Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время в связи с развитием лазерной техники, микро- и оптоалектроники возрастает потребность в новых материалах для записи и обработки информации. Наряду с традиционными все большее значение приобретают магнитные материалы, обладающие достаточной прозрачностью. Наличие магнитной анизотропии и гиротропии открывает дополнительные возможности для управления излучением при создании устройств обработки информации. Так, предложены магнитооптические модуляторы, дефлекторы, ги-раторы, магнитооптические дисплеи; за рубежом налажен промышленный выпуск магнитооптических принтеров. Дальнейшее развитие прикладной магнитооптики сдерживается, однако, недостаточными экспериментальными исследованиями, которые, в свою очередь, тормозятся во многом слабой теоретической проработкой вопросов распространения светового излучения в магнитоупорядоченных средах с различной магнитной структурой. Обычно рассматривались лишь частные, простые случаи геометрии опыта. Одновременное проявление естественной и магнитной анизотропии, гиротропии и поглощения приводят к тому, что закономерности преобразования интенсивности и поляризации света магнитными кристаллами становятся очень сложными и требуют специального изучения. Кроме того, в низкосимметричных магнитных кристаллах становятся возможными принципиально новые эффекты, запрещенные в немагнитных и изотропных телах.
Ковариантные и операторные методы, предложенные Федоровым Ф.И. и развиваемые его учениками, позволяют, не прибегая заранее к определенной системе координат, в общем виде и наиболее компактной форме записывать и проводить все необходимые расчеты. Они уже показали свою высокую эффективность в физике элементарных частиц, кристаллоакустике и кристаллооптике. Бескоординатнке методы являются современным и адекватным математическим аппаратом и для кристаллооптики магнитоупорядоченных сред и поэтому широко используются в данной работе.
С научной точки зрения интерес представляют возможности новых магнитооптических и фотомагнитных эффектов, корректный учет влияния многоподрешеточной магнитной структуры на оптические свойства, другие линейные и нелинейные явления в магнитных кристаллах, а также принцип Онзагера и возможности его нелинейного обобщения, вопросы существования сингулярных оптических направлений.
Кроме того, наряду с решением прямых задач кристаллооптики магнетиков, практический интерес и важность представляют вопросы решения обратных задач и разработки методик определения оптических параметров кристаллов. Надо еше учесть, что при различных внешних воздействиях (электрическом и магнитном, полях, механических напряжениях, при изменении температуры, световом облучении и др.) электрическая и магнитная структура магнитоупорядочен-ных кристаллов может изменяться в широких пределах. Это дает дополнительные возможности управления оптическим излучением и создания новых устройств обработки инфорлации.
Таким образом, исследование макроскопических физических, включая оптические, свойств магнетиков является важной и актуальной задачей и имеет важное значение как с научной, так и с практической точки зрения.
Целью настоящей работы является построение последовательной общей феноменологической теории оптических явлений в кристаллах с упорядоченной магнитной структурой с учетом анизотропии, гиро-тропии и поглощения на основе систематического использования прямых тензорных и операторных методов Федорова, а также матричных и итерационных методов, теории магнитной симметрии и представлений групп.
Для достижения этой цели были поставлены следующие основные задачи:
провести критический анализ применения принципа Онзагера в магнитной кристаллофизике и выяснить возможность его обобщения на нелинейные оптические процессы;
сформулировать законы сохранения для магнитных диспергирующих сред;
исследовать преобразование поляризации света магнитоупоря-доченными кристаллами различной симметрии вдоль произвольных направлений, включая сингулярные. Установить структуру и взаимосвязь между матрицами Джонса и Мюллера для разных оптических систем;
провести симметрийное изучение свойств многоподрешеточных магнетиков и предложить алгоритм расчета их макроскопических, включая оптические, свойств;
сформулировать симметрийные условия существования и наблюдения новых магнитооптических, фотомагнитных и нелинейных
оптических явлений в магнитоупорядоченных кристаллах;
- на базе решения граничных задач предложить методы измерения оптических параметров поглощающих гироанизотропных магнитных кристаллов. Научная новизна и практическая значимость.
Для линейных диспергирующих магнитных сред предложена уточненная формулировка принципа Онзагера и сформулированы законы сохранения для электромагнитного поля.
Определена поляризация собственных волн и предсказаны новые типы сингулярных оптических направлений (эллиптические и линейные оси) в поглощающих магнитоупорядоченных кристаллах. Наличие предсказанного конуса линейных осей в марганцевом феррите подтверждается анализом известных экспериментальных данных. Проанализировано преобразование поляризации света вдоль сингулярных осей, впервые предложена классификация магнитных кристаллов ромбической син-гпнии по числу и характеру сингулярных осей.
Операторный формализм тензоров показателей преломления и им-педансов распространен на нецентросимметричные гироанизотрошше магнетики и дана симметрийная классификация основных кристаллооп-тических явлений в них. Предложен ряд итерационных методик для расчета показателей преломления.
Произведена параметризация, установлены ограничения, структура и взаимосвязь между матрицами Джонса и Мюллера для различных оптических сред.
На основе введенных 2 новых симметрийных операций обмена подрешетками более полно охарактеризована симметрия многоподре-щеточных магнетиков. Предложен простой алгоритм, который позволяет практически сразу получать явные феноменологические выражения для импедансов, магнитооптических, фотомагнитных и других свойств таких кристаллов.
Впервые найдены частотно-перестановочные соотношения для тензоров нелинейных оптических восприимчивостей в диспергирующих поглощающих магнетиках. Сни представляют собой нелинейное обобщение принципа Онзагера и практически связывают тензоры различных нелинейных явлений.
Предсказан поперечный эффект Фарадея, что недавно нашло экспериментальное подтверждение.
Предсказан, а затем и экспериментально наблюдался в кристаллах фторидов кобальта и железа, новый магнитооптический эффект'-
четное по магнитному полю фарздеевское вращение. Зтот эффект, как и предсказывалось, ухе позволил визуально наблвдать антиферромагнитную структуру в поперечном магнитном поле.
Сишетрийный анализ показал, что магнитогирация может наблюдаться только в магнитоэлектриках, проще всего наблюдать ее при переключении доменов.
Предсказаны новые фотомагнитные явления - намагничивание кристаллов линейно поляризованным светом, возможные в пьезомагнети-ках, а также нецентросимметричных средах.
ЦроЕеден симметрийный анализ возможностей генерации второй гармоники (ГЗГ) в магнетиках. Недавно предсказанная ГЗГ в пленках ферритов-гранатов и феррите висмута действительно наблюдалась.
Предложен метод измерения компонент тензора &"' в поглощающих магнетиках путем измерения матриц Джонса от 3 отражающих поверхностей.
Развитые в диссертации инвариантные и симметрийные методы и предсказанные новые эффекты могут использоваться при расчете и создании различных оптических устройств на основе магнитоупоря-доченшх кристаллов и притленялись студентами специализации "Квантовая электроника" при выполнении ими курсовых и дипломных работ.
Результаты работы частично вошли в содержание научных отчетов по двум ГБ НИР кафедры оптики ГГУ. Часть материалов диссертации вошли в спецкурсы "Физическая оптика", "Кристаллооптика", "Нелинейная оптика", "Магнитооптика", "Основы кристаллофизики", читавшиеся студентам на кафедре оптики ГГУ.
Адробадии работы. Результаты работы докладывались на XIII Международной конференции по когерентной и нелинейной оптике /Минск, 1988/; на 3-ем Международном семинаре по теоретико-групповым методам в физике /Юрмала, 1986/; на Международной конференции "Пространственные группы симметрии и их современное развитие /к 100-летию вывода Федоровских групп/" /Ленинград, 1991/; на Всесоюзной Федоровской научной сессии /1975, 1976, 1987, 1988, 1989 гг./; на Всесоюзных конференциях по магнетизму /Донецк,1985/, /Калинин, 1988/, /Ташкент, 1991/; на Всесоюзных семинарах "Оптика анизотропных сред" /Москва, 1987, 1990/; на Всесоюзном семинаре "Новые поляризационные методы и приборы для исследования напряженно-деформированного состояния и анализа состава и молекулярной структуры вещества" /Москва, 1988/; на республиканском семинаре "Физика магнитных явлений /Донецк, 1988/; на Всесоюзной
школе-семинаре "Теория представлений и групповые методы в физике" /Тамбов, 1989/; на ежегодных научных конференциях Гомельского государственного университета /Т975 - 1991 гг./; на всесоюзном постоянном научно-техническом семинаре "Низкотемпературные технологические процессы в электронике" /йкевск, 1990/; на Всесоюзном симпозиуме по дифракции и распространению волн" /Винница, 1990/; на Всесоюзной конференции "Волны и дифрзкшш - 90"/Москва, 1990/; на Республиканском научно-техническом семинаре "Ультразвуковые и лазерные методы неразрушающего контроля" /Киев, 1991/.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 50 работ. Список основных работ составляет 34 наименования и приведен в конце автореферата.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, выводов, заключения, списка цитируемой литературы и двух приложений. Она содержит 341 страниц, включая 5 таблиц, 5 рисунков, библиографический список из 414 наименований.