против часовой стрелки), когда направление распространения параллельно магнитному полю, и R-вращению (по часовой стрелке), когда направление распространения антипараллельно. Таким образом, если луч света проходит через материал и отражается обратно через него, вращение удваивается.
Лучше всего это проиллюстрировано на следующем рисунке.
Это связано с тем, что в магнитооптическом эффекте Фарадея вращение всегда происходит в одном и том же направлении относительно магнитного поля (а не в направлении распространения), поскольку именно оно определяет легкое и трудное направления.
Следовательно, наблюдатель, всегда смотрящий в направлении распространения света, будет видеть разные направления вращения, поскольку в одном случае он смотрит вдоль поля, а в другом — против него.
В отличие от электрооптического эффекта, магнитооптический эффект вызывает истинное вращение плоскости поляризации для любого угла входной поляризации. В простом электрооптическом устройстве доступны только чистые вращения на 90 °; все другие промежуточные напряжения создают разные степени состояний эллиптической поляризации из линейного входного состояния.Однако вращатель Фарадея действительно поворачивает плоскость входной поляризации на любой угол (при условии, что вы можете создать достаточно сильное магнитное поле!
Взаимная природа вращения поляризации оптически активных кристаллов (т.е. волновых пластин)
С другой стороны, вращение поляризации, индуцированное оптически активными кристаллами, такими как волновые пластины, является обратным.
Если направление поляризации поворачивается справа налево (скажем) при прямом проходе (с точки зрения ФИКСИРОВАННОГО наблюдателя), оно будет вращаться слева направо при обратном проходе (с точки зрения того же наблюдателя).
Таким образом, обратное отражение света через оптически активный кристалл приведет к свету с нулевым конечным вращением, при этом два вращения будут отменены. Лучше всего это показано на следующем рисунке.
Это происходит потому, что вращение поляризации здесь является результатом продольной спиральности (представленной в виде спирали) в кристаллической структуре. Следовательно, вращению, которое следует за вращением спирали в прямом направлении, будет противодействовать спираль в обратном направлении.
Магнитное круговое двулучепреломление — теория эффекта Фарадея Беккереля
Ранее были установлены эксперименты, согласно которым угол фарадеевского вращения φ пропорционален произведению D (длины материала) и магнитного поля B. Таким образом, мы получаем
Φ = VDB
, где V — коэффициент пропорциональности, называемый постоянной Верде. Однако как вычислить значение V из фундаментальной физики света, магнетизма и материи?
Первый шаг к пониманию эффекта Фарадея с точки зрения теории электромагнетизма и атомной структуры вещества был сделан Х.Беккерель, 1897 г.
Теория Беккереля была основана на концепции недавно открытого электрона, но не включала идею квантованных состояний энергии, введенную Планком в 1900 году, или концепцию световых квантов, разработанную Эйнштейном в 1905 году.
Частица с массой m и зарядом q прикреплена к концу пружины с жесткостью пружины k, жестко прикрепленной к оси x. Направления распространения света и поля B параллельны оси x; поле E перпендикулярно оси x и вращается в плоскости yz.
Вот формула для постоянной Верде, полученная Х. Беккерелем:
где λ = 2πc / ω — длина волны света в вакууме, m — масса, q — заряд
Хотя теория Беккереля не использует квантовые принципы, она предоставляет простую концептуальную основу для предварительного понимания эффекта Фарадея и дает количественные прогнозы для постоянной Верде, которая очень близка к измеренным значениям.
Постоянная Верде для большинства материалов чрезвычайно мала и зависит от длины волны.Эффект наиболее сильно проявляется у веществ, содержащих парамагнитные ионы, таких как тербий.
Наивысшие константы Верде действительно обнаруживаются в плотных кремневых стеклах, легированных тербием, а еще лучше — в кристаллах тербий-галлиевого граната (TGG). Несмотря на свою дороговизну, этот материал имеет значительные преимущества перед стеклами и другими субстратами, в частности, отличную прозрачность, высокое оптическое качество и очень высокую устойчивость к лазерным повреждениям.
Хотя эффект Фарадея сам по себе не является хроматическим (зависит от длины волны), сама по себе постоянная Верде в значительной степени зависит от длины волны.Сообщается, что на 632,8 нм постоянная верде для TGG составляет -134 радТ -1 м -1 , тогда как на 1064 нм она упала до -40 радТ -1 м -1 . Такое поведение означает, что устройства, изготовленные с определенной степенью вращения на одной длине волны, будут производить гораздо меньшее вращение на более длинных волнах.
Применение эффекта Фарадея
Чаще всего вращатель Фарадея используется в сочетании с входным и выходным поляризаторами для образования изолятора.
Затем устанавливается угол поворота 45 °. Ключевым свойством ротатора Фарадея, которое отличает его от, скажем, кварцевой вращающейся пластины, является то, что эффект является однонаправленным.
Устройство, которое производит вращение оси поляризации оптического луча на 45 ° по часовой стрелке, когда луч распространяется в одном направлении, не будет обращать этот эффект для луча, проходящего обратно в противоположном направлении, будет производить дополнительное вращение на 45 ° для обратный луч. Тогда он будет под углом 90 ° к оси входной поляризации.
Это показано на иллюстрации ниже:
В показанной форме изолятора отклоненные лучи не используются, а просто отбрасываются (в большинстве случаев нет необходимости использовать поляризатор с боковой выходной поверхностью, достаточно рассеяния отклоненного луча).
Это может быть, например, подходящим, когда требуется только подавление отраженного назад излучения. Однако можно использовать эти лучи для создания оптического циркулятора, добавив несколько дополнительных компонентов.
Чаще всего изоляторы Фарадея используются для предотвращения повреждения лазерных генераторов сильными обратными отражениями от последующей оптики и особенно от некоторых типов усилителей, где может иметь место значительно усиленное обратное отражение.
Они также полезны для предотвращения нежелательной обратной связи, снижающей стабильность одночастотных источников с суженной линией из-за вытягивания мод.
Вращателитакже используются, например, в кольцевых лазерных системах для введения механизма потерь (в сочетании с некоторым другим селективным элементом внутрирезонаторной поляризации), который больше для одного направления распространения, чем для другого.Это обеспечивает однонаправленный ответ. Обычно от таких устройств не требуется работать при таких высоких углах поворота, как 45 ° в изоляторах, поэтому их можно сделать намного меньше.
AC Эффект Фарадея — LabWiki
Вращение Фарадея (FR) — классический эксперимент, объединяющий элементы оптики, электромагнетизма и квантовой механики. Традиционно это делается с полями постоянного тока. Мы собираемся познакомить участников с версией, в которой используются поля AC. FR относится к вращению вектора поляризации света, когда он проходит через среду в присутствии магнитного поля.Более подробное описание процесса должно включать описание того, как присутствие поля вызывает двойное лучепреломление в среде, тем самым вводя два немного разных показателя преломления для двух круговых поляризаций, комбинация которых представляет собой падающий линейно поляризованный свет. Как только это двулучепреломление вводится, круговые поляризации перемещаются с разными скоростями, и их последующая рекомбинация за пределами образца, по-видимому, приводит к вращающемуся линейно поляризованному свету.Угол поворота зависит от напряженности поля и длины пройденного пути. Специфическая для материала константа пропорциональности называется постоянной Верде материала.
Рисунок: Схема аппарата вращения Фарадея
FR представляет фундаментальный и технологический интерес. Вариант этого эффекта с участием ферромагнитных материалов используется в оптических изоляторах, которые являются неотъемлемой частью любой фотонной схемы. FR обычно используется для исследования структур энергетических уровней и зеемановского расщепления в различных материалах.Еще одно необычное применение этой идеи — посмотреть на FR радиоволн из разных частей Вселенной для оценки галактических и межгалактических магнитных полей. В последнее время много исследований было сосредоточено на FR радиосигналов из ионосферы (FR из-за свободных зарядов).
Участники узнают об основах обнаружения на основе захвата и его роли в минимизации шума. Они узнают о деталях резонансного контура, который используется для генерации магнитных полей.Наконец, участники узнают о том, как FR используется с различными типами материалов, чтобы узнать о различных типах информации, которая варьируется от свойств материала до кинематики реакции.
Эксперимент будет разделен на две части. Первая часть будет посвящена теории, лежащей в основе конструкции и сборки установки FR, а также интеграции обнаружения блокировки и роли, которую играют поля переменного тока в облегчении такой схемы обнаружения. Вторая часть эксперимента будет состоять из измерений FR на стандартных образцах, таких как стекло и вода (диа- и парамагнитные).В зависимости от прогресса, достигнутого участниками, им могут быть предложены различные варианты схемы измерения, такие как определение характеристик образцов, которые создают мультигармонический отклик, и то, как можно интерпретировать эти высшие гармоники сигнала с точки зрения магнитного поведения образцов (суперпарамагнитные характеристики). образцы).
Ожидается, что участники будут иметь при себе свои компьютеры и иметь некоторый практический опыт анализа данных. Они будут проинструктированы о надлежащих мерах предосторожности, необходимых в среде с высоким напряжением.
Наконец, хотя в эксперименте используется множество предметов, которые обычно встречаются в физических лабораториях (лазеры, детекторы, генераторы функций), два элемента, которые жизненно важны для эксперимента, — это синхронный усилитель и аудиоусилитель. Многие отремонтированные усилители с синхронизацией можно приобрести у поставщиков, но даже новый может стоить всего 1250 долларов. Подходящие усилители звука можно приобрести за 150–200 долларов.
Гигантский пик обратного эффекта Фарадея в запрещенной зоне магнитофотонного микрорезонатора
Для проведения экспериментов использовался MPMC с магнитной пленкой висмут-железо-гранат, зажатой между двумя немагнитными диэлектрическими брэгговскими зеркалами (рис.1а). Пленки железного граната, легированные висмутом, обеспечивают большой эффект Фарадея и имеют относительно низкое оптическое поглощение в длинноволновом видимом спектральном диапазоне 32,33 . Легирование позволяет добиться в MPMC высокой магнитооптической добротности. Магнитная пленка имеет внеплоскостную анизотропию и состоит из вспомогательного слоя (M1) и основного слоя (M2). Слой M1 необходим для нанесения высококачественного слоя M2 с большой концентрацией Bi. При падении света 43 ° мода резонатора возбуждается в центре фотонной запрещенной зоны на λ 0 = 642 нм (рис.2а). Это сопровождается 5-кратным усилением эффекта Фарадея по сравнению с одиночной магнитной пленкой. Оптически возбужденная спиновая динамика в MPMC исследовалась экспериментальной методикой накачки-зондирования. Циркулярно поляризованный импульс накачки длительностью 150 фс использовался для возбуждения прецессии намагниченности из-за IFE: эффективное магнитное поле H IFE появляется в образце во время распространения импульса.
Рис. 1Трехмерный обратный эффект Фарадея в магнитофотонном микрополости.( a ) Схема эксперимента. Образец представляет собой магнитофотонную микрополость, образованную магнитной пленкой (коричневая), зажатую между двумя немагнитными брэгговскими зеркалами, образованными несколькими парами диэлектрических слоев N1 и N2 (серые). Накачка с круговой поляризацией возбуждает магнитную пленку, а линейно поляризованный зонд используется для наблюдения динамики намагниченности с некоторой временной задержкой. ( b ) СЭМ-изображение поперечного сечения образца MPMC. ( a , c ) Расчетные распределения оптически создаваемого эффективного магнитного поля внутри магнитного слоя MPMC ( a ) и внутри одиночной магнитной пленки ( c ) показаны на лицевой стороне образцов. зеленым цветом, демонстрирующим 3D и 2D локализацию IFE, соответственно.
Рисунок 2Динамика намагничивания, возбуждаемого лазерным импульсом в MPMC. ( a ) Спектры оптического пропускания (черная кривая) и вращения Фарадея (синяя кривая) для MPMC и одиночной магнитной пленки, аналогичной пленке с микрополостью (пунктирная синяя кривая), полностью намагниченных вне плоскости. ( b ) Разрешенное во времени изменение фарадеевского вращения, указывающее на прецессию намагниченности на разных длинах волн возбуждения вокруг резонанса полости внутри фотонной запрещенной зоны.Все кривые имеют смещения для ясности изображения. Плотность энергии насоса составляет 0,66 мДж / см 2 . ( c ) Усредненная по толщине магнитной пленки нормальная составляющая магнитного поля IFE в зависимости от длины волны накачки: найденная из экспериментальных данных, 〈 H IFE 〉 exp (черные сферы ) и рассчитано по распределению электромагнитного поля 〈 H IFE 〉 calc (сплошная синяя кривая).( d ) Зависимость оптического пропускания луча накачки от длины волны накачки. Угол падения света 43 °. ( e ) Разрешенное во времени изменение фарадеевского вращения, указывающее на прецессию намагниченности, возбуждаемую пучком накачки на λ = 640 нм (около резонанса MPMC) для различных значений плотности энергии от 0,40 до 0,80 мДж / см 2 . Все кривые имеют смещения для ясности изображения. Внешнее магнитное поле 890 Э.
Наблюдаемые колебания угла Фарадея зондирующего луча Ψ можно описать гармонической функцией с убывающей амплитудой \ ({\ Psi} (t) = {{\ Psi}} _ {m} \ exp (\, — t / \ tau) \ sin \, \ omega t \), где Ψ м — начальная амплитуда Ψ , τ — время затухания прецессия, ω — частота прецессии (рис.2б). Амплитуда наблюдаемых колебаний сильно зависит от длины волны накачки, изменяемой вблизи резонанса полости. Полная ширина на полувысоте (FWHM) Ψ м ( λ ) резонанса Δ λ = 12 нм, что равно FWHM передачи пик.
Следует отметить, что время затухания также чувствительно к длине волны накачки: наибольшее затухание возникает на резонансной длине волны.Чтобы прояснить этот момент, мы изменили флюенс луча накачки, настроенный на резонанс MPMC (рис. 2д). Видно, что время затухания увеличивается с увеличением флюенса. Следовательно, более высокая амплитуда оптического поля внутри магнитной пленки с ионами Gd приводит к более длительной прецессии намагниченности. Это позволяет предположить, что наблюдаемое увеличение времени затухания при приближении к длине волны микрорезонанса может быть связано с концентрацией оптической мощности в магнитном слое.{-1/2} {H} _ {IFE} {\ rm {\ Delta}} t, $$
(1)
, где γ — гиромагнитное отношение, \ ({H} _ {a} = 4 \ pi M-2 {K} _ {U} / M \), M — намагниченность насыщения и K U — константа одноосной анизотропии 34 (дополнительный материал). Следовательно, H IFE можно найти, измерив амплитуду прецессии.
В магнитной пленке внутри MPMC распределение оптического поля по толщине пленки неравномерно, что вызывает некоторое распределение H IFE ( z ).В соответствии с формулой. (1) \ ({\ theta} _ {m} (z) \ sim {H} _ {IFE} (z) \). Со временем распределение θ ( z ) становится более плавным, поскольку спины в соседних областях пленки взаимодействуют посредством диполь-дипольного и обменного взаимодействий.
Зависящая от глубины прецессия намагничивания θ ( z ) обнаруживается зондирующим импульсом. Поскольку зондирующий импульс также распространяется через MPMC, распределение его электрического поля, E pr ( z ), в магнитной пленке также неоднородно.Следовательно, наблюдаемый сигнал учитывает относительное распределение θ m ( z ) и E pr ( z ). Однако, чтобы оценить внеплоскостную составляющую магнитного поля IFE, 〈 H IFE 〉 exp , из эксперимента можно предположить, что зондирующий луч измеряет усредненные по углу прецессии толщины пленки 〈 θ 〉 и \ ({\ Psi} _ {m} = {\ Psi} _ {s} \, \ cos \, \ beta \ langle {\ theta} _ {m} \ rangle \), где Ψ s — фарадеевское вращение магнитонасыщенной пленки вне плоскости, а β — угол преломления падающего света внутри магнитной пленки.Здесь cos β учитывает, что угол Фарадея пропорционален проекции намагниченности на световой волновой вектор.
Расчеты подтверждают, что это предположение приводит к довольно небольшой неточности, но позволяет заметно упростить формулы. Следовательно, среднее значение магнитного поля IFE, 〈 H IFE 〉 exp , может быть найдено из экспериментальных данных как:
$$ {\ langle {H} _ {IFE} \ rangle} _ {exp} = \ frac {\ sqrt {1+ {H} _ {a} / H}} {\ gamma \, \ cos \, \ beta {\ rm {\ Delta}} t} (\ frac {{{\ Psi}} _ {m}} {{{\ Psi}} _ {s}}) \ cdot $$
(2)
Величина IFE сильно зависит от длины волны накачки (черные сферы на рис. {\ ast}]), $$
(3)
, где ε 0 и μ 0 — диэлектрическая проницаемость и магнитная проницаемость свободного пространства, соответственно, а g — средняя инерция.Для расчета распределения E ( z ) мы использовали метод матрицы переноса 35 (дополнительный материал). При λ = 642 нм уравнение. (3) дает H IFE (z) с максимальным значением ( H IFE ) calc = 1825 Oe и средним значением 〈 H IFE 〉 calc = 850 Э (рис. 3а, черная кривая). Последнее хорошо согласуется с 〈 H IFE 〉 exp , полученным из экспериментальных данных с помощью уравнения.(2). Расчеты для других длин волн накачки вокруг резонанса полости также соответствуют экспериментальным результатам с хорошей точностью (сплошная синяя кривая на рис. 2c). Это подтверждает применимость уравнений (1–3) в нашем случае.
Рис. 3Расчетное распределение эффективного магнитного поля IFE в экспериментально изученном MPMC ( a , b ) и в MPMC с трехкратной толщиной слоев ( c ). ( a ) Магнитное поле IFE в магнитной пленке экспериментально изученного MPMC при резонансе полости (черная кривая) и в той же одиночной магнитной пленке на подложке (синяя кривая) при λ = 642 нм.( b ) Магнитное поле IFE в магнитной пленке экспериментально изученного MPMC при λ = 642 нм (черная кривая), 800 нм (синяя кривая) и 808 нм (красная кривая). В ( a ) и ( b ) показаны два магнитных слоя: основной (M1, 0 < z <210 нм) и вспомогательный (M2, 210 < z <282 нм). ( c ) Коэффициент усиления магнитного поля IFE, K , в MPMC с основным резонансом на λ = 1841 нм по сравнению с одиночной магнитной пленкой в 1-м порядке ( λ = 1841 нм , синяя кривая) и 2-го порядка ( λ = 647 нм, черная кривая) объемных резонансов. {2} \ frac {2 \ pi \ sqrt {\ varepsilon}} {{\ lambda} _ {0}} z \), где ε — магнитное диэлектрическая проницаемость слоя (черная кривая на рис.3а). Значение H IFEm примерно в 5 раз превышает поле IFE в той же одиночной магнитной пленке на подложке, H IFE 0 (синяя кривая на рис. 3a). Распределение H IFE 0 ( z ) близко к равномерному. Разрывы H IFE ( z ) обусловлены разными значениями вращения двух подслоев, составляющих магнитную пленку.
Поле H IFE ( z ) имеет три максимума внутри магнитной пленки при z = ζ i . Два из них находятся на интерфейсах с зеркалами Брэгга: ζ i = 0 с FWHM \ (\ frac {{\ lambda} _ {0}} {8 \ sqrt {{\ varepsilon} _ { 1}}} = 33 \, {\ rm {nm}} \) и ζ 3 = 282 нм с FWHM равным \ (\ frac {{\ lambda} _ {0}} {8 \ sqrt {{ \ varepsilon} _ {2}}} = 37 \, {\ rm {nm}} \).Промежуточный максимум равен \ ({\ zeta} _ {2} = \ frac {{\ lambda} _ {0}} {2 \ sqrt {{\ varepsilon} _ {1}}} = 130 \, {\ rm {nm}} \) и имеет FWHM \ (\ frac {{\ lambda} _ {0}} {4 \ sqrt {{\ varepsilon} _ {1}}} = 65 \, {\ rm {nm}} \). Следовательно, лазерные импульсы возбуждают спиновую динамику в магнитной пленке локально по глубине. Более того, фокусировка импульсов также добавляет латеральной локальности. В результате в MPMC мы имеем дело с трехмерной локализацией IFE в цилиндрических областях, которые имеют диаметр 9 мкм и высоту всего несколько десятков нанометров.
Кроме того, положение областей локализации IFE внутри магнитной пленки настраивается путем изменения длины волны накачки или угла падения. В частности, IFE-области сдвигаются примерно на 60 нм в глубину, если длина волны накачки изменяется с λ = 642 нм на λ = 808 нм, что соответствует краю фотонной запрещенной зоны (рис. 3б). ). Следовательно, спины в слоях пленки, которые не возбуждаются напрямую при λ = 642 нм, становятся доступными при λ = 808 нм, и наоборот. {\ ast}]) \), описывающий IFE (см.(3)).
Если параметры MPMC выбраны таким образом, чтобы получить моды резонатора нескольких порядков в диапазоне длин волн прозрачности магнитной пленки, то можно кардинально изменить области локализации ИФЭ, переключая накачку между резонансами резонатора (рис. 3в). . Разница в коэффициенте усиления \ (K = \ frac {{H} _ {IFEm}} {{H} _ {IFE0}} \) на λ = 647 нм и λ = 1841 нм связана с большим более высокое поглощение железо-гранатов в видимом диапазоне.Максимальная длина локализации составляет \ (\ frac {{\ lambda} _ {0}} {8 \ sqrt {{\ rm {\ varepsilon}}}}} \) и, следовательно, становится меньше для резонансов более высокого порядка. Однако дальнейшее его уменьшение ограничивается поглощением на коротких волнах. Для железо-гранатов приемлемый диапазон поглощения начинается с λ> 600 нм, что подразумевает лучшую локализацию 35 нм.
Изменение длины волны зонда также дало бы дополнительное преимущество, поскольку оно изменяет распределение зондирующего электромагнитного поля и, следовательно, обеспечивает чувствительность к динамике намагничивания в различных частях внутри магнитной пленки.
Резонансное усиление и локализация IFE в небольших областях внутри магнитной пленки на длине волны моды резонатора указывает на то, что оптическое ограничение имеет решающее значение для этих явлений. Это также можно рассматривать с точки зрения увеличения состояний оптической плотности в резонаторе по отношению к свободному пространству в соответствии с эффектом Перселла.
Оптическое ограничение характеризуется добротностью Q , определяемой отношением длины волны резонанса полости λ 0 к полной ширине резонанса на полувысоте Δ λ : \ ( Q = {\ lambda} _ {0} / {\ rm {\ Delta}} \ lambda \).Для определенных материалов MPMC Q определяется количеством слоев в зеркалах Брэгга.
Для экспериментально исследованного MPMC поглощение магнитной пленки делает немонотонную зависимость коэффициента усиления K ( Q ) (рис. 4). По уровню поглощения экспериментально исследованных магнитных слоев оптимальный Q соответствует трем парам слоев TiO 2 / SiO 2 в брэгговских зеркалах MPMC.Следовательно, исследуемый образец MPMC близок к оптимальному. Однако на резонансной длине волны λ 0 = 1400 нм поглощение магнитной пленки более чем в 550 раз меньше, что приводит к линейной зависимости K ( Q ) для 6 пар слоев TiO 2 / SiO 2 ( Q = 470) и обещает максимальную величину K = 110 (рис. 4, черная кривая).
Рисунок 4Коэффициент усиления обратного эффекта Фарадея в зависимости от добротности магнитофотонных микрополостей.Рассмотрены два случая различных оптических потерь в слоях железо-гранат: при λ 0 = 642 нм (красная кривая) и при λ 0 = 1400 нм (черная кривая). Цифры возле кружков указывают количество пар диэлектрических слоев N 1 N 2 в брэгговских зеркалах MPMC.
Эффект Фарадея | Физика: проблемы и решения
В физике эффект Фарадея или вращение Фарадея представляет собой магнитооптическое явление или взаимодействие между светом и магнитным полем в диэлектрическом материале.Вращение плоскости поляризации пропорционально напряженности составляющей магнитного поля в направлении луча света.
Эффект Фарадея, открытый Майклом Фарадеем в 1845 году, был первым экспериментальным доказательством взаимосвязи света и электромагнетизма. Теоретическая основа этой связи, которая теперь называется электромагнитным излучением, была развита Джеймсом Клерком Максвеллом в 1860-х и 1870-х годах. Этот эффект возникает в большинстве оптически прозрачных диэлектрических материалов (включая жидкости), когда они подвергаются воздействию сильных магнитных полей.
Эффект Фарадея является результатом ферромагнитного резонанса, когда диэлектрическая проницаемость материала представлена тензором. Этот резонанс заставляет волны разлагаться на два луча с круговой поляризацией, которые распространяются с разными скоростями, свойство, известное как круговое двулучепреломление. Можно считать, что лучи повторно объединяются при выходе из среды, однако из-за разницы в скорости распространения они делают это с чистым сдвигом фазы, что приводит к повороту угла линейной поляризации.
Есть несколько применений вращения Фарадея в измерительных приборах. Например, эффект Фарадея использовался для измерения оптической силы вращения, для амплитудной модуляции света и для дистанционного зондирования магнитных полей. Эффект Фарадея используется в спинтронике для изучения поляризации электронных спинов в полупроводниках.
Соотношение между углом поворота поляризации и магнитным полем в диамагнитном материале:
где
- β — угол поворота (в радианах)
- B — плотность магнитного потока в направлении распространения (в теслах)
- d — длина пути (в метрах) где свет и магнитное поле взаимодействуют друг с другом.
- — постоянная Верде для материала.Эта эмпирическая константа пропорциональности (в радианах на тесла на метр) зависит от длины волны и температуры и сведена в таблицу для различных материалов.
Положительная постоянная Верде соответствует L-вращению (против часовой стрелки), когда направление распространения параллельно магнитному полю, и R-вращению (по часовой стрелке), когда направление распространения антипараллельно. Таким образом, если луч света проходит через материал и отражается обратно через него, вращение удваивается.
Некоторые материалы, такие как тербий-галлиевый гранат (TGG), имеют чрезвычайно высокие константы Верде (≈ -40 рад T -1 м -1 ). Поместив стержень из этого материала в сильное магнитное поле, можно получить углы фарадеевского вращения более 0,78 рад (45 °). Это позволяет создавать вращатели Фарадея, которые являются основным компонентом изоляторов Фарадея, устройств, которые пропускают свет только в одном направлении.
Подобные изоляторы конструируются для микроволновых систем с использованием ферритовых стержней в волноводе с окружающим магнитным полем.
Фарадеевское вращение в межзвездной среде []
Эффект Фарадея накладывается на свет в процессе его распространения от источника до Земли через межзвездную среду. Здесь эффект вызван свободными электронами и может быть охарактеризован как разница в показателе преломления, наблюдаемая двумя модами распространения с круговой поляризацией. Следовательно, в отличие от эффекта Фарадея в твердых телах или жидкостях, межзвездное вращение Фарадея имеет очень простую зависимость от длины волны света (λ), а именно:
где общая сила эффекта характеризуется RM, мерой вращения.Это, в свою очередь, зависит от B и плотности электронов n e , которые могут изменяться по пути распространения, чтобы дать (в единицах cgs):
где
- e — заряд электрона;
- м — масса электрона;
- c — скорость света в вакууме.
(В единицах СИ, где — диэлектрическая проницаемость вакуума; где в теслах (Т) и в м (электронах на кубический метр) выражается в радианах на квадратный метр (рад / м²).)
Вращение Фарадея — важный инструмент в астрономии для измерения магнитных полей, которые можно оценить по показателям вращения, зная плотность электронов [1] . В случае радиопульсаров дисперсия, вызванная этими электронами, приводит к временной задержке между импульсами, полученными на разных длинах волн, которую можно измерить с помощью плотности электронного столба или меры дисперсии. Таким образом, измерение как меры дисперсии, так и меры вращения дает средневзвешенное значение магнитного поля вдоль луча зрения.Та же самая информация может быть получена от объектов, отличных от пульсаров, если мера дисперсии может быть оценена на основе разумных предположений о длине пути распространения и типичных концентрациях электронов.
Радиоволны, проходящие через ионосферу Земли, также подвержены фарадеевскому вращению; как видно из приведенного выше уравнения, эффект пропорционален квадрату длины волны. На частоте 435 МГц (УВЧ) следует ожидать порядка 1,5 полных оборотов волнового фронта при его прохождении через ионосферу, тогда как на частоте 1.2 ГГц менее четверти одного оборота.
См. Также []
- Магнитооптический эффект Керра
- Электрооптический эффект Керра
- Вращатель Фарадея
- Научные явления названы в честь людей
- Обратный эффект Фарадея
- Оптическое вращение
- Эффект QMR
- Эффект Фойгта
- Поляризационная спектроскопия
- Магнитный круговой дихроизм
Внешние ссылки []
Список литературы []
Эффект Фарадея — поле, магнит, ток и магнит
Эффект Фарадея проявляется, когда изменяющееся магнитное поле индуцирует электрическое поле.Следовательно, эффект также известен как «индукция». Проще всего это проиллюстрировать петлей из проволоки и стержневым магнитом. Если перемещать магнит через проволочную петлю, изменяющееся магнитное поле внутри петли вызывает электрический ток в проволоке. Ток больше для более сильных магнитов, и его также можно увеличить, перемещая магнит быстрее. Другими словами, величина создаваемого электрического поля напрямую зависит от скорости , с которой изменяется магнитное поле. В принципе, при достаточно быстром перемещении очень сильного магнита индуцированный ток может зажечь обычную лампочку или .Чтобы по-настоящему понять эффект, обратите внимание, что лампочка будет гореть только до тех пор, пока движется магнит. Как только магнитное поле перестает изменяться, эффект Фарадея исчезает.
Многие полезные устройства используют эффект Фарадея. В частности, электрический генератор полагается на него для получения электричества из механического движения . Генератор использует энергию сжигания ископаемого топлива , например (или падающую воду в случае гидроэлектростанции), чтобы вращать проволочную петлю между двумя магнитами.Поскольку петля вращается, она воспринимает изменение магнитного поля и, благодаря эффекту Фарадея, вырабатывает электричество, которое затем может быть отправлено на светофор, радио , будильники, фены и т. Д.
Майкл Фарадей обнаружил эффект в 1831 году в лабораториях Королевского института в Лондоне. Когда он включил электромагнит, ближайшая катушка провода (никак не связанная физически с магнитом) регистрировала значительный, но кратковременный ток. Пока электромагнит оставался включенным, в ближайшей катушке больше не было тока.Однако, когда он выключил свой магнит, он снова заметил кратковременный всплеск электрической активности в бездействующей катушке. Он рассудил, что, включая и выключая электромагнит, он создавал резкие изменения магнитного поля внутри катушки, и что эти изменения, в свою очередь, создавали мимолетный электрический ток .