1.4. Оптические свойства магнитооптических гранатовых пленок

Основные оптические свойства магнитооптических гранатовых пленок описываются эффектом Фарадея и поглощением в материале [6, 12, 15—18].

Эффект Фарадея, как кратко изложено в разд. 1.2, возникает из-за того, что материал имеет различный показатель преломления для света с круговыми поляризациями по часовой и против часовой стрелок. Фарадеевское вращение плоскости поляризации В пропорционально оптическому пути в среде

где удельный угол поворота плоскости поляризации приходящийся на единицу длины, является функцией длины волны, что показано на рис. 1.10 для типичного магнитооптического граната.

Рис. 1.10. Коэффициент поглощения а, удельный угол поворота плоскости поляризации 0? и показатель качества материала типичной магнитооптической пленки с высокой степенью замещения висмутом.

Кроме того, магнитооптический материал обнаруживает поглощающие свойства, описываемые коэффициентом поглощения а. Видно, что а, так же как и удельный угол поворота плоскости поляризации, возрастает при переходе в голубую область спектра. Как показано на рис. 1.10, оба параметра определяют теоретический коэффициент пропускания и контраст модулирующей системы.

1.4.1. Теоретический коэффициент пропускания монохроматического света

В рамках нижеизложенного полный коэффициент пропускания определяется отношением интенсивности света на выходе анализатора к интенсивности неполяризованного света на входе поляризатора.

Если предположить, что все оптические поверхности в схеме покрыты идеально просветляющими покрытиями, тогда полный коэффициент отражения определяется только двумя состояниями намагниченности и пятью параметрами:

а) коэффициентом поглощения магнитооптического материала, заданным в

б) удельным углом поворота плоскости поляризации магнитооптического материала, заданным в градусах/см;

в) толщиной магнитооптического слоя

г) углом между осью анализатора и осью у (рис. 1.3);

д) коэффициентами пропускания и поляризатора и анализатора для кристаллических поляризаторов и обычно 70—80% для поляризующих пленок).

В зависимости от двух состояний намагниченности полный коэффициент пропускания задается выражениями

и

Коэффициент пропускания описывает «пропускающее» свет состояние устройства, а — соответственно «запирающее» состояние. Отношение называется оптическим контрастом переключения С.

Следовательно, эта величина определяется только параметром материала и углом поворота анализатора

Так как параметры материала зависят от длины волны света X, то и С имеют вид

При заданной длине волны к контраст переключения и коэффициент пропускания могут быть оптимизированы в зависимости от толщины магнитооптической пленки. Это дает при

Таким образом, максимум является функцией параметра который соответственно называется показателем качества материала (ПКМ). На рис. 1.10 также показана зависимость ПКМ от длины волны света.

На рис. 1.11 представлены зависимости от ПКМ коэффициента пропускания и величины фарадеевского вращения плоскости поляризации необходимой для достижения максимума пропускания.

В настоящее время ПКМ получаемых в лабораторных условиях материалов составляет в видимой области менее 50°.

еличина ПКМ пропорциональна количеству введенного висмута, однако высокая степень содержания висмута приводит к очень высокой степени анизотропии, что затрудняет процесс переключения (см. разд. 1.5). Заметим, что за счет использования максимально возможной степени замещения висмутом в лабораторных условиях для видимой области спектра удалось

Рис. 1.11. Зависимости максимального значения коэффициента пропускания и оптимальной величины фарадеевского вращения от показателя качества материала.

Рис. 1.12. Эффективность пропускания света пленкой поляр для линейно-поляризованного света на входе устройства в зависимости от периода решетки кристалла. (ГГГ — гадолиниево-галлиевый гранат; БПР — материал с большим периодом решетки; ОБПР — материал с очень большим периодом решетки.)

достичь величины равной 60°. Однако эти материалы еще далеки от совершенства и содержат некоторое количество свинца, увеличивающего поглощение. Теоретически наивысший ожидаемый коэффициент пропускания этого класса материалов может составлять 13% [6, 13, 17].

При использовании лазерного излучения, уже являющегося линейно поляризованным, коэффициент пропускания будет вдвое выше того, который указан на рис. 1.11: поляр

В лабораторных условиях для новейших низкопоглощающих, не содержащих свинца пленок с просветляющими покрытиями, при работе с полупроводниковыми инжекционными лазерами на длине волны нм были получены очень высокие коэффициенты пропускания поляр более 65% при оптимизированной толщине (ПКМ при этом составлял 230°). Эти пленки относят к классу пленок с большим периодом решетки (БПР), в которых период решетки увеличивается пропорционально увеличению содержания висмута. Возможны методы дальнейшего увеличения периода решетки и увеличения содержания висмута, приводящие к дальнейшему увеличению поляр до значений, превышающих 95% в ближней ПК области лазерного излучения, 90% для линии спектра в 589 нм и 60% для зеленой линии в 546 нм. Эти планируемые к использованию составы пленок относят к классу материалов с очень большим периодом решетки (ОБПР) (рис. 1.12) [19]. Последние работы по ионной имплантации открыли пути к увеличению анизотропии, так что можно надеяться, что низкие переключающие поля все же будут достигнуты [20].