Действие света (стр. 2 из 3)

На рис. 17 показан пример размещения акустооптйческого прибора внутри оптической интегральной схемы. Здесь поверхностной ультразвуковой волной модулируется свет в оптическом волноводе.

5. Магнитооптический эффект

Магнитооптический эффект - это изменение оптических свойств вещества в зависимости от его намагниченности или от силы приложенного к нему магнитного поля. Под оптическими свойствами следует понимать отражение, пропускание, поляризацию света и другие явления. Среди магнитооптических эффектов с изменением отражения или пропускания света различают эффект Фарадея и эффект Керра. Вещества, в которых наблюдается магнитооптический эффект, называют магнитооптическими материалами. Среди них ферримагнетики, имеющие в структуре магнитные атомы, - Y3Fe5O12(YIG), CdFe3O12, а также ортоферриты, образующие цилиндрические магнитные домены, - MnBi, EuO, CdTbFe.

В магнитооптических материалах, помещенных в магнитное поле, возникает циклотронное левостороннее (если смотреть по направлению вектора поля) вращение электронов в плоскости, перпендикулярной вектору поля.

Из магнитооптического вещества может возникнуть разность фаз между составляющими, что приводит к повороту плоскости поляризации. Угол поворота

пропорционален напряженности магнитного поля Н и пути l, пройденному светом в веществе. Зависимость имеет вид = VHlКоэффициент пропорциональности Vназывают постоянной Верде. В приборах на основе магнитооптического эффекта используют материалы с высокими значениями постоянной Верде. На рис. 18 показано прохождение света через прозрачный магнитооптический материал. Если поляризатор на входе и анализатор на выходе показанного прибора расположены взаимно перпендикулярно, то проходящий свет можно модулировать, изменяя угол Фарадея, зависящий от напряженности магнитного поля. Однако так как быстрое изменение магнитного поля затруднено, то для модуляции света больше подходит электрооптический и акустооптический эффект.

Магнитооптический эффект Керра с успехом применяют для считывания информации из памяти на оптических дисках, позволяющих перезапись, и памяти на цилиндрических магнитных доменах, имеющей высокую плотность (рис. 19).

6. Нелинейный оптический эффект

Когда свет (электромагнитные волны) входит в какое-либо вещество, электроны атомов и молекул вещества сдвигаются полем волн, образуя дипо-ли, колеблющиеся в такт колебаниям этого поля. В свою очередь, колебания диполей создают электромагнитные колебания с такой же частотой, длиной волны и скоростью распространения, как и у возбуждающего излучения. Коэффициентом пропорциональности между поляризуемостью вещества и напряженностью электрического поля служит показатель преломления, зависящий от вещества. Но появились лазеры - источники когерентного излучения с высокой интенсивностью, т. е. с большой амплитудой колебаний, а в результате - нелинейные отклики на облучение, искажающие линейные зависимости в наблюдаемых явлениях. Такие случаи назвали нелинейными оптическими эффектами. Помимо поляризации вещества, пропорциональной силе приложенного поля, возникла нелинейная поляризация второго порядка пропорциональная квадрату силы поля и вызывающая такие явления, как удвоение частоты излучения, сложение частот двух излучений, параметрическое излучение и др. Кроме поляризации второго порядка может возникнуть нелинейная поляризация третьего порядка, вызывающая утроение частоты, искажение коэффициента преломления, вынужденное рамановское рассеяние и другие явления.

Генерация второй гармоники - получение излучения с удвоенной частотой (рис. 20,а) при облучении нелинейного оптического кристалла лазером. Например, для практических нужд излучение неодимового лазе-ра в ближней инфркрасной области (1,06 мкм) преоб-разуют в видимое излучение (0,53 мкм).

В кристалле, не имеющем зеркальной симметрии, поляризация зависит от знака вектора поля. Если к кристаллу приложить синусоидальное поле (свет), то возникнет частично нелинейная поляризация. В результате этого в излучении диполей помимо основной частоты наблюдаются колебания с удвоенной частотой. Это и есть гармоники второго порядка. Для получения хорошего коэффициента удвоения необходимо согласование фаз и совпадение фазовых скоростей в излучении основной частоты и высших гармоник, чего можно добиться, используя кристаллы с двойным лучепреломлением. Аналогичным способом осуществляют, генерацию третьей гармоники.

Если нелинейный оптический кристалл поместить в оптический резонатор и производить накачку лазерным излучением с частотой со, то на выходе резонатора будет излучение с двумя частотами

, удовлетво-

ряющими соотношению

Это явление

параметрического излучения (рис. 20,б). Оптическое смешение - это явление с эффектом, обратным предыдущему. Здесь при облучении с двумя частотами

на выходе из кристалла получится излучение с частотой (рис. 20, б). Это происходит

благодаря многофотонному поглощению, когда вместо нескольких поглощенных квантов испускается один с более высокой энергией. Показатель преломления вещества обычно не зависит от амплитуды световых волн, но большие амплитуды вызывают его изменение (рис. 20, г). В результате световой луч в веществе начинает «сходиться». Это явление нелинейной оптики называют автофокусировкой.

7. Эффект Рамана

Эффектом Рамана (рис. 21) называют рассеяние монохроматического излучения в веществе, При котором в спектре рассеянного света появляются новые, характерные для данного вещества линии, отличающиеся от спектральной линии источника. Это явление впервые в 1928 г. обнаружил индийский физик Раман. Если направлять на вещество сильный когерентный свет, например свет лазера, то наблюдается сильное рамановское рассеяние с выраженной направленностью. Это явление, названное вынужденным рамановским рассеянием, впервые обнаружил Вудбьюри (Woodbury) в 1962 г. Явление, открытое Раманом, в отличие от вынужденного рамановского рассеяния стали называть естественным римановским рассеянием.

.

Эффект Рамана отражает обмен энергией между светом и веществом. Фотон с энергией

либо отдает часть энергии веществу, либо на столько же повышает свою энергию за счет вещества. Энергия рассеянных фотонов становится равной либо . Первый случай называют стоксовым, а второй - антистоксовым излучением. Обычно интенсивность стоксового излучения выше, чем антистоксового. Энергия света в твердом теле изменяется вследствие взаимодействия кванта с фононом или плазмоном (рис. 22). При прохождении света через газ или жидкость рамановское рассеяние есть результат взаимодействия квантов с колеблющимися молекулами.

Эффект Рамана - сложное явление, зависящее от различных причин, стал эффективным методом получения различной информации о веществе. В последнее время его используют для оценки структуры полупроводников. Например, наблюдая рамановское рассеяние в кристалле GaAs, имеющем структуру цинковой обманки, в соответствии с правилами отбора видим, что спектры рассеяния от плоскости (100) и от других плоскостей имеют различную поляризацию из-за взаимодействия света с LO-фононами.

Используя это свойство, можно определять ориентацию кристаллической решетки тонких пленок, выращенных эпитаксиально. При наблюдении рамановского рассеяния в смешанных кристаллах, например в кристаллах AlxGa1-xAs, можно, разделив составляющие рассеяния с фононами, характерными для AlAs и для GaAs, определить постоянную х. Кроме этого, эффект Рамана позволяет оценить механические напряжения в поверхностном слое полупроводников и концентрацию носителей в них.

Вынужденное рамановское рассеяние использовали для создания рамановского лазера. Если мощным лазером с энергией квантов ωо облучать такие вещества, как, например, водород, кремний или бензол, и вызывать в них вынужденное рамановское рассеяние, то в спектре рассеяния присутствует стоксова состав.

8. Давление света

1. Давлением света называется механическое действие, производимое электромагнитными волнами при падении на какую-либо поверхность.

2. Согласно электромагнитной теории света давление спета объясняется возникновением механических сил, действующих на электроны, находящиеся на поверхности освещаемого тела, со стороны электрической и магнитной компонент поля световой волны. Электрическое поле световой волны вызывает колебания зарядов в поверхностном слое тела. Магнитное поле действует на эти заряды с лоренцевой силой, направление которой совпадает с направлением вектора Пойнтинга световой волны. Величина давления света, оказываемого на некоторую поверхность нормально падающим на нее параллельным пучком света, определяется абсолютной величиной вектора Пойнтинга.