Поляритоны и нелинейные оптические эффекты в магнитоупорядоченных кристаллах тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

НАЦИОНАЛЬНАЯ АКАДЕМИЯ НАУК УКРАИНЫ ДОНЕЦКИЙ ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ им. А.А.ГАЛКИНА

Р Г Б ОД на правах рукописи

1 5 ДЕК. 1958

ЛЮВЧАНСКИЙ Игорь Леонидович

ПОЛЯРИТОНЫ И НЕЛИНЕЙНЫЕ ОПТИЧЕСКИЕ ЭФФЕКТЫ В МАГНИТОУПОРЯДОЧЕННЫХ КРИСТАЛЛАХ

Специальность 01.04.07 - физика твердого тела

' АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

ДОНЕЦК - 1996

Диссертация является рукописью.

Работа выполнена в Донецкой физико-технической институте им. А.А. Галкина Национальной Академии Наук Украины

Официальные оппоненты: чл.-корр. HAH Украины, доктор физико-

Ведущая организация: Киевский университет им.Тараса Шевченко

Защита состоится 12 декабря 199Б г. в 10.30 часов на заседании Специализированного Совета Д 06.11.01 при Донецкой физико-техническом институте им. A.A. Галкина HAH Украины (340114, Донецк-114, ул.Р.Люксембург, 72).

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке ДонФТИ им. А.А. Галкина НАН Украины.

Автореферат разослан и ноября 1996 г. Ученый секретарь

Специализированного Совета Д 06.11.01 канд.физ.-мат.наук, ст.н.с.

математических наук, профессор Харченко Н.Ф.

доктор физико-математических наук, профессор Фекешгази И.В. доктор физико-математических наук Стефановский Е.П.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность темы.

Одним из основных направлений исследований в современной физике твердого тела является изучение физических свойств магнитоупорядоченных кристаллов. Большое внимание в этих исследованиях уделяется оптике магнетиков. С одной стороны это обусловлено тем, что оптические методы позволяют получать информацию о магнитной структуре и динамических характеристиках спиновой подсистемы кристалла с достаточно высокой точностью. С другой стороны - это широкое применение магнитных материалов в интегральной оптике и квантовой электронике, например, в качестве магнитооптических волноводов, фазовращателей и других устройств.

К настоящему времени выполнен достаточно большой объем теоретических и экспериментальных исследований по оптике магнитных материалов. Хорошо изучены эффекты прохождения, отражения и поглощения света в магнетиках; рассеяние света на спиновых волнах; фотостимулированные процессы в магнитных материалах.

Тем не менее, в магнитооптике существует значительный круг проблем, которые либо не исследовались ранее вообще, либо были изучены недостаточно полно.

К ним, в первую очередь, следует отнести нелинейную оптику магнетиков. Например, такие трех- и четырехфотонные эффекты как индуцированная магнитным упорядочением генерация второй оптической гармоники, гиперкомбинационное рассеяние света на спиновых волнах и магнитных: поляритонах, нелинейный эффект Фарадея. Несмотря на то, что нелинейные оптические явления в немагнитных твердых телах изучаются достаточно интенсивно с начала 60-х годов, работы по нелинейной оптике магнитоупорядоченных веществ к моменту начала наших исследований практически отсутствовали. Этот факт явился одним из основных стимулов к началу исследований по нелинейной оптике магнетиков. Другим не менее важным обстоятельством, продолжающим стимулировать соответствующие исследования, является существенный рост в возможностях оборудования, которое испо-

льзуетея в современных нелинейно-оптических и магнитоптичес-ких экспериментах. Именно этот прогресс в физическом приборостроении и высокое мастерство эхспериме^аторов позволили впервые успешно наблюдать нелинейные оптические эффекты в магнитоупорядоченных материалах. В первую очередь это индуцированная магнитным упорядочением генерация второй оптической гармоники как в тонких пленках ферромагнитных металлов и магнитных диэлектриков, так в пластинах и объемных образцах ферритов- гранатов, сегнатомагнитных и магнитоэлектрических кристаллах (для поглощающих веществ в геометрии "на отражение", для прозрачных в соответствующем диапазоне длин волн -в геометрии "на просвет"). Такие необходимо отметить уверенную регистрацию эффекта нелинейного (по интенсивности падающего света) вращения плоскости поляризации электромагнитной волны в полумагнитных полупроводниках.

Другой достаточно широкий круг проблем, изученных в диссертации, посвящен исследованию распространения нормальных электромагнитных волн в среде (поляритонов) в однородных и слоистых магнитоупорядоченных веществах. Несмотря на то, что в указанном научном направлении проведены многочисленные исследования, ряд вопросов либо изучен недостаточно полно, либо не рассматривался ранее вообще.

Здесь нужно выделить круг задач, посвященных феноменологическому и микроскопическому описанию распространения электромагнитного излучения в бигиротропных магнитных веществах. Эти соединения характеризуются недаагональными тензорами диэлектрической и магнитной проницаемостей. И, как следует из результатов соответствующих экспериментов, в определенном диапазоне длин волн недиагональные компоненты каждого из тензоров дают сравнимый вклад в такой магнитооптический эффект, как фарадеевское вращение. Наиболее характерным представителем бигиротропных магнитных кристаллов является ае-лезо-иттриевый гранат УдРе^О^, который проявляет соответствующие свойства в ближнем инфракрасном диапазоне длин волн электромагнитного излучения. Наряду с бигиротропными рассмотрены и магнитоэлектрические кристаллы, т.е. такие соединения, в которых электрическая и магнитная подсистемы связаны непосредственным образом. Классическим примером магнитоэлектрического кристалла является четырехподрешеточный антиферромагнетик Сг203 . Несмотря на то, что исследования по опти-

ке бигиротропных и магнитоэлектрических сред проводились и ранее, к моменту начала наших исследований значительное число вопросов еще не было изученО. Это относится как к однородным, так и к слоистым бигиротропным и магнитоэлектрическим веществам.

Из вышеизложенного следует, что исследования, результаты которых составляют содержание диссертации, актуальны. Это обусловлено тем, что соответствующие научные работы направлены как на изучение новых магнитоптических эффектов, фактически выделившихся в новое научное направление - нелинейную оптику магнетиков и стимулирующих постановку соответствующих экспериментов, так и на дальнейшее развитие ухе известных представлений о распространении электромагнитного излучения в однородных и слоистых магнитоупорядоченных веществах.

С другой стороны актуальность научных исследований подтверждается тем, что они включены в программу европейского научного сотрудничества "Запад - Восток" по программе ШТЛЗ, а также фактом цитирования ключевых публикаций, в которых изложено основное содержание диссертации, в ведущих физических журналах мира, обзорных статьях и монографиях.

Цель диссертационной работы.

Настоящая диссертационная работа посвящена теоретическим исследованиям новых магнитооптических эффектов в магнитоупорядоченных веществах. При описании соответствующих явлений используются как феноменологический, так и микроскопический подхода. Если феноменологическая теория позволяет описать тот или иной эффект в общих чертах, то микроскопическая теория дает возможность выделить конкретный механизм взаимодействия, ответственный за соответствующее явление,

В качестве объектов исследования были выбраны такие кристаллы, как бигиротропный в ближнем инфракрасном диапазоне железо-иттриевый гранат У3?е5012, четырехподрешеточный магнитоэлектрик Сг20д, ыногоподрешеточные редкоземельные перовскиты, высокотемпературные сверхпроводники УВа2Си306+(1 и на2Си04, которые в нормальном состоянии антиферроиагнитно упорядочены.

Научная новизна диссертационной работы определяется следую-

¡щи:

1. Впервые теоретически предсказана возможность наблюдения индуцированной магнитным упорядочением генерации второй оптической гармоники в центросимметричных (в парафазе) кристаллах.

2. Впервые рассмотрено гиперкомбинационное рассеяние света на спиновых волнах. На примере редкоземельных перовс-китов исследованы новые.возможности этого эффекта для изучения динамических свойств магнитной подсистемы кристалла.

3. Впервые проведено корректное описание аффекта нелинейного оптического вращения в магнитных кристаллах.

4. В райках феноменологической теории выполнен последовательный анализ объемных, поверхностных и волноводных электромагнитных возбуждений в однородных и слоистых бигиротроп-ных и магнитоэлектрических средах.

5. Впервые детально изучен эффект полного внутреннего отражения света от границы раздела кубических бигиротропных сред для полярной, продольной и поперечной магнитооптических конфигураций.

6. Впервые построена микроскопическая теория магнитозк-ситонных поляритонов в магнитных диэлектриках и магнитоэлек-триках. В рамках этой теории вычислены тензоры линейной диэлектрической и магнитной проницаемостей, магнитоэлектрической и нелинейной оптической восприимчивостей.

Достоверность результатов, полученных в диссертационной работе, обусловлена следующими факторами:

1. Использованием современных методов теоретической и математической физики для описания широкого круга магнитооптических эффектов.

2. Существованием предельных переходов от полученных в диссертации уравнений и формул к известным ранее решениям аналогичных задач.

3. Качественным и количественным совпадением формул и оценок с результатами, полученными независимо другими исследователями.

4. Непосредственным экспериментальным подтверждением некоторых из эффектов, изученных в диссертации.

£

5. Цитированием публикаций, в которых изложено основное содержание диссертации, в научной периодике.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Теоретическое исследование индуцированных магнитным упорядочением нелинейных оптических аффектов, положенных в основу нового научного направления - нелинейной оптики магнетиков .

2. Описание объемных, поверхностных и волноводных электромагнитных волн в бигиротропных магнетиках в рамках феноменологического подхода.

3. Развитие микроскопической теории магнитоэкситонных поляритонов и ее применение для вычисления линейных и нелинейных оптических характеристик магнетиков.

Научная и практическая ценность работы:

1. Теоретически предсказана возможность наблюдения индуцированной магнитным упорядочением дипольно-активной генерации второй оптической гармоники в магнитоупорядоченных кристаллах. После наших публикаций был проведен ряд экспериментов как в пленках, так и объемных образцах магнитных металлов и диэлектриков, подтвердивший теоретические предсказания.

2. Построена теория гиперкомбинационного рассеяния света на спиновых волнах и показаны возможности нелинейной колебательной спектроскопии для изучения симметрии магнонов в многоподрешеточзшх магнетиках.

3. Развита теория нелинейного оптического вращения плоскости поляризации света в магнитных кристаллах. Соответствующие теоретические предсказания получили подтвервдение в экспериментах, выполненных с использованием полумагнитных полупроводников СДМпТе.

4. Проведено последовательное феноменологическое и микроскопическое описание нормальных электромагнитных волн в бигиротропных и магнитоэлектрических средах. На основе развитого в диссертации представления о магнитоэкситонных поля-ритонах вычислены тензоры нелинейных оптических восприиичи-востей магнитоупорядоченных кристаллов.

Основные результата, полученные в диссертационной работе положены в основу нового научного направления - нелинейной оптики магнетиков.

Результаты работ, которые составляют содержание диссертации, выполнены в рамках научно-исследовательских проектов НАН Украины и FKHT Украины, а также международного гранта INTAS No.94 - 2675 "Nonlinear optical eilects In tbin magnetic film structures".

Апробация диссертации.

Основные результаты диссертационной работы были представлены и докладывались на:

- XVII и XVIII Всесоюзных конференциях по физике магнитных явлений (г.Донецк, 1985г.; г.Калинин, 1988г.).

- XII Всесоюзной, XIII, XIV и XV Международных конференциях по когерентной и нелинейной оптике (г.Москва, 1985г.; г.Минск, 1988г., С.-Петербург, 1991 и 1995г.г.).

- I, II и III Всесоюзных семинарах "Оптика анизотропных сред" (г.Москва, 1986г.; г.Звенигород, 1987 и 1988г.г.).

- VII и X Вавиловских конференциях по нелинейной оптике (г.Новосибирск, 1981 и 1990г.г.).

- II Всесоюзной школе-семинаре "Взаимодействие электромагнитных волн с полупроводниками и полупроводниково-диэлектриче-скими структурами" (г.Саратов, 1988г.).

- XX Всесоюзном съезде по спектроскопии (г.Киев, 1988г.).

- IX и XIII Международных конференциях по Рамановской спектроскопии - ICRS (г.Токио, Япония, 1984г.; г.Вюрцбург, ФРГ, 1992г.).

- IV Всесоюзной конференции по спектроскопии комбинационного рассеяния света (г.Ужгород, 1989г.).

- XIV Всесоюзном (Пекаровском) совещании по теории полупроводников (г.Донецк, 1989г.).

- Международном симпозиуме по магнитооптике (г.Харьков, 1991Г).

- XI Международной конференции по гиромагнитной электронике и электродинамике (г.Алушта, 1992г.).

- Украинско-французском симпозиуме "Конденсированное вещество: наука и промышленность" (г.Львов, 1993г.).

- VI научном семинаре "Физика магнитныых явлений" (г.Донецк, 1993г.).

- 35 и 38 ежегодных конференциях по магнетизму и магнитным материалам - МММ (г.Сан-Диего, ОНА, 1990г., Г.Миннеаполис, США, 1993г.).

- 5 и 6 объединенных конференциях "Магнетизм и магнитные материалы-Интермаг - МЫМ-Intermag" (г.Питтсбург, США., 1991г, г.Альбукерк, США, 1994г.).

- II Международной конференции по явлениям магнитоэлектрического взаимодействия в кристаллах - MEIPIC-2" (г.Аскона, Швейцария, 1993г.).

- Международной конференции по физике магнитных явлений -ICM'94 (г.Варшава, Польша, 1994г.).

- XIV международном коллоквиуме по магнитным пленкам и поверхностям - XIV-th ICMFS (Г.Дюссельдорф, ФРГ, 1994г.).

- Международной конференции "Оптическая диагностика материалов и устройств для опто- микро- и квантовой электроники -OPTDIM'95" (г.Киев, 1995г.) - приглашенный доклад.

- Объединенной конференции по лазерам и электрооптике/квантовой электронике и лазерным наукам - CIBO/ÖELS'95 (г.Балтимор, США, 1995г.).

- VI Европейской конференции по магнитным материалам и приложениям - ЕММА'95 (г.Вена, Австрия, 1995г.).

- XII международной конференции по мягким магнитным материалам - SMM12 (Г.Краков, Польша, 1995г.).

- Заседании международной рабочей группы "Нелинейная магнитооптика" (г.Берлин, ФРГ, 1995г.) - приглашенный доклад.

- 15 Общей конференции по физике конденсированного вещества Европейского физического общества - CMD-EPS'96 (г.Бавено-Стреса, Италия, 1995).

- Международном симпозиуме по магнитооптической записи -MQRIS'96 (г.Нордвийхеркоут, Голландия, 1995).

Кроме того результаты диссертации докладывались на научных семинарах в ДонФТИ им.А.А.Галкина HAH Украины, ФТИНИТ им. Б.И.Веркина HAH Украины, ИФ HAH Украины, ИФП HAH Украины, на кафедре квантовой радиофизики Киевского университета им.Тараса Шевченко и кафедре теоретической физики Донецкого государственного университета.

Помимо этого под руководством соискателя подготовлены и успешно защищены две кандидатские диссертации (С.Б.Борисов,

1986г., Н.Н.Дадоенкова, 1994г.). Публикации.

Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 29 статьях в реферируемых журналах [1 - 291 (включая краткий обзор по нелинейной оптике магнетиков С291), список которых приведен в конце автореферата, а также в сборниках тезисов докладов и трудов вышеперечисленных конференций.

Личный вклад автора.

Диссертационная работа содержит результаты теоретических исследований, проведенных непосредственно автором. Во всех статьях, опубликованных по материалам диссертации, автору принадлежит постановка задачи, выбор и разработка методов их решения, интерпретация и обобщение результатов. Соискателем выполнен основной объем исследований.

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из Введения, шести глав и Заключения, а также списка литературы, включающего 293 наименования (в том числе и публикации, результаты которых составляют содержание диссертации). Диссертационная работа изложена на 313 страницах и содержит 10 таблиц и 12 рисунков.

Содержание диссертации.

Во Введении обоснована актуальность темы диссертационной работы и изложено краткое описание научного направления, в рамках которого проводились исследования. Дан краткий обзор научных публикаций, отражающий уровень достижений в области магнитооптики к моменту начала работы над диссертацией. Также сформулированы основные цели и задачи, решению которых посвящена диссертационная работа. Кроме того, в краткой форме представлены основные новые результаты, полученные в диссертации.

В первой главе диссертации "Феноменологическое описание

нормальных электромагнитных волн в однородных магнитоупоря-доченных средах" теоретически исследуются особенности распространения поляритонов (нормальных электромагнитных волн в среде).

В разделе 1.1 приведен обзор публикаций, посвященных теоретическому описанию поляритонов в гиротропных, бигирот-ропных и магнитоэлектрических магнитоупорядоченых средах.

В разделе 1.2 изложены результаты оригинальных исследований распространения электромагнитного излучения в однородной бигиротропной среде, которая характеризуется тензорами диэлектрической и магнитной проницаемостей общего вида. В компактной форме получены уравнения Френеля и выражения для показателей преломления нормальных электромагнитных волн в бигиротропной среде, которые имеют следующий вид:

п^ = 0.5{зр(ец> ± ¡Зр2(ф) - 40еШц)]1/2}, (1)

Л л АА

где Бр(е(х) и - шпур и детерминант свертки двумерных

тензоров диэлектрической 8 и магнитной ц проницаемостей, представленных в ортогональном базисе, связанном с волновым вектором электромагнитной волны й. Также получены уравнения Френеля для магнитоэлектрической среды при одновременном учете тензоров магнитоэлектрической восприимчивости, диэлектрической и магнитной проницаемостей. Показано, что в предельных случаях двуосной, одноосной и кубической негиротропных сред формула (1) приводит к известным выражениям для показателей преломления.

В разделе 1.3 формула (1) применена для нахождения ори-ентационных зависимостей показателей преломления нормальных электромагнитных волн в кубической бигиротропной среде. В явном виде получены выражения для показателей преломления в зависимости от полярного и азимутального углов, определяющих направление волнового вектора электромагнитной волны относительно осей неподвижной системы координат, связанной с бигиротропной средой. Рассмотрены случаи полярной, продольной и поперечной магнитооптических конфигураций, для которых вектор намагниченности в бигиротропной среде направлен вдоль осей О1, ОУ и ОХ соответственно.

В разделе 1.4 теоретически решена задача о вожен вку1,= рением отражении (ПВО) света от границы раздела кубических

бигиротропных сред. В явной виде получены формулы, определявшие углы ПВО света, для полярной, продольной и поперечной магнитооптических конфигураций. Сделаны численные оценки углов ПВО при отражении света от границы раздела железо-иттриевого и гадолнний-галлиевого гранатов в ближнем инфракрасном диапазоне. Показано, что если в случае полярной и продольной магнитооптических конфигураций значения углов ПВО для право- и левополяризованных электромагнитных волн отличаются, то для поперечной магнитооптической конфигурации их величины практически совпадают (различие этих величин появляется лишь в седьмом знаке).

В разделе 1.5 приведены основные результаты, полученные в первой главе, и указаны ссылки на статьи, в которых они опубликованы (7, 9, 111.

Вторая глава диссертации "Феноменологическое описание нормальных электромагнитных волн в слоистых магнитоупорядо-ченных средах" посвящена феноменологическому описанию распространения электромагнитных волн в слоистых бнгиротропных и магнитоэлектрических структурах.

В разделе 2.1 приведен обзор публикаций, посвященных теоретическому описанию объемных, поверхностных и волновод-ных поляритонов в слоистых иагнитоупорядоченых средах.

В разделе 2.2 методом матрицы переноса (Т-матрицы) размерности 4 » 4 в компактной форме получены общие дисперсионные уравнения для поляритонов в двухкомпонентной сверхрешетке, которые позволяют находить закон дисперсии нормальных электромагнитных волн в слоистых бигиротропных и магнитоэлектрических средах. Эти уравнения имеют следующий вид:

А

cos(q1L) + cosiqgL) = 0.5 Sp(T),

(2)

1. + 2cos(q1L)cos(q2L) = 0.25 CSpZ(T) - SpiT2)],

где q1, q2 - волновые векторы поляритонов в сверхрешетке, L - период слоистой структуры.

В разделе 2.3 формулы (2) применены для получения и анализа спектра нормальных электромагнитных волн в бигирот-ропной двухкомпонентоной слоистой структуре для полярной, продольной и поперечной магнитооптических конфигураций. По-

казано, что если в случае полярной я продольной магнитооптических конфигураций поляризация поляритонов имеет достаточно сложный вид, то для поперечной магнитооптической конфигурации нормальные электромагнитные волны в такой структуре могут быть представлены в виде ТИ- и ТЕ-мод. Также на основании формул (2) получены дисперсионные уравнения для слоистой структуры, образованной магнитоэлектриком и немагнитным диэлектриком.

В разделе 2.4 теоретически исследованы поверхностные электромагнитные волны в полуограниченной бигиротропной слоистой структуре, расположенной в полупространстве 2 < 0. Методом эффективной среды получены и проанализированы дисперсионные уравнения для поляритонов в случаях полярной, продольной и поперчной магнитооптических конфигураций. Показано, что только для поперечной магнитооптической конфигурации нормальные электромагнитные волны могут быть представлены в виде ТИ- и ТЕ-мод.

В разделе 2.5 рассмотрена задача о бигиротропнон магнитооптическом волноводе, образованном бигиротропной пластиной толщины Ь, находящейся между негиротропными слоями. Получены и проанализированы дисперсионные уравнения для волноводных иод в бигиротропном слое для полярной, продольной и поперечной магнитооптических конфигураций. Показано, что лишь в случае поперечной магнитооптической конфигурации волноводные поляритоны представляют собой ТМ- и ТЕ-моды.

В разделе 2.6 приведены основные результаты, полученные во второй главе, и указаны ссылки на статьи, в которых они опубликованы [17, 18, 20, 22, 23, 25].

В третьей главе диссертации "Микроскопическая теория нормальных электромагнитных волн в магнитоупорядоченных средах" в рамках микроскопического подхода (метода вторичного квантования) рассмотрен ряд задач об описании поляритонов в бигиротропной и магнитоэлектрической однородных средах.

В разделе 3.1 приведен обзор теоретических публикаций, посвященных описанию поляритонов в магнитоупорядоченных кри-сталах в рамках микроскопического подхода.

В разделе 3.2 построена теория магнитоэкситонных поляритонов в магнитных диэлектриках. С помощью и-? преобразования Боголюбова-Тябликова диагонализован гамильтониан поля

«

излучения и кристаллических элементарных возбуждений. Указанный гамильтониан выражается через операторы вторичного квантования новых .гибридных квазичастиц - магнитозкситонных поляритонов, представляющих собой смешанные состояния фотонов.; экситонов и магнонов. Получены компактные соотношения для.ц~у-коэффициентов, которые позволяют находить выражения для тензоров диэлектрической и магнитной проницаемостей. Также приведен явный вид и-у-коэффициентов для поллритонов, распространяющихся как вдоль оси 02, так и в плоскости ХОУ.

В разделе 3.3 построена теория магнитоэкситонных поляритонов в магнитозлектриках. Также, как и в разделе 3.2, получен явный вид и-у-козффициентов, диагонализугацих поляри-тонный гамильтониан малштоэлектрика, найдены явные выражения для тензоров диэлектрической и магнитной проницаемостей, а также магнитоэлектрической восприимчивости. Ефоме того, вычислены перенормировки тензоров диэлектрической и магнитной проницаемостей, обусловленные магнитоэлектрическим взаимодействием, и определен вклад экситонной и спиновой подсистем в тензор магнитоэлектрической восприимчивости.

В разделе 3.4 приведены основные результаты, полученные в третьей главе, и указаны ссылки на статьи, в которых они опубликованы [2, 4, 11, 13, 27].

В четвертой главе диссертации "Генерация второй оптической гармоники в магнитоупорядоченных кристаллах" изложены результаты теоретических исследований генерации второй гармоники (ГВГ) в различных магнитных кристаллах.

В разделе 4.1 приведен обзор публикаций, посвященных теоретический и экспериментальным исследованиям ГВГ в магнетиках.

В разделе 4.2 в рамках феноменологической теории описан тензор квадратичной оптической восприимчивости, зависящий от магнитной подсистемы кристалла. В этом тензоре выделены линейные и квадратичные по магнитным векторам слагаемые, а также учтен вклад градиентных по намагниченности членов.

В разделе 4.3 проведен симметрийный анализ различных частей тензора квадратичной оптической восприимчивости в редкоземельных перовскитах Ш)3, где В - редкоземельный ион, И - немагнитный (¿1, Са, ...) или магнитный (Ре, Сг, ...) й-ион. Эти кристаллы являются иногоподрешеточными магнетика-

ми в магнитоупорядоченной фазе. Редкоземельные перовскиты центросиыметричны в парамагнитной фазе, поэтому процесс ди-польно-активной ГВГ в них запрещен. Показано, что в случае магнитного упорядочения редкоземельной подсистемы для некоторых представителей семейства редкоземельных перовскитов, например, 1)уА103, процесс ГВГ в дипольном приближении должен быть разрешен (отличные от нуля компоненты зависящих от магнитной подсистемы кристалла тензоров квадратичной оптической восприимчивости приведены в таблицах в конце данного раздела).

В разделе 4.4 исследован процесс дипольно-активной ГВГ в четырехподрешеточном магнитоэлектрике Сг203, который также центросимиетричен в парафазе. Показано, что при температурах Т < Т^ = 308 К (Тн - температура Нееля) эффект ГВГ в Сг203 в дипольном приближении разрешен. Найдены ненулевые компоненты тензора квадратичной оптической восприимчивости, зависящего от магнитной подсистемы кристалла. Данные экспериментов по наблюдению ГВГ в Сг203, проведенных в ФРГ (Phys.Re7.Let., 1994.; ссылка [2283 в диссертации), подтвердили наши теоретические результаты.

В разделе 4.5 изучена форма индуцированного магнитным упорядочением тензора квадратичной оптической восприимчивости в высокотемпературных сверхпроводниках УВа2Си306+й и М2Си0д, которые в нормальном состоянии антиферромагнитно упорядочены. Проведен теоретико-групповой анализ соответствующих тензоров квадратичной оптической восприимчивости в различных антиферромагнитных фазах и найдены ненулевые компоненты этих тензоров в вышеперечисленных высокотемпературных сверхпроводниках.

В разделе 4.6 исследован процесс ГВГ в двухкомпонентной магнитной стверхрешетке, образованной слоями, в которых процесс дипольно-активной ГВГ разрешен. В длинноволновом приближении в рамках модели эффективной среды получены выражения для ненулевых компонент тензоров квадратичной оптической восприимчивости.

В разделе 4.7 изложена феноменологическая теория ГВГ в центросимметричных магнитных пленках с доменной структурой. Показано, что наличие таких магнитных неоднородностей, как доменные границы, которые характеризуются градиентами намагниченности, может быть причиной дипольно-активной ГВГ в цен-

тросииметричных магнитных пленках. Из проведенных оценок следует, что интенсивность сигнала ГВГ пропорциональна суммарной длине доменных границ в освещенной области образца. Результаты исследований, составляющих содержание данного раздела, были стимулированы экспериментами по наблюдению ГВГ в тонких пленках железо-иттриевого граната (J.Ptoys.Cond. Mat., 1993; ссылка [219] в диссертации), в котрых наблюдалась определенная корреляция между наличием доменной структуры в образцах и величиной сигнала ГВГ.

В разделе 4.8 приведены основные результаты, полученные в четвертой главе, и указаны ссылки на статьи, в которых они опубликованы [3, 14, 15, 16, ,19, 26, 28].

В пятой главе диссертации "Рассеяние света на магнитных поляритонах и гиперкомбинационное рассеяние света на спиновых волнах" теоретически исследованы процессы линейного и нелинейного рассеяния света магнитными возбуждениями в кристаллах.

В разделе 5.1 приведен обзор публикаций, посвященных теоретическим и экспериментальным исследованиям линейного и нелинейного неупругого рассеяния света магнитными возбуждениями в однородных средах и слоистых структурах.

В разделе 5.2 представлена микроскопическая теория неупругого рассеяния света спин-фотонными кодами (магнитными поляритонами) в магнитных диэлектриках. В рамках теории маг-нитоэкситонных поляритонов, развитой в третьей главе диссертации, вычислены интенсивность процесса, а также тензор тре-хполяритонного взаимодействия, который характеризует соответствующий эффект.

В разделе 5.3 изложена феноменологическая теория гиперкомбинационного рассеяния света на спиновых волнах в редкоземельных ортоферритах. Учтен вклад линейных и квадратичных по намагниченности нелинейных магнитооптических тензоров в одномагнонное рассеяние света. Исследованы правила отбора для одномагнонного нелинейного рассеяния света и показано, что для определенных магнитных конфигураций в процессе гиперкомбинационного рассеяния будут активны магноны определенной симметрии, которые неактивны в комбинационном рассеянии.

В разделе 5.4 развит метод вычисления тензоров нелиней-

ных магнитооптических восприимчивостей в рамках модели маг-нитоэкситонных поляритонов. При учете спин-орбитального взаимодействия получены выражения для тензоров, описыващих тре-хфотонные эффекты в магнитных диэлектриках. Выполнены оценки величин компонент соответствующих тензоров, которые совпадают с результатами, полученными другими авторами в работах, опубликованных независимо (и позднее) от наших результатов.

В разделе 5.5 расмотрена задача о неупругом рассеянии света спиновыми возбуждениями в слоистых магнитных структурах. Для гиротропной сверхрешетки, намагниченной перпендикулярно границам раздела слоев, в приближении эффективной среды вычислена функция Грина электромагнитной волны. Получены выражения для коэффициентов Френеля в случае, когда падающая и рассеянная волна распространяются в плоскости Х02. Найдено электрическое поле рассеянной электромагнитной волны и вычислена интенсивность неупругого рассеяния света спиновыми волнами в сверхрешетке.

В разделе 5.6 приведены основные результаты, полученные в пятой главе диссертации, и указаны ссылки на статьи, в которых они опубликованы И, 5, 6, 10, 241.

В шестой главе диссертации "Нелинейное оптическое вращение в магнитоупорядоченных средах" изложены результаты теоретических исследований зависящего от интенсивности падающего света вращения плоскости поляризации падащей на магнитный кристалл электромагнитной волны.

В разделе 6.1 приведен обзор публикаций,, посвященных теоретическим и экспериментальным исследованиям эффектов нелинейного оптического вращения в магнитоупорядоченных средах.

В разделе 6.2 вычислено электрическое поле электромагнитной волны в нелинейной кристалле кубической симметрии, намагниченном вдоль оси 02.

В разделе 6.3 получено явное выражение для угла нелинейного оптического вращения, обусловленного различными механизмами взаимодействия электромагнитного излучения с магнетиком.

В разделе 6.4 проведены оценки относительных вкладов различных слагаемых в тензоре кубической оптической восприимчивости в эффект. Изучено влияние внешнего магнитного поля

на угол нелинейного оптического вращения. Показано, что угол нелинейного вращения плоскости поляризации света определяется комбинацией компонент нелинейных оптических и магнитооптических тензоров. Полученные результаты подтверждаются результатами экспериментальных измерений нелинейного эффекта Фарадея в полумагнитном полупроводнике CdMnle (J.Opt.Soc.¿Л!. В, 1992; ссылка [2871 в диссертации).

В разделе 6.5 исследован нелинейный эффект Фарадея в редкоземельных ортоферритах. Получены приближенные формулы, определяющие зависящий от интенсивности падающего света угол нелинейного оптического вращения в ErFeOg для магнитных фаз Гд и IV,. Проведено численное решение соответствующих уравнений и построены полярные диаграммы зависимости углов нелинейного оптического вращения от поляризации падающего света. Сделаны численные оценки соответствующих углов.

В разделе 6.6 приведены основные результаты, полученные в шестой главе диссертации,и указаны ссылки на статьи, в которых они опубликованы [в, 12, 21].

В Заключении сформулированы основные результаты исследований, которые были проведены в процессе работы над диссертацией.

На защиту выносятся следующие результаты:

1. Впервые теоретически предсказана возможность наблюдения индуцированной магнитным упорядочением дипольно-активной генерации второй оптической гармоники в центросим-метричных в парафазе магнитоупорядоченных веществах. Указанный эффект наблюдался в экспериментах на ряде магнитных соединений, в том числе и в магнитоэлектрике СТрОд.

2. Впервые проведено вычисление тензоров нелинейных магнитооптических воспршмчивостей в рамках микроскопической модели при учете спин-орбитального взаимодействия. Выполнены оценки величин компонент соответствующих тензоров, которые хорошо согласуются с результатами других авторов, опубликовании позднее.

3. Впервые теоретически рассмотрена возможность наблю-

дения гиперкомбинавдонного рассеяния света на спиновых волнах. Для редкоземельных перовскитов исследована форма тензора одномагнонного гиперкомбинационного рассеяния света спиновыми колебаниями как в "железной", так и в "редкоземельной" подсистемах.

4. В рамках феноменологической теории разработан алгоритм вычисления показателей преломления бигиротропной среда, которая характеризуется тензорами диэлектрической и магнитной проницаемостей общего вида. Впервые аналитически решена задача о полном внутреннем отражении света от границы раздела, кубических бигиротропных сред для основных магнитооптических конфигурций (полярной, продольной и поперечной).

5. В феноменологическом подходе с использованием метода Т-матрицы размерности 4*4 получена и проанализирована система дисперсионных уравнений, описывающих нормальные электромагнитные волны в бигиротропных и магнитоэлектрических двухкомпонентных слоистых структурах (сверхрешетках). Для полярной, продольной и поперечной магнитооптических конфигураций получены элементы Т-матрицы, выраженные через компоненты тензоров диэлектрической и магнитной проницаемостей, а также магнитоэлектрической восприимчивости каждого из слоев.

6. В рамках феноменологической теории получены и проанализированы дисперсионные уравнения для объемных, поверхностных и волноводных поляритонов в многослойных бигиротропных структурах в случаях полярной, продольной и поперечной магнитооптических конфигураций.

7. Теоретически исследован нелинейный эффект Фарадея в ыагнитоупорядоченной среде. На примере редкоземельного орто-феррита изучена зависимость угла нелинейного оптического вращения от направления вектора колебаний падающего света относительно одной из кристаллографических осей для разных магнитоупорядоченных фаз.

8. В рамках метода вторичного квантования построены состояния гибридных квазичастиц - ыагнитоэкситонных поляритонов, представляющих собой смешанные колебания экситонов,

фотонов и магнонов. С использованием представления о магни-тоэкситонных поляритонах получены выражения для тензоров диэлектрической и магнитной проницаемостей, магнитоэлектрической и нелинейной магнитооптической восприимчивое?ей.

Список публикаций по материалам диссертации.

Основные результаты диссертационной работы опубликованы в следующих статьях в реферируемых журналах;

1. Любчанский И.Л., Овандер Л.Н. Гиперкомбинационное рассеяние света на спиновых волнах.//ФТТ. - 1981. - Т.23, Ко.6. - С.882 - 884.

2. Борисов С.Б., Любчанский И.Л. Поляритонн в магнитных диэлектриках.//ФТТ. - 1984. - Т.26, No.11. - С.3245 -3249.

3. Ахмедиев H.H., Борисов С.Б., Звездик А.К., Любчанский И.Л., Мелихов Ю.В. Нелинейная оптическая восприимчивость магнитоупорядоченных кристаллов.//ФТТ. - 1985. -Т.27, No.4. -С.1075 - 1078.

4. Борисов С.Б., Любчанский И.Л. Магнитозкситонные поляри-тоны в некубических кристаллах.//ФТТ. - 1985. - Т.27, N0.7. - С.2229 - 2231.

5. Борисов С.Б., Любчанский И.Л., Соболев В.Л. Гиперкомбинационное рассеяние света колебаниями спиновой подсистемы в редкоземельных магнетиках.//ФТТ. - 1986. - Т.28, No.1. - С. 50 - 54.

6. Борисов С.Б., Любчанский И.Л. Микроскопическая теория нелинейной оптической восприимчивости магнетиков.//Опт. и спектр. - 1986. - Т.61, No.6. - С.1274 - 1278.

7. Борисов С.Б., Любчанский И.Л. Полное внутреннее отражение на границе раздела кубических бигиротропных сред.//

Опт. и спектр. 1987. - Т.63, По.2. - С.430 - 433.

8. Борисов С.Б., Любчанский И.Л., Петренко А. Д. Нелинейный эффект Фарадея в редкоземельных ортоферритах.//Опт. и спектр. - 1988. - Т.64, Ко.6. - С.1379 - 1380.

9. Борисов С.Б., Любчанский И.Л. Нормальные электромагнитные волны в анизотропной бигиротропной среде.//Опт. и спектр. - 1988. - Т.65, No.2. - С.365 - 370.

10. Борисов С.Б., Любчанский И.Л., Соболев В.Л. Комбинационное рассеяние света спин-фотонными модами в магнитных диэлектриках.//ФТТ. - 1989. - Т.31, No.3. - С.25 - 30.

11. Борисов С.Б., Любчанский И.Л., Соболев В.Л. Поляритоны в магнитоэлектрических кристаллах.//ФТТ. - 1989. -Т.31, Wo.5. - С.58 - 63.

12. Борисов С.Б., Зельцер A.C., Любчанский И.Л., Петренко

A.Д. Нелинейное фарадеевское вращение в редкоземельных ортоферритах при спин-переориентационном фазовом переходе.//Опт. и спектр. - 1989. - Т.67, No.1. - С.228 -230.

13. Борисов С.Б., Любчанский И.Л. Магнитоэксптонные поляритоны в двуосных магнитных диэлектриках.//Опт. и спектр. - 1989. - Т.67, N0.3. - С.655 - 658.

14. Борисов С.Б., Любчанский И.Л., Соболев В.Л. Механизмы генерации второй оптической гармоники в тетрагональной модификации УВа2Си306+й.//ФТТ. - 1989. - Т.31, No.9. -С.174 - 178.

15. Борисов С.В., Дадоенкова H.H., Любчанский И.Л., Соболев

B.Л. Генерация второй гармоники в магнитоэлектрике Сг203.//ФТТ. - 1990. - Т.32, N0.12. - С.3668 - 3671.

16. Борисов С.Б., Дадоенкова H.H., Любчанский И.Л., Соболев В.Л. Индуцированная магнитным упорядочением генерация второй оптической гармоники в высокотемпературных свер-

^проводниках YBa2Cu306+tJ и NdgCuO^./ZOTT. - 1991. -T.33, No.6 - С.1887 - 1889.

17. Борисов С.Б., Дадоенкова H.H., Любчанский И.Л. Электромагнитное излучение в бигиротропном матттооп тическом волноводе.//Опт. и спектр. - 1991. - Т.71, No.5. -С.861 - 866.

18. Борисов С.Б., Дадоенкова H.H., Любчанский И.Л. Поляри-тоны в бигиротропных сверхрешетках.//Кристаллография. -1991. - Т.36, Wo.6. - С.1358 - 1361.

19. Борисов С.Б., Дадоенкова H.H., Любчанский И.Л., Соболев В.Л. Генерация второй оптической гармоники в магнитных сверхрешетках.//Известия РАН (серия физическая) - 1992. Т.56, N0.8. - С.91 - 94.

20. Борисов С.Б., Дадоенкова H.H., Любчанский И.Л. нормальные электромагнитные волны в бигиротропных магнитооптических слоистых структурах.//Опт. и спектр. - 1993. -Т.74, No.6. - С.t127 - 1136.

21. Борисов С.Б., Любчанский И.Л., Петренко А.Д., Труш Г.И. Нелинейное оптическое вращение в магнитных кристаллах.// 1ЭТФ. - 1994. - Т.105, No.3. - С.524 - 533.

22. Борисов C.B., Дадоенкова H.H., Любчанский И.Л. Поверхностные электромагнитные волны в бигиротропных магнитооптических слоистых структурах.//Опт. и спектр. - 1994. - Т.76, N0.3. - С.432 - 437.

23. Борисов С.Б., Дадоенкова Н.М., Любчансышй 1.Л. Поверх-нев! поляритони в б1г!ротропних магн!тних надгратках // УФК. - 1994. - Т.39, No.11/12. - С.1063 - 1065.

24. Борисов С.Б., Дадоенкова H.H., Любчанский И.Л. Комбинационное рассеяние света в магнитных сверхрешетках//0пт. и спектр. - 1994. - Т.76, No.6. - С.1030 - 1036.

25. Borisov S.B., Dadoenkova N.N., Lyubchanskil I.L. Theory

oi polaritons In raagnetoelectric superlattices.//Ferro-electries. - 1994. - Vol.162, No.1-4. - P.369 - 374.

26. Лвбчанский И.Л. Генерация второй оптической гармоники в центросимметричных магнитных пленках с доменной структурой.//ФТТ. - 1995. - Т.37, No.6. - С.1812 - 1818.

27. Борисов С.В., Любчанский Н.Л.Поляритонный подход при описании электромагнитных волн в магнитоэлектриках.// Опт. и спектр. - 1996. - Т.80, No.4. - С.691 - 694.

28. Lyubchanskii I.E. Theory о! an optical second harmonic generation in magnetic illms with domain structure.// ЛШ. - 1996. - Vol.157/158. - P.307 - 308.

29. Lyubchanskii I.L. Nonlinear optical eiiects in magnetic crystals//J.Magn.Soc.Jpn. - 1996. - Vol.20, Supplement No.S1. - P.137 - 140. /•

Любчансышй I.Л. Поляритони та нел!н1йн1 оптичн1 ефекти в магн!товпорядкованих кристалах.//На правах рукопису. Дисертац1я на здобуття вченого ступеня доктора ф!зико-мате-матичних наук за спец!альн1стю 01.04.07 - ф!зика твердого т1ла. Донецький ф1зиНо-техн!чний 1нститут 1м.0.0.Галк1на НАН Укра1ни, Донецьк, 1996.

Подано до захисту 29 науИових статей. Дисертац1я прис-вячена теоретичному досл!дкенню нел1н1йних магн1тооптичних явищ: 1ндуковано1 магн!тним упорядкуванням генерзцИ друго! оптично1 гармон1ки; г1перкомб1н8д1йного розс1ювання св!тла на сп1нових хвилях; нел1н!йного обертання площини поляриза-Щ1 св1тла. Кр1м того в дасертзцН розвинено феноменолог1чну та м!кроскоп!чну теорИ нормалышх електромагн!тних хвиль (поляритон1в) у магн!тних д1електричних та магн1тоелектрич-них кристалах.

Ключов1 слова: магн!тооптика, нел1н1йна оптика, поляритон, магн1тний кристал.

Lyubchanskll I.L. Polaritons and nonlinear optical effects in magnetIcally-ordered crystals.//Manuscript. The thesis Is for a receiving the Doctor of Science (Dr. Scl.) scientilic degree in the field of Physics and Mathematics (doktor fiziko-matematicheskikh nauk) in the speciality Solid State Physics; subject classification code is 01.04.07. A.A.Calkin Donetsk Physico-technical Institute of the National Academy of Sciences of Ukraine, Donetsk, 1996.

The 29 scientific articles are presented. The thesis Is devoted to the theoretical investigation of nonlinear raagne-tooptic phenomena: magnetic ordering induced optical second harmonic generation; hyper-Raman light scattering by spin waves; nonlinear rotation of the light polarization plane. Thfc phenomenologic and microscopic theories of normal electromagnetic waves (polaritons) in magnetic dielectric and magnetoelectric crystals are developed.

Key words: roagnetooptics, nonlinear optics, polariton, magnetic crystal.