Материалы для магнитооптических устройств

Ряд веществ, в том числе ферромагнетики, обладают магнитной оптической активностью. Наведенная магнитным полем оптическая активность проявляется и двух эффектах - Фарадея и Керра. Эффект Фарадея сводится к повороту плоскости линейной поляризации светового луча, проходящего через магнитооптическую среду. Угол поворота при направлении магнитного поля вдоль луча пропорционален напряженности магнитного поля. Нечто похожее наблюдается и при отражении линейно поляризованного луча света от поверхности ферромагнитного материала в присутствии магнитного поля. Этот эффект именуют эффектом Керра. Прошедший или отраженный свет несет, таким образом, информацию о текущем значении напряженности магнитного поля на поверхности ферромагнитного материала, зафиксированную углом поворота плоскости поляризации луча.

Модуляцию луча по поляризации следует преобразовать в модуляцию но интенсивности. Эта операция может быть выполнена чисто оптическими средствами..Для этого достаточно магнитооптический элемент поместить (по лучу) между скрещенными поляризаторами (направления пропускания линейно поляризованного света поляризаторов перпендикулярны). Систему скрещенных поляризаторов принято называть поляризационным микроскопом. Эта система, в принципе, не пропускает свет. Однако, если в такой микроскоп ввести оптически активную среду, то часть света, пропорциональная квадрату синуса угла поворота плоскости поляризации, пройдет через систему. Итак, с помощью эффекта магнитооптической активности удается промодулировать свет по интенсивности приблизительно пропорционально квадрату напряженности магнитного поля. Магнитооптические эффекты применяются при считывании информации с магнитооптических дисков.

РЗ ортоферриты и ферриты-гранаты являются одними из лучших магнитооптических (МО) материалов, что обусловлено высокой прозрачностью для видимого и ближнего ИК-диапазонов, значительной величиной эффекта Фарадея и большим значением коэффициента оптической добротности (отношение угла фарадеевского вращения к коэффициенту поглощения). Монооксид европия обладает рекордными значениями величины фарадеевского вращения (до 106 градЧ см), что делает его очень перспективным для применения в качестве магнитооптического материала.

Принцип действия магнитооптических устройств основан на использовании различных магнитооптических эффектов (Фарадея, Керра) в доменных структурах, перестраиваемых под воздействием внешних полей (тепловых, магнитных и т.д.).

Например, МО-модулятор осуществляет пространственную модуляцию световой волны при прохождении ее через перемагничиваемую доменную структуру тонкой магнитной пленки. Принцип модуляции основан на периодическом повороте плоскости поляризации света в пленке при подаче периодического управляющего сигнала в обмотку управления. Полученную фазовую модуляцию светового пучка с помощью анализатора преобразуют в амплитудную.

Из других МО-устройств можно выделить оптические ЗУ, МО-устройства сканирования света и ряд других.

Пригодность магнитных материалов для создания на их основе магнитооптических устройств зависит от совокупности магнитооп­тических свойств.

Магнитооптические свойства оценивают по магнитооптической активности в диапазоне оптических волн с учетом возможной их анизотропии.

Магнитооптическую активность характеризуют с помощью угла удельного фарадеевского вращения ­­­­­­_____________ и коэф­фициента поглощения:

    где d — толщина образца; I0, I1 — соответственно интенсивности па­дающего и прошедшего кристалл света.

Феррогранаты имеют окно прозрачности в диапазоне волн 1,15— 5 мкм. Наиболее перспективными материалами являются чистые железоиттриевые гранаты (ЖИГ) и висмутосодержащие гранаты, в которых часть иттрия заменена на висмут.

Синтезированиеэпитаксиальных пленок ферритов-гранатов, включающее подбор состава исходных пленок и подложки, выбор оптимальной обработки (отжига), обеспечивает получение материа­лов с высокими магнитооптическими свойствами, различающихся по намагниченности, коэрцитивной силе, анизотропии, подвижности доменной стенки и т. п.

Ферриты-гранаты являются основными магнитооптическими ма­териалами в инфракрасной области. Для видимого света они мало пригодны. Имеются данные об использовании высококачественных пленок ферритов-гранатов в видимом свете.

Однако при реализа­ции устройств на этих материалах надо иметь в виду следующие особенности. Технология производства ортоферптов не позволяет изготавливать очень тонкие пластины (меньше 1 мкм). Именно по этой причине ортоферриты применяют при λ>0,5 мкм, хотя имеются данные о том, что и при λ = 0,45 мкм их оптические свойства выше свойств MnBi-пленок. Оптимальная толщина пластин ортоферритов для λ=0,63 мкм со­ставляет 60—90 мкм. Вторая особенность связана с оптической ани­зотропностью ортоферритов, обусловленной низкой симметрией ромбической ячейки. Для исключения явления двулучепреломления пластины из ортоферритов вырезают нормально к оптической оси. При этом реализуется устойчивая полосовая доменная структура, а не ЦМД. Установлено, что в очень тонких пластинах при толщи­нах порядка 1 мкм двулучепреломление незначительно, и матери­ал можно в этом случае считать изотропным. Введение в ортоферрит ионов редкоземельных элементов значительно повышает изо­тропность их оптических свойств.

Феррошпинели, содержащие ионы Со²⁺ в тетраэдрических позициях используют в качестве магнитооптических материалов при λ= 5 - 12 мкм, где они обладают высокой прозрачностью и большим θ (до 10⁵ град/см). Это практически единственные материалы, пригодные для создания магнитооптических устройств в этом диапазоне волн.