МАГНИТНОЕ ЗЕРКАЛО Советский патент 1995 года по МПК G02F1/09 

Изобретение относится к оптическим фазовым невзаимным элементам (ФНЭ), основанным на использовании магнитооптических явлений, а именно к магнитным зеркалам, работающим на основе поперечного (или экваториального) магнитооптического эффекта Керра, и может найти применение, например, в лазерных гироскопах.

Целью изобретения является увеличение фазовой невзаимности магнитного зеркала без увеличения потерь в нем.

На фиг. 1 схематически изображено в разрезе предлагаемое магнитное зеркало; на фиг. 2 зависимости модуля фазовой независимости и потерь G в зеркале от толщины d ферромагнитного слоя для двух углов α падения световой волны на магнитное зеркало ( α 30 и 45^о); на фиг. 3 зависимость величины от толщины d ферромагнитного слоя (R_o коэффициент отражения зеркала).

Магнитное зеркало содержит обычную для лазерных зеркал стеклянную или кварцевую подложку 1, на которую нанесено многослойное оптически "глухое" диэлектрическое зеркало 2, состоящее из нечетного числа чередующихся четвертьволновых слоев с разными показателями преломления (например, ZnS и MgF₂, TiO₂ и SiO₂), причем верхний слой этой многослойной диэлектрической структуры имеет больший показатель преломления. На диэлектрическом зеркале 2 расположена оптически тонкая пленка-слой 3 поглощающего ферромагнетика, имеющая толщину d= 6-10 нм, с осью легкого намагничивания в плоскости пленки. В качестве ферромагнетика можно использовать железо или кобальт. Внешнее магнитное поле H прикладывается к магнитному зеркалу перпендикулярно плоскости падения встречных волн.

На волне 0,63 мкм в лазерных гироскопах усиление в активной среде существенно меньше, чем на 1,15 мкм, поэтому требуются магнитные зеркала с весьма малыми потерями G (G ≲ 1-1,5%). Для уменьшения потерь в магнитном зеркале на волне 0,63 мкм на ферромагнитный слой 3 может быть нанесено диэлектрическое покрытие 4 (2-х, 4-х или 6-слойное) из четвертьволновых слоев с разными показателями преломления, аналогичных четвертьволновым слоям в диэлектрической структуре, причем ближайшим к ферромагнитному слою должен быть слой с меньшим показателем преломления. Диэлектрическое покрытие 4, кроме уменьшения потерь в магнитном зеркале, одновременно уменьшает и фазовый невзаимный эффект таким образом, что величина Ψ постоянна, а следовательно, а заявляемом магнитном зеркале фазовая невзаимность при аналогичных, как и в магнитном зеркале, являющемся прототипом, потерях по-прежнему имеет большую величину.

Магнитное зеркало работает следующим образом.

Встречные световые волны, линейно поляризованные в плоскости падения, падают на намагниченный оптически тонкий ферромагнитный слой 3. Часть света отражается от передней границы 5 ферромагнитного слоя 3, приобретая невзаимный фазовый сдвиг вследствие эффекта Керра, а часть света проходит через этот слой и далее отражается от многослойного диэлектрического зеркала 2; при этом отражение света от нижней границы 6 ферромагнитного слоя 3 также создает фазовый невзаимный сдвиг. В слое 3 происходит многолучевая интерференция света.

Магнитное зеркало как ФНЭ характеризуется фазовой невзаимностью ΔΦ и потерями G в нем. Существенным для получения малых потерь в зеркале является расположение ферромагнитного слоя 3 на многослойном диэлектрическом зеркале 2, на поверхности которого имеет место узел стоячей волны электромагнитного поля, которое образуют падающая и отраженная волны в направлении, перпендикулярном поверхности зеркала. С этой целью верхний четвертьволновый диэлектрический слой в диэлектрическом зеркале 2 должен иметь больший показатель преломления. Это позволяет при многолучевой интерференции света в поглощающем ферромагнитном слое 3 иметь потери значительно меньше, чем те, которые были бы в отсутствие многослойного диэлектрического зеркала 2. С другой стороны, с уменьшением толщины d ферромагнитного слоя уменьшаются потери G в зеркале и величина фазовой невзаимности как показано на фиг. 2, где указанные зависимости построены для магнитного зеркала с железом в качестве ферромагнетика на длине волны 0,63 мкм при углах падения α 30 и 45^о. При d __→ 0 величина ΔΦ __→ 0, а G __→ G_о, где G_о потери в многослойном диэлектрическом зеркале 2. Уменьшение и G с толщиной d происходит неодинаково, как можно видеть из фиг. 3, где изображена зависимость от d (см. сплошные кривые). Величина имеет максимальное значение при толщинах d= 6-10 нм (в зависимости от угла падения α). В случае же больших d, когда ферромагнитная пленка становится оптически "глухой", значение соответствует тому значению, которое имело бы магнитное зеркало-прототип с диэлектрической структурой поверх ферромагнитного слоя, состоящей из четвертьволновых слоев с равными показателями преломления. Пунктирными кривыми на фиг. 3 изображены зависимости (d) для случая, когда учитывается изменение комплексного показателя преломления ферромагнитного слоя 3 при уменьшении толщины d, наблюдаемое на опыте. Аналогичный вид имеют зависимости (d), G(d) и (d) и при использовании кобальта в качестве ферромагнетика. Значение в заявляемом магнитном зеркале в 4-6 раз больше, чем в зеркале, являющемся прототипом.

Потери G в заявляемом магнитном зеркале и в прототипе всегда можно сделать одинаковыми за счет выбора различных диэлектриков и изменения числа слоев в диэлектрической структуре, наносимой на ферромагнитный слой 3. Тогда большее значение величины в заявляемом магнитном зеркале означает, что в нем при таких же, как и в прототипе потерях, будет большей величина фазовой невзаимности При угле падения α=30^о заявляемое магнитное зеркало с железной пленкой на волне 0,63 мкм имеет при толщине d=7 нм величину 0,0202 град. и G=1,5% при наличии же двухслойного диэлектрического покрытия 4 из диэлектриков MgF₂и ZnS 0,0085 град. G=0,6% При угле падения α45^о и толщине d=8 нм эти параметры при наличии двухслойного диэлектрического покрытия 4 составляют 0,0213 град. G=1,48% а при 4-слойном диэлектрическом покрытии: 0,0094 град. G=0,66%

МАГНИТНОЕ ЗЕРКАЛО, содержащее последовательно расположенные подложку, поглощающий ферромагнитный слой и многослойную диэлектрическую структуру в виде чередующихся слоев с большими и меньшими показателями преломления, отличающееся тем, что, с целью увеличения фазовой невзаимности зеркала без увеличения потерь в нем, между ферромагнитным слоем толщиной 6 10 нм и подложкой размещена дополнительная отражающая диэлектрическая многослойная структура, в которой ближайший к ферромагнитному слою диэлектрический слой характеризуется большим показателем преломления.