ОПТИКА И СПЕКТРОСКОПИЯ, 2004, том 97, № 4, с. 632-636
^ СПЕКТРОСКОПИЯ
ТВЕРДОГО ТЕЛА
УДК 543.42:54.16
МНОГОСЛОЙНЫЕ СТРУКТУРЫ С УПРАВЛЯЕМЫМИ МАГНИТНЫМ ПОЛЕМ ОПТИЧЕСКИМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ
© 2004 г. Д. Г. Макаров, В. В. Данилов, В. Ф. Коваленко
Киевский национальный университет им. Тараса Шевченко, 01033 Киев, Украина
Поступила в редакцию 19.06.2003 г.
В окончательной редакции 20.01.2004 г.
Учет гиромагнитных свойств многослойных структур, одна или несколько компонентов которых состоят из магнитоактивного материала, показал, что приложение магнитного поля к таким структурам приводит к появлению у них магнитоуправляемых оптических свойств. Влияние магнитного поля на коэффициент отражения многослойных структур проявляется в двух эффектах: в сдвиге положения максимума спектральной резонансной кривой коэффициента отражения и в изменении (увеличение или уменьшение) ее ширины. Из этих двух эффектов более сильным является изменение ширины спектральной кривой коэффициента отражения. Ориентация магнитного поля, прикладываемого к многослойной структуре, - поперечная или продольная - определяет существенные особенности эффектов. Расчет, выполненный для двух типов многослойных структур (У3Ре5012 и 0^0а5012; У3Ре5012 и 8Ю2), показал возможность их практического применения, например, в волоконной оптике.
ВВЕДЕНИЕ
Многослойные структуры широко применяются в оптическом диапазоне при решении большого числа фундаментальных и практических задач: при создании антиотражающих покрытий ("просветление оптики") [1], интерференционных фильтров и зеркал [2], полупроводниковых сверхрешеток [3], распределенной обратной связи в полупроводниковых лазерах [2, 4]; при исследовании эффектов спин-зависимого транспорта [5] и пр. В последние годы интенсивно исследуются фотонные кристаллы с запрещенной для излучения определенной длины волны зоной, принципы работы которых также основаны на использовании периодических структур (см., например, [6]).
Однако в приведенных выше примерах, к сожалению, лишь в немногих случаях существует возможность управления параметрами многослойных структур во время работы с ними. Как правило, эти параметры задаются во время изготовления самих структур. Однако существует возможность управлять ими внешним магнитным полем, если в качестве компонентов многослойных структур использовать магнитные материалы. Такие структуры могут использоваться для магнитных фотонных и магнонных кристаллов [7-10], спинтроники [5, 11], магнитных зеркал [12] и пр.
Целью настоящей работы было исследование в определенном диапазоне длин волн особенностей изменения параметров спектральной резонансной кривой коэффициента отражения многослойных двухкомпонентных структур, состоящих из чередующихся магнитных и немагнитных ди-
электрических слоев, под влиянием внешнего магнитного поля с учетом гиромагнитных свойств магнитной составляющей таких структур.
Исследования подобных многослойных структур, проведенные ранее [7, 8], ограничивались той областью спектра, в которой они проявляли себя как гироэлектрические среды. Принятое нами гиромагнитное приближение справедливо для материалов, гиротропные свойства которых описываются тензором магнитной проницаемости [13, 14]. Этот случай, когда магнитооптические эффекты (например, эффект Фарадея) становятся частотно-независимыми, наблюдается вдали от линий оптического поглощения, за которые ответственны электронные переходы, т.е. в окне прозрачности кристалла. Изменения магнитной проницаемости ферромагнитных (антиферромагнитных и парамагнитных) кристаллов на оптических частотах зафиксированы экспериментально как на диэлектриках и полупроводниках, так и на металлах (при отражении света). Напомним также, что между спектральными областями с электрической и магнитной гиротропиями лежит область спектра, в которой вклады во вращение плоскости поляризации света недиагональных компонентов тензоров диэлектрической и магнитной проницаемостей сравнимы. Применительно к этой области спектра говорят о бигиро-тропных свойствах среды.
В настоящей работе, рассматривая среду с гиромагнитными свойствами, мы не осуществляли привязку к какому-то конкретному материалу. Хотя, если говорить о наиболее часто рассматриваемых магнитооптических материалах - ферритах со
структурой гранта (ФГ), следует отметить, что область частотно-независимого эффекта Фарадея в них сильно зависит от их химического состава. Так, для иттриевого феррит-граната (У-ФГ) область спектра с гиромагнитными свойствами начинается с длин волн ~5 мкм [15], а для иттербиевого феррит-граната (УЬ-ФГ) - с длин волн ~1.2 мкм [16, 17]. Начиная с этих длин волн и выше (т.е. на большом удалении от линии поглощения ионов Бе34" и редкоземельных ионов, в области прозрачности этих ФГ), можно свести к минимуму гироэ-лектрический вклад в магнитооптические эффекты и говорить о ФГ конкретного состава как о гиромагнитной среде.
Использованная в работе "центральная" длина волны света Л0 = 1.5 мкм выбиралась нами произвольно, исходя только из соображений возможности использования полученных результатов в волоконной оптике, и может быть изменена на любую другую длину волны, которая в случае выбора конкретного магнитного материала для компонентов многослойной структуры "не выводит" его за пределы магнитогиротропного случая.
ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ
Рассмотрим изменение некоторых оптических параметров многослойной структуры, связанных с отражением света от такой структуры, при помещении ее во внешнее магнитное поле Н. Такое изменение мы связываем с влиянием магнитного поля на относительный показатель преломления магнитоупорядоченных материалов и со свойствами самих многослойных структур. Как уже упоминалось во введении, мы считаем, что зависимость показателя преломления п гиротропной (гиромагнитной) среды от приложенного магнитного поля для выбранной длины волны определяется только изменением ц1, ца - диагонального и недиагонального компонентов тензора магнитной проницаемости среды, для которых справедливы соотношения
Юн(юн + ) - ю
Ца
юю
Хотя исследованные в работе свойства многослойных структур характерны для произвольной ориентации внешнего магнитного поля Н, в дальнейшем будем рассматривать эффекты, возникающие при продольной ориентации поля Н (геометрия эффекта Фарадея). Это позволит качественно проанализировать исследованные эффекты и их величины для прогнозирования возможности прикладного использования полученных результатов.
При преобразовании для упрощения результирующей аналитической зависимости пренебрежем членами второго порядка малости в разложении п по степеням юм н/ю <§ 1 (что хорошо выполняется, например, для оптического диапазона длин волн). В этих допущениях изменение показателя преломления может быть представлено в виде пр = ± Да ~ 1 ± юм/2ю (знаки "±" отвечают разным направлениям вращения вектора поляризации падающего излучения).
Если рассматривать случай, когда оба компонента многослойной двухкомпонентной структуры являются магнитоактивными и считать характеристикой каждого слоя его показатель преломления, зависящий от значения юм, то глубину модуляции показателя преломления между слоями структуры определим следующим образом:
о п2 (Н) - П1 (н) о оп = -—-г-гт: = о п0( 1+ а1 Л), (2)
П2( н) + щ( н)
где
оп0 =
п2(н = 0)-п1 (н = 0) п 2 (н = 0 ) + п 1 (н = 0 )
- глубина модуляции показателя преломления при нулевом поле. Далее будем пользоваться обозначениями
п1( н = 0) = пш, п2 (н = 0) = п20.
Введенный параметр ах является мерой взаимодействия структуры с полем в определенной геометрии и может быть определен как
м
2
(1)
а1( н) =
± юм 1 п 1 0 - юМ 2 п 20 4ПС(п20- пю) .
(3)
где юм = у04пм(н), у0 = 2.8 МГц/Э, м(н) - намагниченность среды, юн = у0н, ю = 2пс/ Л, Л - длина волны падающего на структуру излучения.
Отметим, что распространение зависимостей (1), используемых, как правило, в тензоре магнитной проницаемости для магнетиков в СВЧ диапазоне, на оптический (ИК) диапазон частот корректно в том случае, когда расчет проводится вдали от резонанса, характерного, как правило, для видимой и ближней ИК частей спектра.
ВЛИЯНИЕ МАГНИТНОГО ПОЛЯ НА ОТРАЖАТЕЛЬНЫЕ СВОЙСТВА МНОГОСЛОЙНЫХ СТРУКТУР
Рассмотрим возможность создания управляемой магнитным полем многослойной (с числом слоев р) структуры с использованием магнитооптического материала. Будем считать, что структура является непоглощающей и состоит из многих пар слоев с показателями преломления соответственно пх(н) и п2(н) (рис. 1). Толщина каждого слоя
ю н - ю
d = X/4
n1 n2 n1 n2
0 L z
Рис. 1. Схематический вид исследуемой структуры.
|г|2, отн. ед.
1.4995
1.4996
1.5004
1.5005
X, мкм
л (z) = n 0 + A n cos (2 в 5z),
(4)
торых можно получить выражение для коэффициента отражения по амплитуде [4]
X
Рис. 2. Зависимость коэффициента отражения многослойной структуры от длины волны падающего света при разных значениях намагниченности магнитного слоя в продольной геометрии внешнего поля М = 0 (1), 103 Гс (2, 3) для право- (2) и левоциркулярно (3) полиризованного света. "Центральная" длина волны света ^0 = 1.5 мкм. При вычислениях использовалось значение «20/«10 = 1.001.
равна Х0/4п0, где п0 = [п1(Н) + п2(Н)]/2 - среднее значение показателя преломления, Х0 - брэгговская длина волны для данной структуры. Такую периодическую зависимость показателя преломления можно представить разложением в ряд Фурье [8]. Если ограничиться рассмотрением эффектов в области первого брэгговского максимума, то в разложении можно оставить только первое гармоническое слагаемое
r =__£--(5)
Ав + iуcth(yL)' V ;
где x = Ann/ X - коэффициент связи, Ав = 2nn0/X - в0,
Y = Vx2 - Ав2, L - длина структуры.
В дальнейшем рассмотрении (для упрощения полученных выражений, но без потери качественно новых эффектов) примем, что лишь один из слоев структуры является магнитоактивным, а другой - немагнитный. При помещении такой системы в магнитное поле произойдет изменение показателя преломления магнитного слоя n1(H) = n10 + An1(H), что приведет к изменению амплитуды, ширины (SX) и положения максимума (AX) спектральной кривой коэффи
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.