1.4.1.2 Оптическое поглощение

Беспримесные монокристаллы феррит-гранатов в области длин волн 1--6 мкм имеют окно прозрачности, где коэффициент оптического поглощения б очень мал (?0,1 см-1). Однако в этом интервале могут присутствовать несколько узких пиков поглощения, связанных с электронными переходами в ионах R3+ в с-подрешетке (исключение составляют ионы Lu3+, Y3+, Gd3+ и La3+). В окне прозрачности поглощение определяется примесями и разного рода несовершенствами образцов. При л<1 мкм поглощение в феррит-гранатах обусловлено электродипольными переходами в ионах железа. В области л= 10ч100 мкм поглощение феррит-гранатов весьма интенсивно и связано с колебательным спектром молекул. При л> 100 мкм вплоть до СВЧ диапазона феррит-гранаты обладают высокой прозрачностью, а уровень поглощения в них определяется дефектами кристаллической решетки. Для задач прикладной магнитооптики основной интерес представляют видимая и ближняя ИК области спектра.

Пики поглощения, связанные с электронными переходами в редкоземельных ионах, присутствуют и в спектрах немагнитных гранатов (рис. 1.17), что ограничивает их применимость в качестве подложечных материалов.

Рис. 1.17. Спектры пропускания ГГГ (1), СГГ (2), НГГ (3) и КНГГ (4)

Спектры поглощения феррит-гранатов в видимом и ближнем ИК диапазоне определяются суперпозицией вкладов от внутриионных электродипольных переходов Fe3+ в кристаллическом поле с типичной силой осциллятора (пропорциональной площади соответствующего пика поглощения) f?10-5 и значительно более интенсивных и широких переходов межионного типа с обменом заряда в области v>20 000 см-1 с типичной силой f?10-3 (рис.1.17).

Рис.1.18. Спектр поглощения монокристалла Y3Fe3,85GA1,15O12

Внутриподрешеточные парные переходы в ионах Fe3+ и переходы с переносом заряда ответственны за оптическое поглощение в диапазоне л?0,45 мкм. В видимом диапазоне доминирующий вклад в а вносят два перехода в кристаллическом поле а- и d-подрешеток (рис. 1.18, 1.19). Эти переходы обусловливают поглощение, которое для беспримесного монокристалла Y3Fe5О12 составляет 620 см-1 при л=0,633 мкм. Уменьшить это значение можно, лишь замещая железо диамагнитными ионами (рис. 1.19) . Однако при большом содержании таких ионов снижается обменное взаимодействие, что приводит к сильному изменению большинства магнитных и магнитооптических параметров. Введение в состав граната ионов магнитных переходных металлов либо вызывает появление новых переходов, либо влияет на переходы Fe3+, что в любом случае приводит к росту б.

Рис. 1.19. Спектры поглощения МПФГ системы Y3Fe5-хGAхO12 при 295 К.

Другим фактором, сильно влияющим на поглощение феррит-гранатов, является температура. С ее ростом край окна прозрачности смещается в область больших значений длин волн, что обусловлено двумя причинами: слабым смещением центра переходов в ИК область и уширением пиков поглощения (рис. 1.20), причем второй механизм доминирует.

Рис. 1.20. Спектры поглощения МПФГ (Bi, Gd)3(Fe, Ga)5O12 при различных температурах, К: 1-- 293; 2 -- 373; 3 -- 473; 4 -- 573.