Диплом. Научноисследовательская часть Технические требования

• Название: Научноисследовательская часть Технические требования
• Анкор: Диплом.docx
• Дата: 12.04.2018
• Размер: 5.55 Mb.
• Имя файла: Диплом.docx
• Тип: Анализ; #17992
• страница: 3 из 15

1.2.4. Сравнение выбранного магнитооптического метода с другими методами визуализации.

Сравнение магнитооптического способа визуализации магнитной записи с другими, известными ранее, позволяет сделать выводы об определенных его преимуществах. Если сравнивать магнитооптический способ с порошковым, то оказывается, что последний сильно уступает по пространственному разрешению, редко достигающему величины 20 мкм. Магнитооптический метод более чувствителен и обеспечивает большую оперативность наблюдений при лучшем качестве изображения.

Магнитооптический способ гораздо проще, чем способ визуализации, использующий пленки с полосовой структурой, который требует наличия дополнительных источников переменных и постоянных магнитных полей. Кроме того, неудобством является косвенный метод наблюдения – с помощью дифракции на частицах коллоида, ориентированных полосовой доменной структурой. Использование для визуализации метода, связанного с размягчением рабочего слоя носителя записи, приводит к необратимым повреждениям носителя и это резко ограничивает возможности его применения.

Применение электронно-оптических методов, обладающих субмикронным пространственным разрешением, существенно ограничено их уникальностью и сложностью технической реализации.

Использование для визуализации аморфных пленок, содержащих железо, позволяет достичь достаточной чувствительности и высокого пространственного разрешения. Но низкая эффективность отражательного магнитооптического эффекта Керра не дает возможности получить приемлемый для наблюдения контраст изображения.

Результаты сравнения позволяют заключить, что по совокупности параметров – чувствительности, разрешающей способности, контрасту изображения, простоте и удобству пользования – магнитооптический способ визуализации магнитной записи обладает рядом преимуществ по сравнению с известными способами.

1.3. Математическое описание ОЭУРМ

Для математического описания рассмотрим систему поляризатор-магнитооптический кристалл-анализатор и опишем происходящие процессы при помощи аппарата поляризационной оптики.
1.3.1 Поляризатор.

Поляризатором называется оптическое устройство, преобразующее проходящий через него естественный свет в поляризованный. Поляризатор, предназначенный для обнаружения поляризации, называется анализатором. Действие поляризационных приборов основано на одном из физических явлений:

а) на отражении и преломлении на границе двух диэлектриков (например, воздух – стекло);

б) двойном лучепреломлении;

в) на дихроизме (явлении различного поглощения o- и е- лучей).

В данной работе в качестве поляризаторов применяются поляроиды Н-типа, работающие на дихроизме. Поляроидом Н-типа называют прозрачный плоский полимерный материал, который состоит в основном из полимерных молекул, имеющих преимущественное направление, и окрашен веществом, обеспечивающим дихроизм пленки [14].

Линейно поляризованный свет получается при прохождении света через поляроид. Поляроид сильно поглощает световые лучи, в которых электрический вектор перпендикулярен к оптической оси. Если же электрический вектор параллелен оси, то такие лучи проходят почти без поглощения. Поэтому естественный свет, пройдя через поляроид, наполовину поглощается и становится линейно поляризованным с электрическим вектором, ориентированным параллельно оптической оси поляроида [15].

Наиболее полным методом описания поляризатора является представление в виде 4Х4-матрицы Мюллера, состоящей из 16 действительных элементов. С помощью такой матрицы можно описывать любой поляризатор, независимо от того, вносит ли он, кроме поляризации, сдвиг фаз или рассеяние и состоит ли он из одного слоя или из многих слоев. Если рассеяние отсутствует, то можно применять 2Х2-матрицу Джонса.

Метод Мюллера представляет собой матричное описание светового пучка и оптического устройства, через которое проходит свет, и позволяет вычислить результат взаимодействия света с этим устройством. Обычные методы становятся чрезвычайно громоздкими, когда число поляризаторов или фазовых пластинок велико. Преимущества метода Мюллера состоят в том, что он дает возможность: а) сконцентрировать все необходимое для описания пучка света параметры в едином выражении, б) записать в едином выражении все параметры поляризатора или фазовой пластинки и в) получить результат взаимодействия света с системой различных оптических элементов (поляризаторы, фазовые пластинки, рассеивающие устройства) путем простого перемножения соответствующих выражений по определенным правилам [16].

Пучок света описывается вектором Стокса, определяемым четырьмя параметрами I, M, C, S, которые связаны с интенсивностью. Этот вектор записывается обычно в виде вертикального столбца или в виде горизонтальной строки:




_{Параметр I называется интенсивностью, параметры M, C и S называются} соответственно параметром преимущественной горизонтальной поляризации, параметром преимущественной поляризации под углом +45⁰ и параметром преимущественной правоциркулярной поляризации. Когда параметр имеет отрицательную величину, это значит, что преимущественной является ортогональная форма поляризации.

Матрица Мюллера поляроида записывается следующим образом:



Однако, в более точном представлении поляроид представляет собой однородный нерассеивающий недеполяризующий недвупреломляющий поляризатор с главными значениями пропускания τ₁=0,8 и τ₂=0,0003 с горизонтальной осью пропускания, поэтому его матрица имеет вид:




Если свет проходит три оптических устройства, необходимо использовать три матрицы и произвести три умножения. Если эти три матрицы обозначить через [M₁], [M₂] и [M₃], а через [V_i] – вектор Стокса падающего света, то процедуру определения вектора Стокса [V_e] выходящего света схематически можно записать следующим образом:



Таким образом, выпишем матрицы Мюллера для каждого оптического элемента и найдем вектор Стокса на выходе.

1.3.2 Магнитооптический кристалл
Осуществляет модуляцию по амплитуде, вращает плоскость поляризации (модуляция поляризации) на определенный угол.

Магнитооптические эффекты можно разделить на две основные группы: эффекты, наблюдаемы при прохождении света через магнитооптический материал, и эффекты, при отражении света от поверхности магнитооптического материала. В данной работе применяется эффект первой группы.

Эффекты первой группы связаны с двойным круговым преломлением, т.е. с различием комплексных показателей преломления право- и левополяризованных по кругу волн. Действительная часть двупреломления описывает поворот плоскости поляризации, а мнимая его часть, - превращение линейно поляризованного излучения в эллиптически поляризованный. Если линейно поляризованную волну представить как сумму право- и лево- поляризованных по кругу волн, то первый из упомянутых эффектов будет связан с различием скоростей их распространения, а второй – с различием их коэффициентов поглощения.

Если свет распространяется через магнитооптический материал параллельно вектору его намагниченности, то наблюдается магнитное круговое двупреломление, носящее название эффекта Фарадея. Эффект Фарадея пропорционален пути светового пучка в магнитоупорядоченной среде

,

где - удельное фарадеевское вращение; - длина пути в магнитной пленке феррит-граната, α – угол между направлением распространения излучения и вектором намагниченности М.
Таким образом, плоскость поляризации поворачивается на угол:


Магнитную пленку феррит граната можно представить, как фазовую пластину, описываемую матрицей Мюллера:



где

1.3.3 Анализатор.
Анализатор – устройство, предназначенное для анализа характера поляризации света. В данной работе применяется линейный анализатор – служащий, для обнаружения линейно поляризованного света и определения угла наклона его плоскости поляризации.



Рис. 1.14.

Два поляроида поставлены друг за другом, так что их оси ОА₁ и ОА₂ образуют между собой некоторый угол α (рис. 1.14). Первый поляроид пропустит свет, электрический вектор Е₀ которого параллелен его оси ОА₁. Обозначим через I₀ интенсивность этого света. Разложим Е₀ на вектор Е_||, параллельный оси ОА₂ второго поляроида, и вектор Е_┴, перпендикулярный к ней (Е₀=Е_||+Е_┴). Составляющая Е будет задержана вторым поляроидом. Через оба поляроида пройдет свет с электрическим вектором ЕЕ_||, длина которого Е= Е₀cos α. Интенсивность света, прошедшего через оба поляроида, будет



Закон Малюса – для любого поляризатора и анализатора.

Матрица Мюллера имеет вид для анализатора тот же, что и для поляризатора, т.к. применяется точно такой же поляроид:


Нормированный вектор Стокса падающего света в данном случае представляет собой:




Теперь перемножим матрицы Мюллера и вектор Стокса:



Итак, видно, что интенсивность в системе поляризатор-МОК-анализатор составляет 0.637 от интенсивности входного оптического сигнала.

Интенсивность света I^* на выходе МО прибора определяется следующим образом [1]:

,

где C – коэффициент, учитывающий оптические потери в поляризаторе и анализаторе, а также потери на отражение I₀ – интенсивность падающего на поляризатор излучения, - коэффициент оптического поглощения МО среды, h– толщина пленки, - коэффициент, учитывающий неполноту погасания в системе поляризатор – МО среда – анализатор, Фпа – угловое отклонение от положения погасания в системе поляризатор – анализатор, - удельное фарадеевское вращение, - угол падения излучения.

Контраст изображения Kопределяется следующим выражением



Оптическая эффективность η определяется по формуле



_{Приведенные графики зависимости K(Фпа) на рис.1.15 (при толщине пленки hравной 4 мкм), и K(h) на рис. 1.16 (при Фпа равным 5 град.) показывают, что контраст получаемого изображения определяется отклонением от положения погасания и достигает максимального значения при значении} .

_{Максимальная чувствительность к управляющему полю достигается при равной 45 град., при этом}

Рис. 1.15. Угловая зависимость контраста изображения при отклонении поляризаторов от положения скрещивания при различных значениях Рис. 1.16. Зависимость контраста изображения от толщины пленки феррит-граната

Для получения максимальной чувствительности толщина пленки определяется следующей зависимостью



Оптический КПД тем выше, чем меньше оптическое поглощение и сильнее эффект Фарадея, другими словами, чем выше магнитооптическая добротность

.

4. 
   Материалы для магнитооптических устройств и их основные характеристики
   

Для того, чтобы выбрать наиболее подходящий материал магнитооптического кристалла для решения поставленной задачи, необходимо рассмотреть известные магнитооптические материалы и их основные характеристики. В настоящий момент самыми распространенными материалами для магнитооптических устройств являются: монокристаллические пленки феррит-гранатов, выращиваемые на подложках из немагнитных гранатов методом жидкофазной эпитаксии; ортоферриты; металлические аморфные пленки.

1.4.1 Феррит-гранаты

1.4.1.1 Кристаллическая структура и параметры решетки.

Феррит-гранаты описываются общей формулой {ΣR_i}₃ [Fe, Me]₂(Fe,D)₃О₁₂, где элементы в фигурных скобках соответствуют додекаэдрической, в квадратных — октаэдрической и в круглых — тетраэдрической подрешеткам граната; R_i – редкоземельные элементы: кальций, висмут, свинец; Me — элементы, замещающие железо в а-подрешетке (скандий, индий, титан, алюминий, галлий, свинец, редкоземельные элементы с малым ионным радиусом); D — элементы, замещающие железо в d-подрешетке (ванадий, кремний, герма¬ний, галлий, алюминий). Феррит-гранаты обладают структурой с кубической симметрией. Анионы кислорода образуют кубическую плотную упаковку, пустоты в которой заполняют меньшие по размерам катионы. Тетраэдрическую, октаэдрическую и додекаэдрическую подрешетки образуют катионы, окруженные четырьмя, шестью и восемью анионами кислорода соответственно. В одной формульной единице граната содержатся три додекаэдрические, две октаэдрические и три тетраэдрические позиции.

Поскольку магнитооптически активный ион Bi³⁺ имеет большой радиус (параметр решетки гипотетического граната Bi₃Fe₅O₁₂ равен 1,262 нм), при использовании традиционной подложки из Gd₃Ga₅О₁₂ (ГГГ, а_ГГГ = 1,2383 нм) вместе с висмутом в состав МПФГ вводят элементы с малым ионным радиусом (Lu³⁺,Yb³⁺, Tm³⁺, Al³⁺, Si⁴⁺). В противном случае необходимы подложки с большим a_s, например Nd₃Ga₅O₁₂ (НГГ, а_НГГ = 1,2509 нм) или Sm₃Ga₅O₁₂ (СГГ, асгг = 1,2436 нм). Однако НГГ и СГГ недостаточно прозрачны, поэтому было предложено использовать подложки (Gd, Ca)₃(Mg, Zr, Ga)₅O₁₂ (ГКМЦГГ). Они прозрачны, как ГГГ, но a_s в них можно изменять от 1,2380 до 1,2560 нм путем варьирования содержания Са, Mg и Zr, получая при этом монокристаллы высокого качества с однородным распределением компонентов. Наиболее высококачественны подложки состава Gd_2,67Ca_0,33Ga_4,03Mg_0,32Zr_0,65O₁₂ с а_s= 1,2495 нм [1].

1.4.1.2 Оптическое поглощение.

Беспримесные монокристаллы феррит-гранатов в области длин волн 1—6 мкм имеют окно прозрачности, где коэффициент оптического поглощения α очень мал (≤0,1 см^-1). Однако в этом интервале могут присутствовать несколько узких пиков поглощения, связанных с электронными переходами в ионах R³⁺ в с-подрешетке (исключение составляют ионы Lu³⁺, Y³⁺, Gd³⁺ и La³⁺). В окне прозрачности поглощение определяется примесями и разного рода несовершенствами образцов. При λ<1 мкм поглощение в феррит-гранатах обусловлено электродипольными переходами в ионах железа. В области λ= 10÷100 мкм поглощение феррит-гранатов весьма интенсивно и связано с колебательным спектром молекул. При λ> 100 мкм вплоть до СВЧ диапазона феррит-гранаты обладают высокой прозрачностью, а уровень поглощения в них определяется дефектами кристаллической решетки. Для задач прикладной магнитооптики основной интерес представляют видимая и ближняя ИК области спектра.

Пики поглощения, связанные с электронными переходами в редкоземельных ионах, присутствуют и в спектрах немагнитных гранатов (рис. 1.17), что ограничивает их применимость в качестве подложечных материалов.


Рис. 1.17. Спектры пропускания ГГГ (1), СГГ (2), НГГ (3) и КНГГ (4)

Спектры поглощения феррит-гранатов в видимом и ближнем ИК диапазоне определяются суперпозицией вкладов от внутриионных электродипольных переходов Fe3+ в кристаллическом поле с типичной силой осциллятора (пропорциональной площади соответствующего пика поглощения) f≈10^-5 и значительно более интенсивных и широких переходов межионного типа с обменом заряда в области v>20 000 см^-1 с типичной силой f≈10^-3 (рис.1.17).



Рис.1.18. Спектр поглощения монокристалла Y₃Fe_3,85GA_1,15O₁₂

Внутриподрешеточные парные переходы в ионах Fe³⁺ и переходы с переносом заряда ответственны за оптическое поглощение в диапазоне λ≤0,45 мкм. В видимом диапазоне доминирующий вклад в а вносят два перехода в кристаллическом поле а- и d-подрешеток (рис. 1.18, 1.19). Эти переходы обусловливают поглощение, которое для беспримесного монокристалла Y₃Fe₅О₁₂ составляет 620 см^-1 при λ=0,633 мкм. Уменьшить это значение можно, лишь замещая железо диамагнитными ионами (рис. 1.19) . Однако при большом содержании таких ионов снижается обменное взаимодействие, что приводит к сильному изменению большинства магнитных и магнитооптических параметров. Введение в состав граната ионов магнитных переходных металлов либо вызывает появление новых переходов, либо влияет на переходы Fe³⁺, что в любом случае приводит к росту α.



Рис. 1.19. Спектры поглощения МПФГ системы Y₃Fe_5-хGA_хO₁₂ при 295 К.
Другим фактором, сильно влияющим на поглощение феррит-гранатов, является температура. С ее ростом край окна прозрачности смещается в область больших значений длин волн, что обусловлено двумя причинами: слабым смещением центра переходов в ИК область и уширением пиков поглощения (рис. 1.20), причем второй механизм доминирует.


Рис. 1.20. Спектры поглощения МПФГ (Bi, Gd)₃(Fe, Ga)₅O₁₂ при различных температурах, К: 1— 293; 2 — 373; 3 — 473; 4 — 573.