Определение знака экваториальных эффектов

 

Приведенные выше (1.38) формулы экваториальных эффектов изменения интенсивности прошедшего и отраженного света при - и - поляризации падающей волны имеют вид

,

(3.9)

,

 

где J и J₀ - интенсивности света соответственно для намагниченного и размагниченного состояния образца, А и В - функции оптических постоянных и угла падения света, - недиагональные компоненты тензоров диэлектрической и магнитной проницаемости ферромагнетика в системе координат, в которой ось z направлена по вектору намагниченности. Угол в (3.9) - это угол между вектором (0,0,1) (рис. 2) и вектором намагниченности, при экваториальной намагниченности . Таким образом, на данной длине волны и при данном угле падения света знак наблюдаемых эффектов (3.9) зависит от направления намагниченности, т.е. определен с точностью до знака .

Установление фактического знака нечетного МО эффекта становится необходимым, когда с его помощью находятся магнитооптические характеристики ферромагнетика, т.е. величины . В связи с этим и для определенности, условимся в настоящей работе называть знаком экваториальных эффектов (3.9) тот их знак, который они принимают при , т.е. в геометрии опыта, когда вектор намагниченности образца сонаправлен с вектором . Именно величины аффектов (3.9) и их знак при будут в дальнейшем использоваться при обсуждении.

В экспериментальном отношении вопрос определения знака эффекта сводится к задаче однозначного нахождения знака приращения интенсивности света ΔJ = J – J₀ за счет МО эффект при положительном направлении намагниченности образна. Причем, положительное направление намагниченности создается заданием внешнего магнитного поля но направлению . В свою очередь, направление магнитного поля определяется по правилу нахождения магнитного момента контура с током, т.е. по правилу правоходового винта.

Как правило, все методики для измерения нечетных по намагниченности МО эффектов являются знакочувствительными, т.е. способны различать эффекты разного знака, поэтому истинный знак измеряемого эффекта проще всего определять при сравнении его с некоторым имитационным эффектом изменения интенсивности света (не обязательно МО природы) с заранее известным знаком.

Так, например, для двухлучевых методик (как, например, в 2.2), где образец находится в одном из оптических каналов, достаточно сравнить МО сигнал при заданном направлении магнитного поля с сигналом, который возникает при уменьшении интенсивности света в рабочем канале с помощью какого-нибудь ослабителя. Тогда фаза МО сигнала положительного эффекта при направлении магнитного поля против направления будет совпадать с фазой искусственно созданного таким способом переменного оптического сигнала.

В установках с модуляцией магнитного поля (к примеру 2.3) процедура определения знака эффекта несколько сложнее. Для этого необходимо создать световой поток, пульсирующий на частоте переменного магнитного поля с однозначно заданной фазой изменения интенсивности света относительно выбранной фазы поля. Один из возможных вариантов устройств для этих целей схематически представлен на рис. 14. Последовательно с обмоткой электромагнита подключается светодиод, зашунтированный резистором. Полярность включения светодиода такова, что он излучает только в «положительные» полупериоды тока электромагнита (когда магнитное поле направлено по ). В этом случае пульсирующее излучение светодиода имитирует положительный эффект приращения интенсивности, при сравнении с которым можно ответить на вопрос о знаке МО эффекта.

Обычно, в экспериментальной практике, процедура прямого определения истинного знака МО эффекта проводится один раз для какого-либо образца (например, определяется знак - эффекта для зеркальной поверхности массивного железа при данных и ). В дальнейшем этот образец служит эталоном при настройке установки для определения знака измеряемого МО эффекта.

 

 

Рис. 14. Схема устройства для определения знака эффектов

 

3.4. Результаты измерений - эффекта. Угловая зависимость, изменение знака эффекта при обращении хода луча

 

Опыты по обнаружению экваториального – эффекта и изучению его свойств были выполнены на пленках ферромагнитных металлов (Fe, Co и Ni), напыленных на стеклянные подложки. Оптическая схема опыта представлена на рис. 15. Измерения проводились на двухлучевой установке (параграф 2.2) и на установке с модуляцией магнитного поля (параграф 2.3). Целью измерений являлось установление зависимости величины эффекта от угла падения света, а также других его характерных особенностей, предсказываемых теорией. Ввиду того, что исследуемые пленки ферромагнитных металлов обладает малой величиной пропускания в оптической области, при сравнении результатов эксперимента с теорией использовалась формула (3.5).

На рис. 16 представлены результаты измерений угловой зависимости - эффекта на пленке Fe с толщиной 25 нм на длине световой волны 600 нм. Пропускание пленки на данной длине волны 20%. При нормальном падении - эффект (как и все экваториальные эффекты) равен нулю. С увеличением угла падения эффект возрастает и достигает максимума при угле ~ 35⁰. В дальнейшем эффект убывает и обращается в ноль при угле падения света ~ 56⁰. Этот угол является углом Брюстера для стекла с показателем преломления n₃ = 1.48. Таким образом, эффект, как и предсказывает теория (З.7), становится равным нулю при угле Брюстер для материала подложки. При переходе через угол Брюстера эффект меняет знак, и величина его монотонно убывает.

Как видно из рис. 16, наблюдаемая угловая зависимость имеет очень характерный вид и резко отличается от угловой зависимости аналогичного экваториального эффекта в отраженном свете (рис. 17). Что касается величины измеряемого эффекта то, как видно из рис. 16 и 17, она примерно в 3 раза (если сравнивать наибольшие значения) меньше чем величина - эффекта при отражении.

 

 

 

Рис. 15. Оптическая схема опыта для наблюдения и эффектов.

 

 

 

Рис. 16. Угловая зависимость – эффекта. Пленка железа. d = 25 нм, Падение света со стороны пленки железа. Сплошная линия – расчет

 

 

 

Рис. 17. Угловая зависимость – эффекта. Массивное железо.

 

Для сравнения результатов эксперимента по угловой зависимости с теорией была рассчитана величина (j) по формуле (3.5). С этой целью из измерений эффекта при двух углах падения 35⁰ и 70⁰ были определены значения и . При этом были использована оптические постоянные железа n = 2.80, К = 3.85 [46], а также показатель преломления стекла n₃ = 1.48. Рассчитанная кривая угловой зависимости эффекта представлена на рис.16 сплошной линией. Совпадение расчетной и наблюдаемой угловой зависимости указывает на то, что формула (3.5) хорошо описывает измеренный эффект.

Одной из предсказываемых теорией особенностей эффекта является смена его знака при обращении хода луча (1.48). Эта особенность состоит в том, что при неизменном направлении намагниченности в лабораторной системе отсчета и постоянном угле падения света эффект, не изменяясь по абсолютной величине, имеет противоположный знак для случаев падения света со стороны магнитной пленки или подложки. На рис. 18 приведены результаты измерений эффекта в зависимости от j для падения света () с обеих сторон двухслойной системы: пленка железа (d₂ = 110 нм) – стеклянная подложка (d₂ = 0,2 нм). Видно, что обе кривые действительно симметричны относительно оси j. Как было указано в главе 1, экваториальные эффекты в прошедшем свете, формирование которых происходит на двух границах магнитной пленки, имеют разностный характер в том смысле, что их величина пропорциональна разности коэффициентов отражения световой волны на обеих границах пленки, т.е. разности показателей преломления граничащих сред. Именно поэтому эффект должен быть симметричным по знаку при смене чередования сред по ходу светового луча. Результаты, приведенные на рис. 18, полностью подтверждают разностный характер - эффекта.

 

 

Рис. 18. Угловые зависимости - эффекта.

▲ - падение света со стороны пленки железа,

● - падение света со стороны подложки.

d₂ = 110 нм, λ = 633 нм

 

 

 

Рис. 19. Угловые зависимости – эффекта.

● – Co (16 нм), ▲ – Ni (60 нм). λ = 633 нм.

● – падение света со стороны подложки,

▲ – со стороны магнитной пленки

 

Измерения угловой зависимости - эффекта были проведены также для пленок Со и Ni. На рис. 19 представлены результаты измерений для пленки Со с толщиной d₂ = 16 нм и для пленки с толщиной d₂ = 60 нм на длине волны λ = 633 нм. Наблюдаемая угловая зависимость имеет тот же характерный вид, что и для пленок железа и, в частности, эффект обращается в ноль при том же угле Брюстера для подложки. Величина эффекта, однако, имеет меньшее значение, чем для железа.

Измерения - эффекта проводились на пленках Fe, Со и Ni различной толщины, которая изменялась в пределах от 16 нм до 110 нм. При этом оказалось, что величина эффекта (при данной длине волны и одном и том же угле падения) меняется незначительно. Это подтверждает, по крайней мере для поглощающих магнитных пленок, граничное происхождение эффекта.

Таким образом, вся совокупность полученных результатов, вид угловой зависимости эффекта, обращение его в ноль, при угле Брюстера для материала подложки, изменение знака при перевороте образца, а также слабая зависимость его величины от толщины ферромагнитной пленки находится в полном соответствии с предсказаниями теории эффекта. Это позволяет утверждать, что наблюдаемый нами эффект является новым магнитооптическим эффектом в прошедшем свете при экваториальной намагниченности образца.

 

⇐ Предыдущая234567891011Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: