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: 4 из 15

1.4.1.3 Фарадеевское вращение.

Введение диамагнитных ионов в феррит-гранаты в общем случае влияет на магнитные и магнитооптические свойства за счет разбавления соответствующих подрешеток.

В удельное фарадеевское вращение самый большой вклад вносят ионы Bi³⁺. Он в несколько раз выше, чем вклад наиболее магнитооптически активных редкоземельных ионов Рг³⁺ и Nd³⁺. Все остальные редкоземельные ионы дают одинаковый по порядку величины вклад в θ_F (табл. 1.1), причем другого знака, чем Bi³⁺, Рг³⁺ и Nd³⁺. В связи с этим удельное фарадеевское вращение в Bi-содержащих МПФГ слабо зависит от типа редкоземельного иона.

Таблица 1.1. Фарадеевское вращение и МО коэффициенты

Состав	λ, мкм	θF ,град/см	A, град/µв	D, град/µв	C, град/µв
Y3Fe5О12	1,152	245	50±3	29 ± 2	0
Eu3Fe5О12	1,152	202	55±3	33 ±2	0
Gd3Fe5О12	1,152	70	42,4 ±1,8	27,1 ±1,3	1 ±0,2
Tm3Fe5О12	1,152	110	23 ±7	12 ± 6	20±4
Tb3Fe5О12	1,152	440	9 ± 15	10± 11	84,4 ±2,5
Y3Fe5О12	0,633	835	493,9	321,3	0
Y3Fe3,07Ga1,93 О12	0,633	0	300,1	203,1	0
Y2,35Bi0,65Fe5 О12	0,633	12 600	419,5	799,5	0
Y1,97Bi1,03Fe5 О12	0,633	19 300	876,3	1394,1	0

Рис. 1.21. Спектры удельного фарадеевского вращения МПФГ системы R_3-хBi_хFe₅O₁₂ с различным содержанием висмута


Спектры θ_F (λ) для МПФГ (R, Bi)₃Fe₅O₁₂ при T = 295 К приведены на рис. 1.21, откуда видно, что в области λ<0,450 мкм (где знак эффекта Фарадея положительный) в отличие от области λ> 0,450 мкм значения θ_F при большом содержании Bi достигают нескольких сотен тысяч градусов на сантиметр, т. е. сравнимы со значениями θ_F в металлических ферромагнетиках. Спектры θ_F для поликристаллических пленок, полученных катодным распылением, практически совпадают со спектрами МПФГ идентичного состава. Индуцированный висмутом вклад в θ_F имеет независимо от его содержания одинаковую спектральную зависимость (рис. 1.22), описываемую соотношением θ_Fλ²λ₀²/(λ²-λ₀²)², характерным для переходов с диамагнитной формой линии.


Рис. 1.22. Спектры удельного фарадеевского вращения Bi-содержащих МПФГ: 1 –Gd_1,35Bi_1,65Fe₅O₁₂(χ=10); 2 – Lu_1,29Bi_1,71Fe₄Ga₁O₁₂(χ=6,8); 3 - Lu_1,91Bi_1,09Fe_3,95Ga_1,05O₁₂ (χ=4).

1.4.1.4 Магнитооптическая добротность.

Для большинства магнитооптических устройств требуются материалы одновременно с сильным фарадеевским вращением и низким оптическим поглощением, т. е. с высокой МО добротностью.

Спектральная зависимость Ψ для Bi-содержащих МПФГ обнаруживает максимумы вблизи значений 0,560; 0,780 и 1,1 мкм в соответствии со спектральной зависимостью α на рис. 1.23. Введение в состав МПФГ диамагнитных ионов (Ga³⁺, Аl³⁺) приводит к одновременному снижению θ_F и а, в результате чего параметр Ψ слабо зависит от таких замещений. Присутствие примесей свинца ведет к появлению дополнительного поглощения в области коротких длин волн (λ<0,8 мкм), в результате чего максимум Ψ в области λ = 0,56 мкм исчезает. С другой стороны, в ближней ИК области дополнительное поглощение Pb-содержащих пленок близко к нулю, в результате чего параметр достигает в этом диапазоне рекордно высоких значений (50 град/дБ при λ = 0,8 мкм и более 300 град/дБ при λ = 1,3 мкм).



Рис. 1.23. Спектры поглощения α, удельного фарадеевского вращения θ_F и магнитооптической добротности Ψ для МПФГ составов Lu₂Bi₁Fe₄Ga₁O₁₂ (а) и Lu_1,5Bi_1,5Fe₄Ga₁O₁₂ (б), содержащих (1, 3) и не содержащих (2, 4) свинец.
1.4.1.5 Намагниченность насыщения.

Намагниченность насыщения M_s феррит-гранатов определяется магнитными моментами подрешегок. Магнитные моменты а- и d-подрешеток в первом приближении противоположно направлены, поэтому если в с-подрешетке нет магнитных ионов, то равна разности намагниченностей этих подрешеток, а если в с-подрешетку входят магнитные редкоземельные ионы, то к этой разности добавляется намагниченность с-подрешетки, направленная для всех ионов, кроме Nd³⁺ и Рr³⁺, противоположно намагниченности d-под- решетки. Значения M_s для ряда простых феррит-гранатов приведены в табл. 1.2. 

Таблица 1.2. Параметры феррит-гранатов R₃Fe₅О₁₂ (T=300 К)

R	Ms, кА/м
Sm	133,3
Еu	93,3
Gd	4,5
Tb	15,6
Dy	29,9
Y	140,6
Но	70,2
Еr	98,8
Тm	111,1
Yb	123,7
Lu	144,4

1.4.1.6 Магнитная анизотропия.

Константа одноосной анизотропии в МПФГ имеет ростовую K_одн.р и K_одн.м магнитострикционную компоненты. Магнитострикционный компонент определяется соотношением :



где Е — модуль Юнга и ν_П — коэффициент Пуассона; — рассогласование параметров решетки пленки и подложки в направлении нормали к пленке.

Ростовый компонент одноосной анизотропии МПФГ в общем случае возникает вследствие нестатистического упорядочения ионов в структуре граната:

- редкоземельных ионов в с-подрешетке (в Sm- и Еu-содержащих МПФГ) K_одн.р > 0, а в Рr- и Nd-содержащих МПФГ K_одн.р <0);

- немагнитных ионов в с-подрешетке, например Bi³⁺ и РЬ²⁺ , вызывающих упорядочение ионов Fe³⁺ в а- и d-подрешетках;

- ионов переходных металлов в а- и d-подрешетках (в Со- и Ir-содержащих МПФГ K_одн.р > 0, а в Ru-содержащих K_одн.р <0);

- немагнитных ионов в а- и d-подрешетках, вызывающих упорядочение ионов Fe3+.

В Bi-содержащих МПФГ доминирует второй из перечисленных механизмов наведенной ростовой анизотропии, причем K_одн.р может достигать 20 кДж/м³. Эти пленки характеризуются одновременно высокими подвижностью доменных стенок, скоростью насыщения и содержанием висмута, что позволяет рассматривать их как лучший материал для быстродействующих МО устройств.

1.4.2 Ортоферриты.

Ортоферриты описываются общей формулой RFeО₃, где R — редкоземельные элементы, и относятся к классу слабых ферромагнетиков. Эти материалы близки к антиферромагнетикам, т. е. магнитные моменты подрешеток в них почти полностью скомпенсированы. Намагниченность ортоферритов весьма мала и определяется только слабой неколлинеарностью магнитных моментов подрешеток. В связи с этим энергия полей размагничивания в ортоферритах на два-три порядка меньше энергии анизотропии. Ортоферриты являются орторомбическими кристаллами. Они являются оптически двуосными и обладают большим двупреломлением. Если падающая на продольно намагниченный кристалл ортоферрита волна линейно поляризована, то на выходе из кристалла волна становится эллиптически поляризованной, при этом большая ось эллипса повернута на угол θ_Э по отношению к направлению линейной поляризации падающей волны. θ_Э является осциллирующей функцией длины волны. Двупреломление ортоферритов существенно ограничивает углы поворота плоскости поляризации при распространении света вдоль оси слабого ферромагнетизма. При λ = 0,63 мкм, где прозрачность ортоферрита достаточно высока, значение θ не превышает 1,5—2°. Это приводит к невысокому оптическому контрасту наблюдаемых с помощью эффекта Фарадея доменных структур. Для ортоферритов оптические оси, при распространении света вдоль которых влияние двупреломления на θ исчезает, лежат в плоскости (100) и на длинах волн 0,63 и 1,15 км составляют с осью (001) углы 52 и 47° соответственно. Вследствие этого имеется ненулевая проекция слабого ферромагнитного момента этих кристаллов на направление их оптических осей.

При рассмотрении спектров поглощения ортоферритов и их особенностей удобно проводить параллели с оптическими спектрами поглощения Y₃Fe₅O₁₂. На рис. 1.24 приведены спектры поглощения монокристаллов Y₃Fe₅O₁₂ (кривые 1) и YFe0₃ (кривые 2) в широком спектральном диапазоне. Для обоих материалов в области λ<0,5 мкм поглощение весьма велико (α>10³ см^-1). Механизм такого поглощения связан с переходами с обменом зарядом между кислородом и ионами железа. В диапазоне 0,5—1,2 мкм у обоих материалов наблюдаются хорошо разрешенные полосы поглощения с интенсивностью 10²—10³ см^-1, соответствующие электродипольным переходам ионов Fe³⁺ в кристаллическом поле. В ортоферритах, в структуре которых есть лишь октаэдрический тин окружения ионов Fe³⁺ ионами кислорода, число этих полос меньше, а промежутки между ними выражены более ярко, чем в феррит-гранатах, имеющих окта- и тетраэдрический тип окружения ионов Fe³⁺ ионами кислорода. В области 1,2—6 мкм для ортоферритов, как и для феррит-гранатов, имеет место окно прозрачности, где поглощение мало (α<1 см^-1) и определяется примесями и разного рода несовершенством образцов. В области 10—100 мкм поглощение весьма интенсивно и связано с колебательным спектром молекул ортоферрита. Высокочастотный край этой области у ортоферритов несколько сдвинут в сторону длинных волн. В области >100 мкм вплоть до СВЧ диапазона ортоферриты, как и феррит-гранаты, обладают высокой прозрачностью, а уровень поглощения в них малочувствителен к дефектам кристаллической решетки.



Рис. 1.24. Спектры поглощения феррит-граната (1) и ортоферрита (2) иттрия
В диапазоне 0,55—1,2 мкм приТ = 300 К у всех ортоферритов наблюдаются две широкие полосы поглощения с максимумами при 10 000 и 14 200 см^-1, обусловленные электронными переходами ионов Fe³⁺ в октаэдрических позициях. На указанные широкие полосы поглощения во многих ортоферритах накладывается тонкая структура полос поглощения редкоземельных ионов.

Введение в ортоферриты немагнитных ионов Аl³⁺ и Ga³⁺ приводит к разбавлению железных подрешеток, снижению обменного взаимодействия и росту прозрачности в видимом диапазоне.

Введение в ортоферриты нетрехвалентных ионов (Са²⁺ , Si⁴⁺ ), как и следовало ожидать, резко снижает прозрачность за счет образования эквивалентных концентраций ионов Fe⁴⁺ и Fe²⁺. Таким образом, при синтезе ортоферритов следует избегать попадания в их структуру ионов с валентностью, отличной от трех.

Спектры поглощения ортоферритов имеют сильную зависимость от температуры. С ростом температуры край фундаментального поглощения резко сдвигается в область длинных волн. Наблюдается незначительное смещение пиков поглощения в область длинных волн. Уровень поглощения в центре полос с ростом температуры практически не меняется, что указывает на путь повышения термостабильности магнитооптических устройств на базе ортоферритов: для этого рабочую длину волны следует выбирать в окрестности центра полос.

Особенностью ортоферритов являются аномально большие по сравнению с Y3FesOi2 абсолютные значения θ_F, несмотря на то что намагниченность насыщения ортоферритов приблизительно в 20 раз ниже.

В большинстве ортоферритов из-за большого естественного двупреломления фарадеевское вращение, пропорциональное толщине образца, наблюдается только при распространении света вдоль оптической оси, т. е. под углом 50° к оси (001). В YFeO₃ θ_F, измеренное в такой геометрии, достигает 4000 град/см в районе λ = 0,6 мкм и убывает с ростом длины волны по закону, близкому к λ^-2 (рис. 1.25). В сложнозамещенных составах с близким к нулю двупреломлением (например, в Nd_0,8Pr_0,2FeO₃) при распространении света вдоль оси (001) θ_F пропорционально толщине и достигает 8000 град/см в области λ = 0,6 мкм. Спектральная зависимость θ_F слабо зависит от состава ортоферритов. Значение Ψ в Nd_0,8Pr_0,2FeO₃достигает 14 град/дБ при λ = 0,62 мкм, что превышает значения Ψ для всех известных магнетиков с Т_Н выше комнатной температуры.



Рис. 1.25. Спектры удельного фарадеевского вращения θ_F (сплошные линии) и МО добротности Ψ (штриховые линии) ортоферритов YFeO₃ И Nd_0,8Pr_0,2FeO₃
В связи с тем, что ортоферриты с близким к нулю двупреломлением содержат крупные ионы цериевой подгруппы, при выращивании из раствора-расплава РЬО—PbF₂ они растворяют в себе значительное количество свинца. Поглощение при этом в видимом свете становится недопустимо высоким.

Отличительной особенностью ортоферритов являются высокие подвижность и скорость движения доменных структур, являющиеся следствием ромбических искажений в структуре ортоферрита, делают ортоферриты привлекательными для использования в быстродействующих магнитооптических устройствах.
Возможности управления магнитными свойствами и параметрами доменной структуры в ортоферритах существенно более ограничены по сравнению с феррит-гранатами. Вследствие ограниченных пределов растворимости большинства ионов в ортоферритах не удается в заметных пределах изменять намагниченность, анизотропию, размеры доменов. Все это сужает спектр возможных применений ортоферритов в устройствах управления параметрами светового пучка [1].