Гиромагнитные эффекты в оптическом диапазоне частот

 

Гиромагнитными явления (эффектами) назовем здесь те магнитооптические явления, наблюдаемые в оптическом диапазоне частот (), которые однозначно связаны с недиагональной компонентой тензора магнитной проницаемости однородно намагниченной среды. История их исследования сравнительно коротка, и количество выполненных работ невелико. Для этого имеются две причины. Первая, по-видимому, связана с некритическим пониманием известного высказывания Л. Д. Ландау и Е.М. Лифшица относительно того, что магнитная проницаемость на оптических частотах теряет физический смысл [49]. Другая, быть может, более существенная причина, кроется в тех экспериментальных трудностях, с которыми связано обнаружение этих эффектов. В частности, почти все известные магнитооптические эффекты (например, полярные и меридиональные эффекты Керра и Фарадея) аддитивны по , и гиромагнитные эффекты маскируются (за исключением особых случаев, когда на данной частоте [24]) превосходящим на два порядка вкладом гироэлектрического происхождения.

История изучения гиромагнитных эффектов по существу начинается со времени опубликования работы Г. С. Кринчика и М. В. Четкина [9], в которой было предсказано существование первого чисто гиромагнитного эффекта - эффекта изменения интенсивности S - поляризованного света при его отражении от экваториально намагниченного ферромагнитного образца. Величина относительного изменения интенсивности света при отражении определяется выражением

, (4.1)

где - показатель преломления ферромагнетика, j - угол падения света. Значение этого эффекта, в первую очередь, состоит в том, что его измерение однозначно указывает на наличие () или отсутствие () у вещества на данной частоте гиромагнитных свойств. Величина - эффекта составляет ~ , и его наблюдение представляет сложную экспериментальную задачу. В настоящее время имеется всего три работы посвященных наблюдению - эффекта в отраженном свете. Это работа Кринчика и Нурмухамедова по измерению эффекта на массивном железе в интервале 0,9 - 2,4 мкм [13]; измерения Бухенау [14] на кремнистом железе при 4-х длинах волн (0,63, 0,58, 0,55, 0,44 мкм); измерения Андроновой и Куватовой на пленках железа, инвара, пермаллоя и кобальта на длине волны 3,39 мкм [50]. Несмотря на ограниченное число результатов уже сам факт открытия у вещества гиромагнитных свойств в оптическом диапазоне частот выдвинул фундаментальную для электродинамики проблему о физической природе высокочастотной магнитной проницаемости, которая, как отмечалось во введении, в настоящее время широко обсуждается.

Предсказанный в [16] эффект изменения интенсивности прошедшего света при S - поляризации подающей волны ( - эффект), изучению которого посвящена данная глава, является вторым магнитооптическим эффектом, имеющим чисто гиромагнитное происхождение. Этот эффект ранее не наблюдался.

4.2. Особенности – эффекта

 

Величина относительного изменения интенсивности S – поляризованного света, прошедшего через двухслойную систему, состоящую из экваториально намагниченной ферромагнитной пленки и прозрачной подложки, согласно (1.44) и (1.46) определяется выражением

. (4.2)

Эта формула учитывает возможность интерференционных явлений как в магнитной пленке (в случае ее прозрачности), так и в подложке. Если измерения эффекта производятся на пленках ферромагнитных металлов, коэффициент пропускания которых составляет несколько процентов, то величина (3.3), характеризующая затухание света в ферромагнитной пленке, может быть положена равной нулю. Кроме того, толщина подложки d₃ обычно намного превосходит длину световой волны (d₃ ). Это приводит к тому, что неравномерность толщины подложки оказывается сравнимой с длиной волны. Вследствие этого, фазы световых волн, прошедших разные участки поверхности образца, носят случайный характер. Поэтому в случае большой толщины подложки необходимо выполнить усреднение формулы (4.2) по толщине подложки. В результате, для случая сильнопоглощающей пленки ферромагнитного металла, нанесенной на толстую прозрачную подложку, формула - эффекта (4.2) принимает вид (внешняя среда – воздух, .

, (4.3)

где j - угол падения света, и - показатели преломления магнитной пленки и подложки, - недиагональная компонента тензора магнитной проницаемости. Использованы также величины

, (4.4)

.

Последние представляют собой коэффициенты отражения S - поляризованного света на границах воздух-подложка и магнитная среда – подложка.

Характерные особенности экваториального - эффекта, вытекающие из формул (4.2) и (4.3), состоят в следующем.

1. Эффект имеет чисто гиромагнитное происхождение: его величина пропорциональна недиагональной компоненте тензора магнитной проницаемости ферромагнитной пленки.

2. Эффект имеет разностный характер т.е. величина изменения интенсивности прошедшего света отлична от нуля лишь при условии, что различны показатели преломления сред, граничащих с магнитной пленкой ().

3. Знак эффекта меняется на противоположный при обращении хода светового луча. Это значит, что при сохранении направления намагниченности и угла падения света знак эффекта оказывается различным при падении света со стороны магнитной пленки или со стороны подложки. При этом абсолютная величина эффекта не меняется (см. формулу (1.48)). Эта особенность является легко проверяемым экспериментальным критерием правильности обнаружения эффекта.

4. Угловая зависимость экваториального - эффекта в прошедшем свете, предсказываемая формулой (4.3), существенно отличается от угловой зависимости - эффекта в отраженном свете (4.1), которая определяется законом . Вид угловой зависимости - эффекта позволяет, в отличие от случая - эффекта, независимо определять (из измерения эффекта при различных углах падения света) действительную и мнимую части недиагональной магнитной проницаемости. Это является важным преимуществом нового гиромагнитного эффекта.

5. Анализ выражения (4.3) показывает, что величина - эффекта в прошедшем свете того же порядка или несколько меньше, чем величина экваториального эффекта при отражении (4.1), т.е. составляет величину .

 

 

4.3. Измерение - эффекта. Источники погрешностей при измерении малых изменений интенсивности света и способы их устранения

 

Наблюдение эффектов относительного изменения интенсивности света, величина которых ΔJ/J , представляет собой сложную экспериментальную задачу. Сложность заключается в выделении полезного сигнала на фоне различных шумов и наводок, которые сравнимы с полезным сигналом и даже могут превосходить его по величине. Для измерения - эффектов в прошедшем и отраженном свете на пленках ферромагнитных металлов была создана магнитооптическая установка, описанная в главе 2. Ниже рассмотрены основные факторы, искажающие информацию о наблюдаемом эффекте, и применяемые в данной установке способы, позволяющие уменьшить или даже устранить их влияние. Все источники погрешностей можно разделить на две группы: погрешности, возникающие в оптическом канале и в измерительной схеме.

 

Погрешности, возникающие в оптическом канале.

1. Колебания интенсивности излучения лазера.

Скачки интенсивности излучения появляются из-за резких изменений напряжения сети. Борьба с такими шумами в электронном тракте обработки сигнала малоэффективна. Поэтому необходимо исключить или уменьшить броски напряжения питания лазера. Для этого используется общий для всей установки сетевой электронный стабилизатор напряжения, а также увеличена в десять раз емкость комбинированного выпрямителя блока питания лазера.

 

Пульсации излучения лазера на сетевой частоте ( J ) и другие нестабильности излучения такого же порядка величина ослабляются на выходе основного рабочего поляризатора (непосредственно перед образцом) на 50 дб с помощью второго оптического канала и использования электрооптической ячейки Поккельса.

 

Медленные изменения интенсивности излучения во время измерений не сказываются на величину ΔJ/J, т.к. последовательное измерение значений ΔJ₁, J₁, ΔJ₂, J₂, и т.д. производится в установке с помощью мини - ЭВМ ДЗ-28 с частотой 2 Гц, после чего в память машины заносятся их отношения ΔJ_i/J_i.

2. Излучение посторонних источников света.

Паразитное излучение может попадать на фотоприемник и приводить к ошибкам в величине измеряемых эффектов. Такие ошибки носят как случайный, так и систематический характер. Для исключения этого фактора ошибок применяется светоизоляция фотоприемника системой из двух диафрагм, относительное отверстие которой 1:20.

 

 

3. Вибрационные помехи.

Вибрация установки приводит к перемещениям светового луча лазера относительно оптических элементов, в том числе и светочувствительной площадки фотодиода, что вызывает дополнительные низкочастотные шумы в выходном сигнале фотоприемного устройства. С целью уменьшения такого шума длина оптического плеча (лазер - фотодиод) сокращена до минимально возможной величины, а сама установка смонтирована на изолированном бетонном фундаменте.

4. Запыленность воздуха и атмосферная рефракция.

Эти факторы вносят свою долю световых шумов, уровень которых зависит от пути луча в атмосфере, степени запыленности и характера конвекционных потоков. Кроме очевидных способов борьбы с этими помехами, как уже отмечалось, длина оптического пути была предельно сокращена.

5. Отклонение от геометрии опыта.

Источником систематической ошибки в определении - эффектов может являться наличие примеси P - поляризации в падающей волне и присутствие меридиональной составляющей намагниченности образца, которые приводят к появлению паразитных нечетных эффектов изменения интенсивности за счет - эффекта и меридионального эффекта. Оценка, выполненная согласно формул работы [51], для случая отраженного света приводит к следующему выражению для величины вклада этих эффектов

, (4.6)

 

где и - углы отклонения (в градусах) соответственно плоскости поляризации света и вектора намагниченности от направления, j - угол падения света. Из формулы (4.6) видно, что ошибка связана, в основном, с расстройкой поляризации. Так, например, при установке поляризации с точностью до 1° и отклонении намагниченности в 3° при j = 60^о, относительная ошибка в определении эффекта составляет ~ 30%, а при < 5 (как было в условиях опыта) и тех же значениях и ошибка не превышает 3%. В случае измерения гиромагнитного эффекта в прошедшем свете относительная ошибка за счет паразитных магнитооптических эффектов имеет тот же порядок величины, а влияние расстройки поляризации также преобладает.

6. Выполнение условия магнитного насыщения образца.

В случае измерения МОЭ в динамическом режиме перемагничивания образец, как правило, находится в состоянии магнитного насыщения не во всех фазах переменного магнитного поля. При этом не возникает особых затруднении с выделением амплитуды сигнала, соответствующего эффекту в насыщении, если величина магнитооптического (МО) сигнала в каждой фазе поля пропорциональна значению технической намагниченности образца. Если же такой пропорциональности нет (из-за больших по сравнению с искомым паразитных эффектов как в п.5 и др.), традиционная обработка такого сигнала с помощью селективного усилителя может дать ложный результат. Гарантией того, что измеряемое относительное приращение интенсивности света соответствует условиям наблюдения гиромагнитных эффектов (при точной настройке ориентации плоскости поляризации и магнитного поля), служит операция «зануления» МО сигнала в моменты времени, которые соответствует недомагниченному состоянию образца (см. рис. 11г).

7. Эффект вторичной обратной связи в оптическом канале.

При использовании в качестве источника излучения лазера возможно появление вторичной обратной связи по световому лучу в результате паразитных отражений света от элементов оптической схемы. Если прямой лазерный луч, частично отражаясь от нормально расположенной плоской грани оптического элемента, попадает в оптический резонатор излучателя, то это приводит к нарушению нормального режима работы лазера и может вызывать нестабильности его излучения. С целью исключения этого эффекта плоские грани оптических элементов, отражение от которых может приводить к указанной обратной связи, разворачиваются на небольшой угол (от до 1°) с тем, чтобы вторичные лучи не совпадали е главным, прямым лучом. Для того, чтобы вторичные лучи не могли попасть на образец и фотоприемник, в установке используется дополнительная диафрагма, помещенная между поляризационной призмой и образцом.

8. Магнитная наводка на газовый разряд лазера.

Рассеянное магнитное поле от намагничивающего устройства, воздействуя (через силу Лоренца) на газовый разряд лазера, создает модуляцию светового потока, которая, вообще говоря, имеет нечетную но направлению магнитного поля составляющую. Подавление этой модуляции продублировано использованием магнитного экрана для лазерного излучателя и применением ячейки Поккельса.

9. Колебания образца при перемагничивании.

В переменном магнитном поле на магнитный образец действуют пондepoмоторные силы, вызывающие его перемещения относительно светового луча, которые могут вызывать расстройку геометрии опыта и дополнительную модуляцию интенсивности света. Исследуемые пленки железа, обладающие малым магнитным моментом, были надежно закреплены в массивном латунном держателе, в результате чего в условиях применения сравнительно слабых магнитных полей такие колебания образцов не наблюдались.

Погрешности в измерительной схеме.

1. Сетевые наводки.

Наводки в электрической и оптической частях установки на частоте сети и всех высших её гармониках эффективно (не менее чем на 120 дб) подавляются в синхронном интеграторе, рабочая частота которого выбрана равной половине частоты сети ( = 0,5 ).

2. Синхронные наводки.

Наводки различной природы, возникающие в измерительном тракте установки, на рабочей частоте (25 Гц) называются синхронными. Наличие таких наводов необходимо тщательно контролировать, т.к. они не подавляются при фильтрации сигнала и могут давать значительные систематические ошибки.

Электромагнитные наводки от намагничивающего устройства являются именно такими наводками. Их устранение в цепях измерительного тракта производится гальванической развязкой этих слаботочных цепей от электрической цепи электромагнит и его ярма. Кроме того, фотоприемник с элементами схемы первичной аналоговой обработки сигнала помещены в толстостенный магнитный экран.

Возможные синхронные наводки от управляющих коммутационных сигналов ключей синхронного интегратора и демодулятора (в случае нарушения функционирования ключей) уничтожаются посредством фазовой модуляции переменного магнитного поля с последующим усреднением результатов измерений по противоположным фазам поля. Последние операции осуществляются программным путём с помощью мини - ЭВМ ДЗ - 28.

3. Нелинейность световой характеристики фотоприемного устройства.

Нелинейность зависимости выходного сигнала ФПУ от значения падающего потока излучения приводит к ошибке при определении отношения ΔJ/J, которая зависит от характера нелинейности и положения рабочей точки на световой передаточной характеристике ФПУ. Примененное в установке ФПУ обладающее высокой линейностью люксвольтовой характеристики, полностью исключает подобного рода ошибки, что особенно важно, т.к. при изменениях величины J/J освещенность фотоприемника в результате различных причин (из-за угловой зависимости коэффициента пропускания, при измерениях на пленках различной толщины и др.) может меняться в широких пределах.

Эффективность предпринятых мер по устранению или уменьшению влияния основных источников погрешностей была подтверждена большой серией контрольных измерений. Кроме того, для увеличения точности и надежности нахождения величины J/J в каждом цикле измерений для данной точки проводилась статистическая обработка результатов отдельных измерений.

Цикл измерении состоит из четного (2n) количества выборок величины ΔJ_i/J_i (i означает единичное измерение). Выборки подразделяются на выборки для (+) фазы переменного магнитного поля и для (-) фазы (сдвинутой относительно (+) фазы на), которые осуществляются последовательно одна за другой. В каждой выборке делается N единичных измерений. Число N варьируется в пределах 10 - в зависимости от величины измеряемого эффекта. После завершения выборки находится среднее арифметическое ( J/J)_ср и наиболее вероятное значение ( J/J)_вер для данной выборки. Кратко опишем процедуру нахождения последней величины. Прежде всего находятся значения ( J/J)_max и ( J/J)_min. Затем весь диапазон между этими значениями делится на М каналов (М < N) и все N значений выборки заносятся в соответствующие их величине каналы. На полученной таким образом гистограмме находится канал с максимальным числом попаданий, центр которого соответствует наиболее вероятному значению ( J/J)_вер. При нормальном распределении ошибок и достаточно большом N значения ( J/J)_ср и ( J/J)_вер должны быть близки (в пределах ширины канала). Если эти значения сильно различаются, это указывает на наличие больших и редких всплесков шума. В первом случае результаты выборки фиксируются и производится следующая выборка с противоположной фазой. Во втором случае результаты бракуются и производится повторная (с той же фазой) выборка. После получения всех 2n средних значений цикла их усредняют с учетом того, что знак величины J/J за счет магнитооптического эффекта для обеих фаз поля различен. Все операции статистической обработки осуществлялись мини - ЭВМ ДЗ-28, являющейся элементом установки, в процессе измерении.

⇐ Предыдущая234567891011Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: