Линейно поляризованного света. распространяющегося
в в-ве вдоль постоянного магн. поля, в к-ром находится в-во.
Под влиянием магн. поля
заряженные частицы в-ва приобретают вращат. движение в плоскости, перпендикулярной
направлению поля. У в-ва появляется наведенный магн. момент. Поскольку электрич.
и магн. индукции в в-ве зависят от наличия магн. момента и магн. поляризации
среды под влиянием поля, то эта зависимость проявляется в том, что у световой
монохроматич. волны, распространяющейся в направлении поля и поляризованной
по кругу, возникает сдвиг фазы, причем знак сдвига зависит от направления круговой
поляризации . В результате для любой волны, представляющей собой суперпозицию
двух компонент - волн, поляризованных по кругу в противоположных направлениях,-
меняется соотношение фаз компонент. В частности, линейно поляризованный свет,
представляющий собой линейную комбинацию с равными весами лево- и правополяризованных
по кругу волн, переходит вновь в линейно поляризованный, но с повернутой (на
угол a) относительно направления распространения волны плоскостью поляризации .
Такое изменение фаз эквивалентно различию показателей преломления в-ва (или,
что то же, скорости распространения световой волны) для лево- и правополяризованных
волн.
В области не очень сильных
магн. полей угол вращения a
плоскости поляризации определяется ф-лой:
a
= V(w,T)·l·B,
где V(w,T)
-постоянная Верде, зависящая от св-в в-ва, частоты w
монохроматич. излучения
и т-рыT; l - оптич. длина пути, напр., длина кюветы, в к-рой находится
в-во; В -магн. индукция постоянного магн. поля. Для р-ра концентрации
с величину l надо заменить на сl. Постоянная Верде V M
для моля в-ва определяет молярное вращение чистого в-ва: V M =
VM/r
(M - молярная масса, r
- плотн. в-ва) или молярное
вращение в-ва в р-ре: V M = V/c.
Знак угла вращения (X принимается
положительным для вращения плоскости поляризации по часовой стрелке, если распространение
света совпадает с направлением магн. поля и наблюдатель смотрит на источник
света. Такой выбор знаков распространен в химии ; в физике обычно принят обратный
выбор знаков. По численному значению постоянные Верде, как правило, очень малы:
сотые доли угловых минут. Для ряда парамагн. в-в они составляют десятые доли
минуты. Наиб. значения, достигающие десятков минут, постоянные Верде имеют для
ферромагн. в-в.
При частоте D-линии натрия
(w
~ 17000 см -1) для большинства в-в постоянные Верде отрицательны
и лишь нек-рые парамагн. в-ва (напр., соли железа) вращают плоскость поляризации
в положит, направлении. При обратном прохождении луча света его плоскость поляризации
вращается в противоположную сторону по отношению к этому лучу, тогда как по
отношению к направлению поля B - в том же направлении, что и при
прямом прохождении. Это позволяет использовать многократное прохождение луча
для накопления угла поворота a.
Зависимость угла поворота
a от частоты наз. дисперсией магн. оптич. вращения: a= a(w
). Дисперсия
сильно зависит от структуры энергетич. спектра молекулы , в частности от того,
как проявляется Зеемана эффект у вырожденных в отсутствие магн. поля
энергетич. уровней. Переходы
между
зеемановскими подуровнями, расщепленными в при-сут. поля, из-за Фарадея эффекта оказываются
поляризованными, что в свою очередь сказывается на форме кривых дисперсии магн.
оптич. вращения. С этими же причинами - поляризацией переходов - связан и магн.
круговой дихроизм , определяемый разностью молярных коэф. поглощения лево-и правополяризованного
по кругу света: D
e
(w
) = e
Л (w
) - e
П (w
).
В химии часто используют эмпирич. соотношения, связывающие постоянные Верде с хим. строением молекул , напр, в гомологич. рядах применяют аддитивность величин V M по структурным фрагментам
У Фарадея не было теории того явления, которое он обнаружил. В следующем, 1846 году Г. Б. Эри (1801-1892) показал, как описать это явление аналитически в рамках волновой теории света. Уравнения света содержали некоторые вторые производные перемещения по времени. Эри добавлял ad hoc другие члены, содержащие первые или третьи производные. Это стандартный ход в физике. Для того, чтобы уравнения удовлетворяли явлению, с полки берутся стандартные дополнительные члены уравнения, без определенного представления о том, почему поможет один, а не другой.
В 1856 году Кельвин предложил физическую модель: магнитное поле заставляет молекулы в куске стекла вращаться вокруг осей, параллельных линиям напряженности. Это молекулярное вращение сочетается с вибрациями, производимыми световыми волнами, и, следовательно, заставляет вращаться плоскость поляризации.
Модель Кельвина была принята Максвеллом и помогла ему сформировать электромагнитную теорию света. Однако она не очень хорошо сочеталась с подробностями эксперимента, о которых сообщает Верде. Тогда Максвелл использовал аргументы симметрии для того, чтобы определить добавочные члены в уравнениях электромагнитного поля, используемого для описания явления. Наконец, в 1892 году Х.А. Лоренц совместил уравнения Максвелла со своей теорией электрона. Основанное на этом объяснение используется и поныне. Эффект описывали физически, в стиле Кельвина, как локальное движение вокруг линий напряжения. Но это не кельвиновское мистическое вращение молекул, которое просто имеет место и все. Это движение электронов, вызываемое электромагнитным способом.
Шесть уровней "теории"
В нашем рассказе участвует по крайней мере шесть разных уровней теории. Это не просто уровни большей или меньшей общности или логической силы, скорее разные типы теоретизирования. Первая экспериментальная работа была проделана Фарадеем, а затем Верде. "Теоретические" идеи можно представить следующим образом, в порядке появления:
1. Движимый верой в единство науки, Фарадей размышляет на тему о том, что должна быть некоторая связь между электромагнетизмом и светом.
2. Возникает фарадеевская аналогия открытию Брюстера: электромагнитные явления могут влиять на поляризационные свойства.
3. Эри дает математическое описание ad hoc.
4. Кельвин создает физическую модель, используя механическую картину молекул, вращающихся в стекле.
5. Максвелл использует аргумент симметрии для того, чтобы предоставить формальный анализ в рамках новой электромагнитной теории.
6. Лоренц предоставляет физическое объяснение в рамках теории электрона.
Я не хочу сказать, что эти различные типы гипотез появляются во всяком исследовании, а также то, что они должны появляться в таком порядке. Эта история в духе Бэкона начинается с глубокой идеи и аналогии, подтверждается экспериментом, а затем развивается во все более приемлимые теоретические формулировки. Конечно, очень часто вначале возникает большая теория (6). Наш пример лишь иллюстрирует банальный, но легко забываемый факт о том, что слово "теория" покрывает множество вопросов. Словарь говорит, что этимологически слово "теория" происходит от греческого слова, обозначающего, в том числе, спекулятивное мышление. Давайте остановимся на этом.
Спекуляция
Как и Ч.У.Ф.Эверитт, я придерживаюсь не двойной, а тройной классификации родов деятельности. Я называю их спекулятивным рассуждением, вычислением и экспериментом.
Слово "спекулирование" может быть применено ко всякого рода болтовне и играм на биржах. Я буду понимать под спекуляцией интеллектуальное представление чего-либо, имеющего интерес, игру в переструктурирование идей, которая может дать нам по крайней мере качественное понимание некоторых общих свойств мира.
Являются ли спекуляции только качественными? Конечно, нет. Физика - количественная наука. И все же большинство теорий имеют свободные параметры, значения которым даются в эксперименте. Основополагающая теория более качественна. Одна старая спекуляция заключалась в том, что путь, пройденный телом, свободно падающим на землю, зависит от квадрата времени падения. Он представляется как 1/2gt2. Численное значение местного ускорения свободного падения g не входило в исходную спекуляцию. Это лишь пустое место, которое мы заполняем при помощи не-теоретического измерения. В настоящее время всякая количественная теория в конечном счете говорит: "Уравнения имеют такую-то и такую-то форму, в которой определенные константы природы должны быть получены эмпирически". Долгое время бытовала лейбницевская мечта о выведении мировых констант, но пока это лишь программа, а не результативная деятельность. Таким образом, несмотря на все свои количественные признаки, спекуляция может быть существенно качественной.
Существует по крайней мере столько же способов спекуляции, сколько и представлений. Существуют физические модели, иллюстрацией которых может быть описание эффекта Фарадея, предложенное Кельвином. Существуют математические структуры. Оба подхода привели к замечательным прозрениям. В соответствии с одним неверным стереотипом о науке второй половины девятнадцатого века немецкие физики использовали, в основном, математические подходы, тогда как британские создавали физические модели. На самом деле исследования этих двух типов взаимодействовали друг с другом, а исследователи часто открывали почти что одни и те же факты совершенно разными методами. Более того, при ближайшем рассмотрении оказывается, что большая часть физических моделей, например, Максвелла, включают абстрактные структуры. Таким образом, элементы его статистической механики были не твердыми частицами, а математическими дифференциалами без какого-либо явного физического значения. И наоборот, работа множества немецких прикладных математиков зависела от простых физических моделей. Эти стороны человеческого разума в общем не отделимы, а сочетаются и будут сочетаться и изменяться непредсказуемым способом.
Вычисление
Кун замечает, что нормальная наука - дело того, что он называет артикуляцией. Мы артикулируем теорию для того, чтобы она была лучше согласована с миром, была открытой для опытного подтверждения. Большая часть начальных спекуляций плохо согласуется с миром. Это происходит по двум причинам. Одна заключается в том, что из спекуляции вряд ли можно вывести следствия, которые даже в принципе будут проверяемы. Другая причина заключается в том, что высказывание, которое в принципе проверяемо, часто не бывает проверяемо, просто потому что никто не знает, как осуществить проверку. Требуются новые экспериментальные идеи и новые виды технологий. В примере с Гершелем и тепловым излучением потребовалась термопара и идеи Македонио Меллони, для того чтобы по-настоящему разработать исходные спекуляции Гершеля.
Таким образом, артикуляция Куна должна обозначать два типа вещей - артикуляцию теории и артикуляцию эксперимента. Более теоретическую из этих типов деятельности я условно назову "вычислением". Я имею в виду не простой счет, а математическое воплощение данной спекуляции, приводящее ее к большей согласованности с миром.
Ньютон был великий мастер спекуляций. Он был также великим вычислителем. Он изобрел дифференциальное исчисление для того, чтобы понять математическую структуру своих спекуляций о движении планет. Ньютон был также одаренным экспериментатором. Мало кто из ученых проявил себя в обоих типах деятельности. П.С. Лаплас (1749-1827) представляет пример великолепного вычислителя. Его "Небесная механика", написанная около 1800 года, была по тому времени самой тонкой разработкой ньютоновской теории движения планет. Ньютон оставил без ответа бесчисленное множество вопросов, для ответа на которые (а иногда даже и для постановки которых) потребовалась новая математика. Лаплас также известен благодаря своему выдающемуся вкладу в теорию вероятностей. В начале своей знаменитой вводной лекции о вероятности он сформулировал одну классическую версию детерминизма. Он сказал, что высший разум, обладающий знанием уравнений вселенной и множества граничных условий, в состоянии вычислить положение и скорости всех частиц в любом отдаленном будущем. Создается впечатление, что Лаплас представлял Высший Разум как несколько более совершенный вариант самого Лапласа, Великого Вычислителя. Лаплас применял ньютоновские идеи притяжения и отталкивания к большинству исследуемых вопросов, включая тепло и скорость звука. Как я уже заметил, так же как Лаплас увенчал достижения Ньютона мощными вычислениями, менее значительные экспериментаторы своими вольтовыми батареями, компасами и различными световыми фильтрами по крайней мере держали ньютоновскую программу на плаву.
В последнее время идея создания оптических компьютеров приобретает все большую популярность. Она подкрепляется, с одной стороны, неиссякающим стремлением к все большим скоростям вычислений, а с другой стороны — удивительными возможностями современных технологий. Для того чтобы обрабатывать и передавать информацию с помощью света, т. е. с помощью фотонов, надо научиться эффективно управлять ими. Хотя электрического заряда у фотонов нет, но наличие поляризации — ориентации их электромагнитного поля — дает определенную надежду на успех.
Прежде всего перенесемся в конец XIX века, в лабораторию великого английского физика Майкла Фарадея — ведь именно оттуда берет исток наша история.
«Намагнитить луч света и осветить магнитную силовую линию»
Разнообразные физические явления, связанные с магнитными и оптическими свойствами среды, в течение многих столетий изучались независимо. Свет сопровождает человечество с момента его зарождения, а магнетизм известен с древних времен. Однако только в 1845 году М. Фарадей впервые провел эксперименты, доказавшие связь между этими явлениями. Отчасти это связано с тем, что в обычных условиях магнитооптические эффекты весьма малы и для их открытия требовалась физическая интуиция гения. Удивительно, что это произошло в то время, когда не было ясного понимания ни природы магнитных свойств, ни природы оптических явлений и когда еще не были сформулированы уравнения Максвелла.
«Я уже давно придерживался мнения, что различные формы и силы материи настолько близки и родственны, что могут превращаться друг в друга. Это твердое убеждение побудило меня произвести много изысканий с целью открыть связь между светом и электричеством. Однако результаты оказались отрицательными...» — так сам Фарадей комментирует свои опыты.
«Эти безуспешные изыскания не могли поколебать моего твердого убеждения, основанного на научных соображениях. Поэтому я недавно возобновил исследование на очень тонких и строгих началах, и в конце концов мне удалось намагнитить и наэлектризовать луч света и осветить магнитную силовую линию.»
В словах «намагнитить луч света» подразумевается вызываемое магнитным полем вращение плоскости поляризации света — магнитооптический эффект Фарадея. Кроме того, обращают на себя внимание и слова «осветить магнитную силовую линию» , намекающие на возможное обратное влияние света на магнетизм. В опытах Фарадея такого явления обнаружено не было, но эти слова указывают на то, что великий физик фактически предсказал и его. Влияние света на магнитные свойства вещества было теоретически доказано гораздо позже. В 1960 году советский физик Л. П. Питаевский показал, что свет, обладающий круговой поляризацией, способен намагнитить среду, которую он освещает. Эффект получил название обратного эффекта Фарадея.
Хотя обратный эффект Фарадея тоже имеет большую практическую значимость, в этой статье речь пойдет только о прямом магнитооптическом эффекте, ведь наша цель — управлять светом, используя магнитное поле.
Спин и поляризация фотонов
Напомним, что можно говорить о естественном, т. е. неполяризованном, свете, а также можно выделить три основные состояния поляризации: плоская, круговая и эллиптическая поляризации. В общем случае поляризованный свет обладает эллиптической поляризацией, т. е. траектория проекции конца вектора напряженности электрического поля волны на плоскость, перпендикулярную направлению ее распространения, является эллипсом. Наибольший практический интерес представляют два крайних случая эллиптической поляризации: линейная поляризация, когда эллипс вырождается в отрезок, и круговая поляризация, при которой эллипс превращается в окружность.
С квантово-механической точки зрения, понятие поляризации света связано с наличием у фотона спина. Фотоны, как частицы с нулевой массой покоя, могут находиться в двух состояниях со значениями момента импульса ±ћ (ћ — постоянная Планка), направленного вдоль импульса фотона. Такие фотоны обладают круговой поляризацией: левой, когда квантовое число m = +1 , или правой, когда m = -1 . Эллиптически поляризованные фотоны находятся в состоянии, которое складывается из состояний с m = ±1; при линейной поляризации суперпозиция этих состояний такова, что средняя проекция момента на направление импульса равна нулю.
Эффект Фарадея
У свободного фотона состояния с m = +1 и m = -1 имеют одинаковые энергии (частоты). В квантовой механике такую ситуацию называют вырождением. Снять вырождение можно при помощи внешнего магнитного поля, направленного вдоль волнового вектора (предполагается, что фотон распространяется в среде с показателем преломления n ). В магнитном поле компоненты с m = ±1 будут распространяться с разными фазовыми скоростями:
Здесь c — скорость света, n — показатель преломления среды, a Q — специальный магнитооптический параметр. В немагнитных средах параметр Q пропорционален магнитному полю и в не очень больших полях (магнитная индукция не превышает 200-300 мТл) имеет типичное значение порядка 10 -6 -10 -4 . В ферромагнитных материалах этот параметр отличен от нуля даже в отсутствие поля и достигает величин 10 -3 -10 -1 . Он определяется внутренним магнитным полем, которое создается атомами и ионами кристаллической решетки магнетика.
Но с фазовой скоростью непосредственно связан показатель преломления среды:
В результате получается, что в магнитной среде волны, поляризованные по часовой стрелке и против нее, преломляются по-разному — возникает явление циркулярного двойного лучепреломления, или гиротропии среды. Явление гиротропии связано с эффектом Зеемана, т. е. с расщеплением линий поглощения света в магнитном поле. Под действием силы Лоренца резонансные частоты вращения электронов по левому и правому кругу смещаются в различные стороны относительно первоначального значения собственной частоты. Это, в свою очередь, и приводит к различию показателей преломления для волн, поляризованных по правому и по левому кругу. Экспериментально при этом наблюдается эффект Фарадея, проявляющийся в том, что плоско поляризованный свет, распространяясь вдоль направления намагниченности, испытывает поворот плоскости поляризации на некоторый угол.
Чтобы объяснить это явление, представим плоско поляризованную волну как сумму левой и правой циркулярно поляризованных волн. Если обе волны имеют одинаковые фазовые скорости, то, распространяясь вместе, они складываются и дают волну, которая плоско поляризована вдоль фиксированного направления. Но если их фазовые скорости различаются, то при распространении одна волна будет обгонять другую и плоскость поляризации суммарной волны будет постепенно поворачиваться — наблюдается эффект Фарадея (рис. 1). Угол поворота плоскости поляризации излучения на выходе из ферромагнетика пропорционален магнитооптическому параметру Q и длине пути волны в намагниченной среде.
Эффект Фарадея широко используют для наблюдения магнитной структуры в прозрачных пленках, в которых намагниченность перпендикулярна или почти перпендикулярна поверхности пленки. Этот эффект — один из наиболее действенных механизмов управления поляризацией света. Он широко применяется в лазерной технике, информатике и других областях. Можно сказать, что эффект Фарадея является основой магнитооптики — раздела оптики, в котором изучают влияние магнитного поля на оптические свойства вещества.
Наряду с эффектом Фарадея существует множество других магнитооптических явлений, среди которых стоит еще упомянуть эффект Керра. Он состоит в изменении характеристик световой волны при отражении от магнитной среды. При этом, в зависимости от геометрии падения света, будет меняться либо его поляризация, либо интенсивность, либо и то и другое вместе.
Два пути к совершенству
Магнетизм воздействует на свет, но это действие обычно весьма мало. А как же тогда магнитное поле сможет управлять светом? Ответ вроде бы очевиден: магнитооптические эффекты необходимо каким-то образом увеличить.
В 70-80-е годы прошлого века, когда экспериментальная магнитооптика переживала бурное развитие, ученые шли по пути подбора оптимального химического состава. Одним из наиболее распространенных магнитооптических материалов является ферромагнитный диэлектрик редкоземельный феррит-гранат с ионами висмута. Его химическая формула R х Вi 3-х Fе 5 O 12 . В ней R обозначает один или несколько редкоземельных ионов, а х задает относительную концентрацию редкоземельных ионов и висмута. На основании многочисленных экспериментов были выявлены составы ферритов-гранатов, обеспечивающие в видимом и ближнем инфракрасном свете большие магнитооптические эффекты и малое оптическое поглощение. К примеру, намагниченная пленка феррита-граната состава Dy 0,5 Вi 2,5 Fе 5 O 12 толщиной 10 мкм способна повернуть плоскость поляризации красного света на угол около 20°, что вполне подходит для возможных применений. Однако в поиске подходящего состава вещества в конце концов наступило насыщение, и прогресс затормозился.
К счастью, существует и другой альтернативный подход, связанный с так называемыми оптическими наноструктурированными материалами — средами, оптические свойства которых (например, показатель преломления) изменяются в пространстве на масштабе менее нескольких сотен нанометров. Ярким примером таких материалов являются фотонные кристаллы.
Фотонные кристаллы — это периодические диэлектрические или металло-диэлектрические материалы, которые воздействуют на распространяющиеся по ним световые волны таким же образом, как и периодический потенциал в кристаллах влияет на движение электронов, приводя к образованию разрешенных и запрещенных энергетических зон. Поскольку в основе идеи фотонного кристалла лежат явления дифракции и интерференции, то период структуры фотонного кристалла должен быть порядка длины волны электромагнитного излучения в веществе, т. е. около 300 нм для работы в диапазоне видимого света. Примером одномерных фотонных кристаллов служит многослойная структура из чередующихся слоев прозрачных веществ с двумя различными показателями преломления (рис. 2, а ). Система параллельных отверстий в диэлектрическом слое формирует двумерный фотонный кристалл (рис. 2, б ), а плотно упакованные наносферы кварца представляют собой трехмерный фотонный кристалл (рис. 2, в ).
Чем же замечательны наноструктурированные материалы и, в частности, фотонные кристаллы? Тем, что их оптические свойства — направление, интенсивность и поляризация отраженного и прошедшего света — определяются не только и даже не столько показателями преломления веществ, из которых они сделаны, а их структурой. Специально подобранная структура вещества приводит к явлениям интерференции и дифракции, существенно меняющим условия прохождения света через материал. Так, в фотонных кристаллах возникают запрещенные зоны — области частот света, при которых свет не может проникнуть внутрь фотонного кристалла и полностью отражается от него. Появление наноструктурированных материалов фактически открывает новое направление в создании оптических сред. Необходимые оптические свойства материала достигают теперь не путем подбора оптимального химического состава (как это было в старом подходе), а путем создания геометрической или фазовой структуры с характерным размером, не превышающим нескольких сотен нанометров. Поскольку наноструктурированные материалы создают искусственно, их часто называют метама-териалами.
Намагниченные фотонные кристаллы
Если наноструктурированный материал содержит магнитные вещества, то можно ожидать, что в нем будут наблюдаться магнитооптические эффекты, аналогичные тем, что возникают в обычных однородных средах, но, возможно, несколько измененные. Идея использовать для управления света в фотонном кристалле магнитные вещества впервые была предложена в конце 90-х годов минувшего столетия японскими учеными. Они рассмотрели эффект Фарадея в одномерных фотонных кристаллах, представляющих собой многослойные пленки из хаотично чередующихся слоев висмут-замещенного иттриевого феррита-граната и кварца. Для определенных частот излучения при оптимально подобранных параметрах структуры было обнаружено увеличение эффекта Фарадея более чем в 300 раз по сравнению с аналогичной однородной средой.
На примере одномерного случая можно выделить несколько разновидностей магнитных фотонных кристаллов. Прежде всего, это стандартные системы, состоящие из чередующихся четвертьволновых (толщина равна одной четвертой длины волны света в веществе) магнитных (например, церий-замещенный иттриевый феррит-гранат) и немагнитных (например, гадолиний-галлиевый гранат) слоев. Такие фотонные кристаллы обладают запрещенной зоной с центром на проектировочной длине волны, т. е. не пропускают свет с длиной волны в некоторой области вокруг данной. Под проектировочной длиной волны подразумевают длину волны света вне кристалла, при которой в каждом из его слоев укладывается одна четвертая длины волны. На рисунке 3, а и б показаны зависимости коэффициента пропускания и угла Фарадея для одномерного фотонного кристалла, настроенного на ближний инфракрасный диапазон (проектировочная длина волны 1,55 мкм). Кристалл состоит из 30 пар магнитного и немагнитного слоев. Усиление эффекта Фарадея возникает на границе запрещенной зоны, т. е. в районе длин волн 1,49 мкм и 1,61 мкм. Оказывается, именно на этих длинах волн резко возрастает групповая скорость света. Это приводит к тому, что возрастает эффективное время взаимодействия волны с намагниченностью материала, а значит, и увеличивается эффект Фарадея.
Важной особенностью резонансов на граничных частотах является то, что максимумы прохождения и фарадеевского вращения практически совпадают. Это позволяет использовать фотонные кристаллы в качестве миниатюрных элементов, вращающих плоскость поляризации на большие углы. Оптимальный подбор магнитных материалов, их геометрических размеров и расположения позволит создать новое поколение оптических устройств, управляемых магнитными полями. При этом нужно иметь в виду не только инфракрасный, но и видимый диапазон света.
В одномерных магнитных фотонных кристаллах можно создать структурные дефекты — несколько раз инвертировать порядок следования слоев и тем самым получить один или несколько слоев с удвоенной толщиной. Наличие таких дефектов приводит к появлению в фотонной запрещенной зоне узких резонансных уровней, на частотах которых прохождение света близко к стопроцентному (рис. 3, в ). Вместе с тем, групповая скорость излучения на этих резонансах вновь оказывается очень малой, и эффект Фарадея при этом резко возрастает (рис. 3, г ). В результате удается получить пик пропускания нужной ширины и большой угол Фарадея. К примеру, на длинах волн ближнего инфракрасного диапазона с помощью таких фотонных материалов удается получить угол поворота поляризации света на 45° на расстоянии всего 1,5 мкм, в то время как для той же однородной среды указанный угол поворота достигается на расстоянии, в 150 раз большем.
Однако усиление эффекта Фарадея в фотонных кристаллах впервые было экспериментально продемонстрировано японскими учеными на структуре другого типа. Она представляет собой магнитный микрорезонатор — внутрь немагнитного резонатора помещают слой магнитного материала. Хотя изготовить такую систему проще, чем предыдущие разновидности магнитных фотонных кристаллов, она демонстрирует все же менее впечатляющие результаты.
В последние несколько лет начали исследовать и многомерные магнитные фотонные кристаллы. Работа с такими системами существенно расширяет круг наблюдаемых эффектов, а также приводит к новым интересным применениям. Экспериментальные и теоретические исследования двумерных и трехмерных магнитных фотонных кристаллов активно ведутся в нашей стране (в МГУ им. М. В. Ломоносова, в Физико-техническом институте им. А. Ф. Иоффе), а также в Японии, Австралии, Швеции и ряде других стран. В большинстве случаев экспериментальной реализации эти структуры представляют собой коллоидные растворы упорядоченных частиц сферической или цилиндрической формы. Например, созданы двумерные коллоидные фотонные кристаллы, состоящие из стеклянных волокон, покрытых никелем. Резкое увеличение эффекта Фарадея было зафиксировано в трехмерных коллоидных кристаллах из кварцевых сфер, промежутки между которыми заполнены магнитной жидкостью насыщенного раствора нитрата диспрозия в глицерине.
До сих пор мы говорили только про усиление в фотонных кристаллах эффекта Фарадея. Однако необходимо отметить, что и другие магнитооптические эффекты могут быть существенно усилены благодаря специально подобранной оптической структуре среды. Следовательно, имея в руках образец такого фотонного кристалла толщиной всего несколько микрометров, можно действительно эффективно управлять светом, в первую очередь меняя его поляризацию.
Магнитооптика на службе
Настало время поговорить о том, где может использоваться магнитооптика. Начнем с передачи информации. Поскольку в оптических компьютерах биты информации передаются световыми волнами, то для их реализации нужно научиться менять или, говоря иначе, модулировать с высокой частотой интенсивность света. Вот здесь и должен пригодиться усиленный эффект Фарадея.
Действительно, магнитооптический модулятор можно организовать так: расположить магнитный фотонный кристалл с большим магнитооптическим параметром между двумя поляризаторами, скрещенными под углом 45°, и менять его намагниченность внешним магнитным полем в таких пределах, чтобы угол поворота плоскости поляризации также составил 45°. Тогда при максимальной намагниченности, например, вдоль оси OX поляризация света на выходе из слоя окажется параллельной направлению пропускания анализатора, и почти вся световая энергия пройдет через модулятор. В то же время при максимальной намагниченности слоя против оси OX плоскость поляризации света повернется в противоположную сторону и будет перпендикулярна оси анализатора — свет полностью поглотится. При промежуточных значениях намагниченности угол Фарадея будет меньше 45°, и только часть излучения выйдет наружу. Получается, что, изменяя магнитное поле, удается влиять на интенсивность прошедшего света. Очень важным фактором при этом является скорость переключения. Магнитные материалы позволяют достигать частот переключения вплоть до десятков гигагерц, что соответствует времени переключения порядка долей наносекунды. (Для сравнения стоит сказать, что переключение в жидкокристаллических веществах происходит за микросекунды.)
Эффективно и быстро изменять интенсивность светового потока крайне важно не только в фотонных чипах оптических компьютеров будущего, но и в других оптических устройствах. Например, на базе магнитного фотонного кристалла можно создать миниатюрные ячейки, пропускающие свет заданного цвета — красного, синего или зеленого. Такие ячейки можно объединить в единую систему и из получившихся пикселей создать монитор или видеопроектор (рис. 4). Адресно прикладывая внешнее магнитное поле к цветным пикселям, можно управлять яркостью того или иного цвета и придавать пикселю требуемый оттенок, формируя яркое, насыщенное цветное изображение.
Сейчас все большую популярность приобретает так называемая электронная бумага — гибкий монитор, позволяющий читать электронные книги и газеты. В настоящее время уже появились такие устройства, обеспечивающие черно-белое изображение. Оказывается, магнитное поле здесь тоже может оказаться полезным. Как следует из совсем свежей работы корейских ученых, магнитные фотонные кристаллы, состоящие из магнитных наночастиц в полимерных микросферах, могут позволить сделать следующий шаг — создать цветную электронную бумагу. Принцип действия элемента такого фотонного кристалла схематически изображен на рисунке 5. Микросфера с магнитным фотонным кристаллом внутри может свободно вращаться, будучи взвешена в машинном масле. Если излучение падает в направлении магнитной цепочки (или под острым углом меньше 15°), то цвет отраженного излучения определяется в основном расстоянием между наночастицами. Если же под действием магнитного поля частица повернется так, что цепочки магнитных частиц ориентируются перпендикулярно лучу света, то микросфера станет бесцветной. Таким образом, в данном случае магнитное поле помогает управлять цветом не непосредственно через магнитооптические эффекты, а опосредованно — ориентируя фотонный кристалл нужным образом. В то же время и про эффект Фарадея тоже не стоит забывать. Не исключено, что и в такой структуре он окажется полезным для дополнительного воздействие на поляризацию света. Усиленное влияние магнитного поля на свет можно использовать не только ради изменения характеристик света, но и для мониторинга самого магнитного поля — в сверхчувствительных сенсорах. Оказывается, что в магнитных фотонных кристаллах и ряде других нано-структурированных магнитных материалах (например, в перфорированных металло-диэлектрических пленках) величина и положение резонансного пика прохождения очень чувствительны к внешнему магнитному полю. Следовательно, помещая магнитную наноструктуру во внешнее магнитное поле, можно, измеряя интенсивность прошедшего света, судить о величине и направлении поля.
Магнитофотоника
Мы обсудили лишь некоторые применения магнитооптических эффектов, которые далеко не исчерпывают все возможности и преимущества управления светом с помощью магнитного поля. В настоящее время постоянно появляются новые идеи и разрабатываются новые магнитооптические устройства. Недавно даже было введено специальное название для этого направления исследований — магнитофотоника, что дополнительно свидетельствует о его актуальности. Знаменитый французский математик А. Пуанкаре отметил, что иногда достаточно изобрести новое слово и это слово впоследствии становится творцом.
Так получилось и с фотонными кристаллами: в 1987 году появилось название, а уже через несколько лет возник настоящий шквал исследований, приведший к новым научным и технических открытиям. Что принесет термин «магнитофотоника», какие новые открытия нас ждут, чем еще полезным окажется открытая Фарадеем взаимосвязь между оптикой и магнетизмом — покажет время. Может быть, именно благодаря магнитофотонике станут явью фантазии научных художников на тему оптических наносхем (одна из таких фантазий изображена на рисунке 6).
Измерение высокого импульсного напряжения и больших импульсных токов
Вступление
Современная практика и научные исследования требуют измерений высоких и сверхвысоких напряжений - до 10 МВ и больших токов - до 1¸2 МА. Напряжения и токи при этом могут быть постоянными, переменными, и импульсными с длительностью импульсов от долей микросекунд до нескольких десятков миллисекунд. Измерение больших постоянных токов - до 200¸500 кА широко используется в устройствах электролиза алюминия. Большие переменные токи - до 150¸200 кА имеют место в мощных дуговых электропечах. Работают линии электропередачи с напряжением 1,2¸1,5 МВ, проектируются линии передачи и энергетические устройства на более высокие напряжения. В термоядерных установках токи достигают сотен килоампер.
В ряде случаев необходимо проводить измерения при сверхнизких и высоких температурах, например, в криотурбогенераторах или криомодулях высокоскоростных транспортных средств на магнитной подушке, при исследовании плазменных и термоядерных источников энергии.
Электрооптические методы измерений высоких напряжений и больших токов
Быстрое развитие линий электропередачи и электрофизических устройств высокого и сверхвысокого напряжения (1200 кВ и выше) обусловило появление новых методов измерений, не требующих создания дорогостоящих и громоздких изоляционных устройств на полное рабочее напряжение. Перспективными являются электрооптические методы, основанные на преобразовании измеряемых электрических величин в параметры оптического излучения и применении оптических каналов связи для передачи измерительной информации из зоны высокого напряжения на низковольтную часть измерительного устройства. Преимуществами этих методов являются высокое быстродействие, защищенность от электромагнитных помех, а также надежная естественная электрическая изоляция между высоковольтной и вторичной измерительными цепями вследствие их полной электрической развязки.
Электрооптические методы разделяются на методы с внутренней модуляцией, при которых сигнал измерительной информации непосредственно воздействует на источник оптического излучения, изменяя параметры его излучения, и методы с внешней модуляцией, основанные на воздействии измеряемой величины непосредственно на оптическое излучение от внешнего стабильного источника.
| Рис. 1. |
При измерении методами с внутренней модуляцией (рис. 1) источник оптического излучения 2 (например, светодиод) и первичный преобразователь 1 (шунт, измерительный трансформатор и др.) находятся под высоким напряжением, а приемник оптического излучения 4 и вторичное измерительное устройство 5 имеют потенциал Земли. В качестве оптического канала связи 3 между источником и приемником излучения применяются высоковольтные волоконные жесткие или гибкие световоды, которые обеспечивают надежную изоляцию измерительных устройств от высоковольтной цепи.
Использование эффект Фарадея
Методы с внешней модуляцией основаны на использовании электрооптических и магнитооптических эффектов, главным образом электрооптических эффектов Керра и Поккельса - для измерения напряженности электрического поля и напряжения, а также магнитооптического эффекта Фарадея - для измерения токов.
Время релаксации, свойственное электро- и магнитооптическим эффектам, составляет менее 10 -10 с, поэтому на основе этих эффектов можно создать быстродействующие средства измерений постоянных, переменных и импульсных токов и напряжений, а также современные быстродействующие устройства защиты.
Использование эффекта Фарадея
Эффект Фарадея заключается во вращении плоскости поляризации линейно поляризованного света в оптически активных веществах под действием магнитного поля. Угол поворота плоскости поляризации света
где C B - постоянная Верде; l - длина пути света в веществе; В - магнитная индукция.
Измеряя угол поворота плоскости поляризации света, можно определить индукцию магнитного поля или силу тока, если преобразователь поместить в магнитном поле измеряемого тока.
Рис. 2.
|
Уравнение, записанное выше, справедливо для составляющей индукции В l , направленной вдоль пути света. Знак угла Q зависит от направления вектора магнитной индукции, но не зависит от направления света, что позволяет увеличить угол Q, если свет многократно пропускать через ячейку Фарадея. Как и в других методах, основанных на измерении магнитной индукции поля, создаваемого измеряемым током, при использовании эффекта Фарадея основными составляющими погрешности измерения тока являются погрешность преобразования измеряемого тока в магнитную индукцию и погрешность измерения магнитной индукции.
При использовании эффекта Фарадея измерение магнитной индукции сводится к измерению поворота плоскости поляризации света, которое обычно осуществляя методами прямого или уравновешивающего преобразования.
При применении метода прямого преобразования свет от лазера 1 направляется к преобразователю Фарадея 8 (рис. 2).
При этом поляризатор 2 и анализатор 4 могут быть расположены непосредственно у магнитооптического образца, что позволяет использовать оптические каналы связи 5 в виде обычных волоконных световодов.
Выходным сигналом устройств, построенных на основе метода прямого преобразования, является фототок или выходное напряжение.
где R н - сопротивление нагрузки фотоприемника; S Ф - чувствительность фотоприемника; J 2 - интенсивность светового потока на входе фотоприемника, которая в соответствии с законом Малюса равна
 Рис. 3, а.
|  Рис 3, б.
|
 Рис. 3, в.
|  |
 |  |
здесь J 1 - интенсивность света на входе анализатора; j - угол между поляризатором и анализатором; Q - угол поворота плоскости поляризации, При j=45°
или при малых углах Q
При углах Q=7° погрешность линейности составляет 1%.
На рис. 3 показаны различные виды магнитооптических преобразователей Фарадея. Самый простой преобразователь состоит из магнитооптического элемента 2, расположенного у провода 1 с измеряемым током (рис. 3, а). Уменьшения влияния внешних магнитных полей и увеличения чувствительности средств измерений, основанных на использовании эффекта Фарадея, к току можно достигнуть путем увеличения коэффициента преобразования 
Рис. 4, а.
|
|
Рис. 4, б.
|
|
Рис. 4, в.
| 
Рис. 4, г.
|
В качестве рабочего вещества для магнитооптических преобразователей применяются стекла, содержащие оксид свинца (флинты, кроны) и плавленый кварц. Особенно большую постоянную Верде имеют пленки из феррита-граната, удельное фарадеевское вращение плоскости поляризации света в которых на два-три порядка больше, чем в стеклах.
Эффект Фарадея
Эффект 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 10 11 -10 12 Гс.
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
Wikimedia Foundation . 2010 .
Смотреть что такое "Эффект Фарадея" в других словарях:
эффект Фарадея - — [Я.Н.Лугинский, М.С.Фези Жилинская, Ю.С.Кабиров. Англо русский словарь по электротехнике и электроэнергетике, Москва, 1999 г.] Тематики электротехника, основные понятия EN Faraday effect … Справочник технического переводчика
эффект Фарадея - Faradėjaus reiškinys statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. Faraday effect vok. Faraday Effekt, m rus. эффект Фарадея, m; явление Фарадея, n pranc. effet Faraday, m … Fizikos terminų žodynas
эффект Фарадея - Faradėjaus reiškinys statusas T sritis Standartizacija ir metrologija apibrėžtis Tiesiai poliarizuotos šviesos, sklindančios medžiagoje išilgai magnetinio lauko jėgų linijų, poliarizacijos plokštumos sukimas. Poliarizacijos plokštumos sukimo… … Penkiakalbis aiškinamasis metrologijos terminų žodynas
эффект Фарадея - Faradėjaus efektas statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. Faraday effect vok. Faraday Effekt, m rus. эффект Фарадея, m pranc. effet Faraday, m … Fizikos terminų žodynas
эффект Фарадея - один из эффектов магнитооптики, заключающийся во вращении плоскости поляризации электромагнитного излучения (например, света), распространяющегося в веществе вдоль силовых линий постоянного магнитного поля, проходящих через это… …
Эффект Фарадея (продольный магнитооптический эффект Фарадея) магнитооптический эффект, который заключается в том, что при распространении линейно поляризованного света через вещество, находящееся в магнитном поле, наблюдается вращение плоскости… … Википедия
Эффект Керра, или квадратичный электрооптический эффект явление изменения значения показателя преломления оптического материала пропорционально второй степени напряженности приложенного электрического поля. В сильных полях наблюдаются… … Википедия
Эффект - 1. Результат, следствие каких либо причин, действий. 2. В естественных науках явление (закономерность), часто называют именем открывшего этот эффект ученого (например, эффект Холла, эффект Фарадея, эффект Томсона и т. п.): Смотри также:… … Энциклопедический словарь по металлургии
эффект Холла - возникновение поперечного электрического поля и разности потенциалов в металле или полупроводнике, по которому проходит электрический ток, при помещении его в магнитное поле, перпендикулярно к направлению тока. Открыт американским… … Энциклопедический словарь по металлургии электронная книга