Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 4
ГЛАВА І. іуіАШИТООПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА РЕДКОЗЕіуіЕДЬНЬІХ
ФЕРРИТОВ-ГРАНАТОВ 10
1.1. Кристаллическая структура ферритов-гранатов . . 10
1.2. Магнитные свойства ферритов-гранатов II
1.3. Оптические свойства ферритов-гранатов 15
1.4. Распространение света в намагниченной среде . . 18
1.5. Эффект Фарадея в ферритах-гранатах 16
а) гироэлектрический эффект Фарадея 27
б) гиромагнитный эффект Фарадея 33
1.6. Исследования линейного магнитного двупреломления
света в ферритах-гранатах 45
ГЛАВА 2. МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЙ И ОБРАЗЦЫ 51
2.1. Экспериментальная установка 51
2.2. Спектральные зависимости оптического поглощения
и эффекта Фарадея редкоземельных ферритов-
гранатов и методика их обработки 56
а) спектральные зависимости оптического поглощения
редкоземельных ферритов-гранатов 56
б) спектральные зависимости поглощения редкоземель
ных ферритов-гранатов в линиях поглощения редко
земельного иона 57
в) спектральные зависимости эффекта Фарадея в
редкоземельных ферритах-гранатах 59
2.3.Градуировка монохроматора и ошибки измерений . , . 63
2.4.Приготовление образцов 64
стр. ГЛАВА 3. ИССЛЕДОБІШИЕ ЭФФЕКТА ФАРАДЕЯ В РЩШЗЕМЕЛЬШХ
ФЕРРИТАХ-ГРАНАТАХ 66
3.1. Эффект Фарадея в УЬ3Ре50іг> &у3Ре50ІЄ) Tb4Fes0i2,
GdaFesOia> Eu3Fes01?j SmsFesOla и y3Fes012. ... 66 3.2. Эффект Фарадея в системе неодим-содержащих
ферритов-гранатов 86
ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ МАГНИТНОГО ЛИНЕЙНОГО ДВУПРЕЛОМ-ЛЕНИЯ СВЕТА И ДИХРОИЗМА ФЕРРИТОВ-ГРІШАТОВ ЕВРОПИЯ И ТЕРШЯ В ОБЛАСТИ ПОЛОСЫ ПОГЛОЩЕНИЯ . . 100 4.1. Магнитное линейное двупреломление света
и дихроизм феррита-граната европия в полосе
поглощения редкоземельного иона 100
4.2. Магнитное линейное двупреломление света и дихроизм феррита-граната тербия в полосе
поглощения редкоземельного иона 104
ВЫВОДЫ 112
ЛИТЕРАТУРА 115
Введение к работе
Актуальность темы. Оптически прозрачные магнитоупорядоченные кристаллы находят в настоящее время широкое практическое применение в современной вычислительной технике, интегральной оптике, опто-электронике и т.п. Применение в элементах перестраиваемой оптики прозрачных кристаллов, среди которых ведущее место занимают редкоземельные ферриты-гранаты, связано с возможностью управления небольшими внешними магнитными полями их оптическими характеристиками. Успешное решение практических задач во многом связано с состоянием экспериментальных исследований физических свойств этих кристаллов, которые являются хорошим модельным объектом для изучения недостаточно разработанных проблем магнетизма и магнитооптики магни-тоупорядоченных кристаллов. Задачи выявления роли и характера различных механизмов, ответственных за поглощение света кристаллами ферритов-гранатов, и изучения их кристаллооптических свойств в области узких полос поглощения входящих в структуру ферритов-гранатов редкоземельных ионов, рассматриваемые в настоящей диссертации, относятся именно к вышеозначенным проблемам. Наиболее прямыми методами получения информации о физических свойствах, и в первую очередь, об электронной структуре магнитоупорядоченных кристаллов являются методы поляризационной магнитооптической спектроскопии. Исследование спектральных зависимостей эффекта Фарадея позволяет получить новую информацию о вкладах редкоземельной подрешетки в эффект Фарадея. Возрастание интереса к изучению эффекта Фарадея в редкоземельных ферритах-гранатах связано с тем, что в недавнее время наметились сдвиги в понимании роли различных механизмов магнитооптической активности этого класса ферримагнетиков. Исследование таких эффектов как магнитное линейное двупреломление и магнитный линейный дихроизм оказывается весьма эффективным для изучения электронных спектров
редкоземельных ионов в структуре ферритов-гранатов, в которых наиболее отчетливо отображается все многообразие энергетических взаимодействий в ферримагнетиках. Величина этих эффектов в редкоземельных ферритах-гранатах достигает больших значений; эффекты еыявляют резко анизотропный характер, что особенно ценно при исследовании механизмов магнитного линейного двупреломления и дихроизма в ферритах-гранатах.
Цель и задачи работы. Цель диссертационной работы закоючалась в выяснении физических механизмов эффекта Фарадея в наиболее важных с научной и прикладной точек зрения редкоземельных ферритах-гранатах и феррите-гранате иттрия и изучению особенностей распространения света в кристаллах Eu3Pe50ia и Tb3Fe.s0i2. . Исследования эффекта Фарадея и поглощения проведены на типичных представителях трех групп редкоземельных ферритов-гранатов: I) с тяжелыми редкоземельными элементами Yb , )у , ТЬ ; 2) с элементами середины лантаноидного ряда Gel , Е u , S гп ; 3) с легким редкоземельным элементом Мої .
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
усовершенствовать высокочувствительную низкотемпературную магнитооптическую установку высокого разрешения для автоматической записи магнитооптических спектров проходящего через образец света;
исследовать спектральные зависимости эффекта Фарадея и коэффициента поглощения ферритов-гранатов иттербия, диспрозия, тербия, гадолиния, европия, самария и иттрия в области 7500-20000 см""1:
исследовать спектральные, температурные и полевые зависимости эффекта Фарадея и спектральные зависимости коэффициентов поглощения системы неодим-содержащих ферритов-гранатов;
исследовать в присутствии магнитного поля спектры линейно поляризованного света в полосе поглощения, обусловленной перехо-
дом TFb-TR> ионов ТЬ тербиевого феррита-граната;
- исследовать в присутствии магнитного поля спектры линейно
поляризованного света в полосе поглощения, обусловленной перехо
дом rFo- Pfe ионов Ей европиевого феррита-граната.
Научная новизна. Результаты экспериментальных исследований интерпретируются на основе теории эффекта Фарадея, учитывающей влияние эффективных магнитных полей на расщепление основного и возбужденных мультиплетов редкоземельных ионов и смешивание волновых функций основного и возбужденных мультиплетов редкоземельных ионов;
проведено исследование частотной зависимости эффекта Фарадея редкоземельных ферритов-гранатов: *Yb ,)ь ,ТЬ , Gel ,Eu , Sm и иттриевого феррита-граната в интервале энергий 7500-20000 см~* при температурах 82 К и 295 К; выделен гироэлектрический вклад редкоземельной подрешетки в полный эффект Фарадея этих гранатов; установлены частотные зависиьюсти магнитооптического коэффициента С^ , характеризующего эффект Фарадея, пропорциональный намагниченности редкоземельной подрешетки, и продемонстрирована непропорциональность гироэлектрического вклада редкоземельной подрешетки намагниченности подрешетки;
впервые определена частотная зависимость температурно-неза-висмого эффекта Фарадея, обусловленного воздействием обменного поля подрешетки железа на редкоземельные ионы. Показано, что в ферритах-гранатах Yb3Fe.50i2. , GoL,Fe.50124 , SmiFc50i2. этот вклад играет основную роль;
проведено исследование спектральных и полевых зависимостей эффекта Фарадея и поглощения системы неодим-содержащих ферритов-гранатов, установлено, что величина коэффициента поглощения при введении в матрицу железо-иттриевого граната ионов Nd3 в облас-
ти 8000-16000 см х не возрастает, в то время как удельное вращение плоскости поляризации изменяется, увеличиваясь по абсолютной вели-
чине при увеличении концентрации Kid . Показано, что в неодим-содержащих ферритах-гранатах существенную роль в формировании эффекта Фарадея играет температурно-независимый диамагнитный эффект Фарадея. Природа аномально большой магнитооптической активности этих гранатов объясняется как результат (действия) совместного действия одинаковых по знаку и примерно равных по величине вкладов парамагнитного и диамагнитного механизмов эффекта Фарадея.
определены частотные зависимости магнитооптической добротности неодим-содержащих ферритов-гранатов. Показано, что в феррите-гранате NdliTaYA)asFesOia на лазерной длине волны 0,76 мкм магнитооптическая добротность составляет 2,0 град/о!В и увеличивается втрое при понижении температуры до азотной. На длине волны 1,064 мкм добротность неодим-содержащих ферритов-гранатов при Т = 295 К достигает нескольких десятков град/ d В ;
при исследовании кристаллооптических свойств феррита-граната тербия в области полосы поглощения R,- F0 ионов ТЬ в геометрии Фохта ( к І.Х ) впервые экспериментально обнаружена невзаимность спектров магнитного линейного двупреломления и дихроизма при взаимной замене ориентации вектора намагниченности X и электрического вектора световой волны Е для случая кііСііОЗ, ХІІСЇ103, Elltooi] показано, что магнитное линейное двупреломление и дихроизм на
этом переходе достигает значений ^ 10 ;
- исследования магнитного линейного двупреломления и дихроиз
ма в феррите-гранате европия в области полосы поглощения TF0~TFb
ионов Еиа* в геометрии Фохта ( k JLX ) выявили невзаимность
спектров МЛД для случаев: TutiiO] , ІНШОЇ .іГіІСііЛ ;
kliCHO] , TllClii] , EUCOOi] и Тс ИС10ОЛ, ЇІІСооїЗ, Ell СІІОЗ
Практическая ценность. Полученные в диссертационной работе результаты существенно расширяют представления о природе магнитооптических явлений в редкоземельных ферритах-гранатах. Проведенные
исследования и результаты, полученные по частотной зависимости эффекта Фарадея и поглощению редкоземельных ферритов-гранатов представляют интерес для понимания механизмов формирования эффекта Фарадея в магнитных кристаллах и могут быть использованы в теоретических расчетах, учитывающих существенную роль диамагнитного вклада в эффект Фарадея. Результаты исследования частотной и полевой зависимостей эффекта Фарадея и частотной зависимости коэффициента поглощения системы неодим-содеркащих ферритов-гранатов могут быть использованы при решении задач, связанных с синтезированием новых магнитных материалов с большой магнитооптической добротностью.
Полученные результаты позволяют глубже изучить природу магнитного линейного двупреломления в магнитоупорядоченных кристаллах и открывают возможности для обоснования интерпретаций исследованных особенностей кристаллооптики кубического магнитного кристалла. Найденные конкретные значения МЛД могут быть использованы при создании элементов оптических перестраиваемых систем, в частности, при создании устройств управления лазерным излучением.
На защиту выносятся:
результаты исследований спектральных, полевых и температурных зависимостей эффекта Фарадея и спектральных зависимостей коэффициента поглощения системы неодим-содержащих ферритов-гранатов;
результаты исследований спектральных зависимостей эффекта Фарадея и поглощения редкоземельных ферритов-гранатов YbaFes0Aa, &У3Ре501г, ТЬ3 Pes 0x2, Еыл FesOia, &daFes 0*а, Sm, Ре^-Оц,
и феррита-граната иттрия;
- результаты исследований магнитного линейного двупреломления
феррита-граната европия в области полосы поглощения редкоземельно
го иона TFo-TFfo , в том числе экспериментально обнаруженное
различие спектров 1уШД при взаимной замене ориентации вектора на-
магниченности I и электрического вектора световой волны Е ;
- результаты исследований магнитного линейного двупреломления и дихроизма феррита-граната тербия в области полосы поглощения T(^-ri? иона Tt>s+ ; в том числе экспериментально обнаруженное различие спектров МИД при взаимной замене ориентации вектора намагниченности и электрического вектора световой волны.
Апробация работы. Результаты работы докладывались на Всесоз-ной конференции по физике магнитных явлений (Пермь, 1981 г.), на Всесоюзной школе-семинаре "Новые магнитные материалы для микроэлектроники" (Донецк, 1982 г.), на Всесоюзной конференции по физике магнитных явлений (Тула, 1983 г.), на Всесоюзном объединенном семинаре "Средства памяти на цилиндрических магнитных доменах ОВД), физические свойства, характеристики и технические применения (Симферополь, 1983 г.).
Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в пяти работах.
Структура и объем диссертации, диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов и библиографии, излокенных на 125 страницах машинописного текста, содержит 34 рисунка и 4 таблицы.
Похожие диссертации на Исследование спектральных зависимостей эффекта Фарадея в редкоземельных ферритах-гранатах
