Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Обзор литературы о магнитных неоднородностях и дифракции на них в монокристаллах ферритов 11
1.1. Магнитные и оптические свойства монокристаллов ферритов 11
1.2. Виды магнитных неоднородностей в монокристаллах ферритов (лабиринтная и полосовая доменные структуры) 16
1.3. Дифракция оптического излучения на магнитных дифракционных решетках 19
Выводы по первой главе 23
ГЛАВА 2. Изучение доменных структур и моделирование дифракции оптического излучения 24
2.1. Описание математической модели для анализа дифракции на доменной границе 24
2.2. Численная реализация уравнения дифракции и его краевых задач.. 28
2.3. Программная реализация модели и результаты расчетов 33
2.4. Исследование дифракционной картины, созданной полосовой доменной структурой 34
Выводы по второй главе 40
ГЛАВА 3 Исследование оптических бистабильных устройств на основе магнитных дифракционных решеток ... 41
3.1. Виды бистабильности 41
3.2. Оптическая бистабильность на основе полосовой доменной структуры 47
3.3. Исследование устройств на основе полосовой доменной структуры 54
3.4. Исследование амплитудной оптической бистабильности на магнитных дифракционных решетках 61
3.5. Исследование поляризационной оптической бистабильности на основе магнитных дифракционных решеток 63
Выводы по третьей главе 69
ГЛАВА 4. Управление параметрами лазерного излучения с использованием магнитных дифракционных решеток 70
4.1. Цифровые оптические устройства, основанные на магнитных дифракционных решетках 70
4.2. Внутрирезонаторныи магнитооптический модулятор трехзеркального лазера 71
4.3. Расчет внутрирезонаторного магнитооптического модулятора трехзеркального лазера с использованием матричного метода Джонса 72
4.4. Экспериментальная установка для исследования внутрирезонаторной магнитооптической модуляции He-Ne лазера на Х=1,15 мкм... 77
4.5. Результаты экспериментального исследования внутрирезонаторной магнитооптической модуляции 79
4.6. Модуляторы, использующие дифракцию света на полосовой доменной структуре 80
Выводы по четвертой главе 84
Заключение 85
Библиографический список 87
Приложение 97
- Виды магнитных неоднородностей в монокристаллах ферритов (лабиринтная и полосовая доменные структуры)
- Программная реализация модели и результаты расчетов
- Исследование поляризационной оптической бистабильности на основе магнитных дифракционных решеток
- Расчет внутрирезонаторного магнитооптического модулятора трехзеркального лазера с использованием матричного метода Джонса
Введение к работе
Развитие информационных технологий влечет за собой развитие компонентной базы, основывающейся на новых физических принципах работы. В этом отношении магнитооптика является одним из ведущих направлений развития современной физики. Наиболее перспективной является область оптической обработки информации, основанная на управлении сигналами в оптическом и субоптическом диапазонах длин волн.
Оптическая обработка сигналов имеет ряд преимуществ, в частности, большую скорость распространения сигналов, более вместительную полосу частот, независимость нескольких сигналов на одной линии и легкость сопряжения с устройствами, выполненными на основе волоконно-оптической технологии. Основной недостаток оптического метода заключается в более сложных способах генерации и усиления излучения, принципиально отличных от тех, что используются в электронных устройствах.
Актуальность. В настоящее время созданы различные типы магнитооптических приборов, позволяющих управлять интенсивностью светового пучка, его направлением распространения, поляризацией, спектральным составом и пространственной структурой. Одной из перспективных задач применения магнитооптических устройств является создание магнитооптических систем обработки информации.
Основные направления развития оптической технологии сегодня — это создание и усовершенствование основных элементов компонентной базы: оптических проводников, оптических матричных и оптических нелинейных элементов. Особый интерес представляют нелинейные оптические устройства - аналоги транзисторов в полупроводниковой электронике. Одно из наиболее перспективных явлений, на основе которого можно создать такие устройства, - оптическая бистабильность.
Исследования оптической бистабильности начались в конце 50-х гг. XX в. и интенсивно продолжаются в настоящее время. В данном направлении работали Г. Сул и В.Н. Луговой (1979) (предсказавшие существование оптической бистабильности), С. Мак-Колл с коллегами (1975) (впервые ее наблюдавшие), Копель и Лохман (1986) (результаты их исследований представлены в работе «Поляризация и оптическая бистабильность»), А.А.Кастальский (1973) (первым описавший бистабильность в гибридных устройствах с внешней связью), P.W. Smith и Е.Н. Turner (1980-1983) (продолжившие ее изучение). Типы и направления применений оптической бистабильности описали S.F. Collins и R.S. Wasmundt (1980). Л.А. Лугиато (1984) представил несколько специфических видов бистабильности, Х.М. Гиббс (1988) посвятил оптической бистабильности монографию, в которой представил основные разработки и исследования в этой области, а также рассмотрел перспективы и пути оптимизации оптических нелинейных устройств. Из последних исследований стоит выделить работы Ю.К. Фетисова (2001) и B.C. Днепровского (1999), изложивших все основы данного направления.
Магнитооптические явления, открытые еще в XIX веке, были объяснены только к середине XX века, а особый всплеск интереса к ним произошел в 60-е годы прошлого столетия. Физика магнитооптических явлений стала бурно развиваться в связи с открытием уникальных прозрачных ферритов и появлением лазеров. С этого времени начинает интенсивно развиваться прикладная магнитооптика, — создаются магнитооптические приборы, управляющие различными параметрами СВЧ и оптических пучков. В основе магнитооптических устройств с использованием магнитных решеток лежит эффект дифракции света на фазовой дифракционной решетке, созданной полосовой доменной структурой в ферромагнетике. Использование магнитных решеток началось в начале 70-х годов XX века. Вышел ряд работ, посвященных исследованию и использованию полосовой доменной структуры и ее рефлексов. Созданы различные дефлекторы, транспаранты и другие устройства управления оптическим лучом. Однако с конца 80-х годов не было значительных публикаций на эту тему.
Особая роль в современной физике магнитооптических взаимодействий, а также в магнитооптической технике принадлежит тонким пленкам и тонким монокристаллическим пластинам, поскольку гораздо легче создать и управлять оптическим сигналом с помощью магнитного поля и температуры сложных оптических неоднородностей (например, полосовой доменной структуры).
Однако, за последние два десятилетия никаких разработок (теоретических и экспериментальных) по созданию и усовершенствованию систем оптической обработки информации на основе магнитных решеток не было.
Таким образом, актуальность исследования обусловлена противоречием между высокими требованиями современного информационного общества, диктующего внедрение новых систем оптической обработки информации, -с одной стороны, и отсутствием разработанной и готовой к широкому применению компонентной базы для их создания - с другой.
Для разрешения данного противоречия необходимо разработать принципиальные схемы указанных компонентов, учитывая принципы и особенности их работы; определить спектр материалов, необходимых для их создания; в соответствии со схемами создать экспериментальные образцы и исследовать их работу, а также определить основные пути реализации указанных разработок.
Целью диссертационной работы является экспериментальное и теоретическое исследование схем оптических устройств на основе магнитных дифракционных решеток, их реализация и исследование режимов работы.
Задачи исследования:
1. Анализ научной, технической и нормативной литературы по теме исследования.
2. Математическое моделирование дифракции на полосовой доменной структуре.
3. Определение условий существования полосовой доменной структуры в монокристалле феррита, исследование параметров фазовой дифракционной решетки и дифракционной картины, полученной с помощью полосовой доменной структуры. 4. Разработка и реализация схемы магнитооптических устройств, использующих магнитную дифракционную решетку. Экспериментальная реализация магнитооптических устройств амплитудного и поляризационного управления оптическим сигналом. Изучение их практических возможностей.
5. Разработка на основе предложенных оптических бистабильных элементов принципиальных схем следующих устройств: логических оптических элементов, оптических модуляторов, оптических модуляторов добротности.
6. Сравнительный анализ полученных оптических устройств с уже существующими устройствами такого же назначения.
В соответствии с поставленными задачами исследование проводилось в несколько этапов.
1-й этап включал изучение и анализ литературы по проблеме исследования, а также изучение устройств, разрабатываемых для реализации систем оптической обработки информации. В результате были выявлены основные направления развития магнитооптики в сфере ее применения в современных технологиях, а также отсутствие основных элементов компонентной базы систем оптической обработки информации, пригодных для массового внедрения в производство современной техники.
2-й этап был посвящен теоретической разработке и экспериментальной реализации оптических нелинейных устройств. Были разработаны схемы магнитооптических устройств, использующих магнитную дифракционную решетку, исследованы режимы бистабильного амплитудного и поляризационного управления оптическим сигналом.
3-й этап связан с систематизацией полученных в ходе экспериментов результатов и проведением сравнительного анализа полученных оптических устройств с уже существующими устройствами такого же назначения.
Методы исследования:
Математическое моделирование дифракции на доменах осуществлялось методом разложения по параметру гирации. Полученные уравнения решались методом Фурье. Вычисления производились численными методами.
Изучение доменной структуры ферритов производилось магнитооптическими методами. Изучение оптической бистабильности проводилось с помощью селективного микровольтметра и фотодиодов.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. При значениях магнитного поля от 3 до 10 кА/м, действующего на образцы феррит-граната, вырезанные в плоскостях {110} и {111}, образуется полосовая доменная структура, служащая фазовой дифракционной решеткой, которая при использовании излучения с длиной волны 1,15 мкм и электронной обратной связи приводит к режиму нелинейного бистабильного оптического пропускания устройств. Основные параметры ферритов, влияющие на работу устройств, это — толщина образца, близкая к оптимальной, фактор качества 1 и магнитооптическая добротность выше 100.
2. Внутрирезонаторный магнитооптический модулятор трехзеркального He-Ne лазера на основе магнитной дифракционной решетки в железоиттрие-вом гранате, осуществляет при малых намагничивающих полях амплитудную модуляцию до частот 180 кГц с глубиной модуляции 50% и частотную модуляцию с девиацией в несколько мегагерц при намагничивающих полях, превышающих пороговые.
3. Трехзеркальный He-Ne лазер с внутрирезонаторной модуляцией на основе магнитной дифракционной решетки на А.=1,15 мкм, генерирует, в отличие от известных, вместо 7-8 частот две с долговременной стабильностью, в связи с введением внутрь резонатора дисперсионного элемента в виде магнитной решетки.
Достоверность первого положения подтверждается согласием полученных теоретических и экспериментальных данных с фундаментальными положениями теории оптической бистабильности. Обнаруженный режим нелинейного пропускания устройств на основе магнитных решеток соответствует гибридной оптической бистабильности, описанной Х.М. Гиббсом (1988 г.) и др. Так, исследованные нами образцы имеют толщину 0,4 мм и диаметр 6 мм. При мощности излучения 10 мВт характерное время переключения составляет 10"4-10"5 с, а энергия переключения -0,1 мДж. Достоверность второго и третьего положений обеспечивается тем, что режимы работы предложенных магнитооптических устройств управления параметрами излучения соответствуют режимам работы известных магнитооптических модуляторов на основе эффекта Фарадея. Научные положения, выводы и рекомендации, сформулированные в диссертации, обоснованы теоретическими решениями и экспериментальными данными и находятся в согласии с результатами других авторов (Hyuk Lee, 1987; Shinsukeu, Hiroaki I., Toshihiko Y., 1981; Shenping L., Yizhou Z., 1991).
Научная новизна работы:
1. Предложена математическая модель дифракции, основанная на методе разложения по параметру гирации, для расчета дифракции на полосовой доменной структуре в монокристалле железоиттриевого граната в виде тонкого диска определенного диаметра и толщины.
2. Обнаружены граничные значения магнитного поля (3-10 кА/м) для образцов феррит-граната, вырезанных в плоскостях {110} и {111}, при которых в них наблюдается полосовая доменная структура.
3. Впервые обнаружен и исследован бистабильный режим работы оптических устройств на основе магнитных решеток. Доказано существование гибридной оптической амплитудной и поляризационной бистабильности на основе магнитных решеток.
4. Разработан и исследован внутрирезонаторный магнитооптический модулятор трехзеркального лазера на основе магнитных решеток. Обнаружено, что при значениях магнитного поля меньших порогового имеет место амплитудная модуляция оптического излучения, при больших значениях - возникает частотная модуляция.
5. Впервые установлено, что при внутрирезонаторной модуляции лазера на основе магнитной дифракционной решетки, уменьшается число генерируемых частот и увеличивается их стабильность. Научная ценность и практическая значимость защищаемых положений и других результатов:
1. Исследован бистабильный режим работы оптических устройств на основе магнитных решеток. Доказано существование гибридной амплитудной и поляризационной оптической бистабильности на основе магнитных решеток. Продемонстрирована возможность использования наблюдаемых явлений для создания логических элементов и элементов памяти оптических систем обработки информации.
2. Найдены параметры полосовой доменной структуры и дифракции на ней для монокристаллов феррит-граната. Теоретически и экспериментально изучены параметры магнитной решетки на основе полосовой доменной структуры в тонком монокристалле феррита в зависимости от величины внешнего магнитного поля и толщины кристалла. Полученные данные имеют значение для проведения последующих разработки и создания промышленных образцов элементов оптических систем обработки информации.
3. Результаты расчетов, сделанных на основе математической модели дифракции на основе разложения по параметру гирации, на полосовой доменной структуре в монокристалле железоиттриевого граната в виде тонкого диска, совпадают с данными экспериментов. Это позволяет сделать вывод о применимости математической модели для расчета дифракции на доменной структуре при вышеуказанных параметрах.
4. Создание магнитооптических устройств на основе полосовой доменной структуры в тонких монокристаллах феррит-граната предоставляет ряд преимуществ по сравнению с аналогами, а именно: малые размеры, порядка размеров доменов (до десятков нанометров), малые управляющие мощности (0,01 МВт/МГц) и время переключения (порядка долей наносекунд).
5. Магнитооптические устройства на основе магнитных решеток, благодаря своим характеристикам и простоте использования, могут стать высоко востребованными устройствами в современной науке, технике и производстве. Дальнейшая разработка позволит довести их до практического использования в оптронике, оптоэлектронике и системах детектирования. Рекомендации по внедрению результатов диссертации. Магнитооптические устройства на основе магнитных решеток, благодаря своим характеристикам и простоте использования, могут стать высоко востребованными устройствами в современной науке, технике и производстве. Дальнейшая разработка позволит довести их до практического использования в оптрони-ке, оптоэлектронике и системах детектирования. Рекомендуется внедрение результатов диссертации в учебном процессе в Сургутском государственном университете ХМАО — Югры.
Апробация исследования осуществлялась при проведении экспериментов сравнением ожидаемых теоретических выводов с результатами, получаемыми на практике. Теоретические и практические материалы исследования обсуждались на научных семинарах кафедр экспериментальной физики СурГУ, квантовой радиофизики ТГУ и отражены в публикациях, были представлены в докладах на всероссийских и международных конференциях «Датчик-99»; «Северный регион», Ханты-Мансийск - Сургут, 2000; «Наука и инновации ХМАО» (Сургут, 2002, 2003); «Сибирский поляризационный семинар» (2004); опубликованы в журналах «Датчики и системы». - № 9. -1999 г.; «Письма в ЖТФ». - 2001. - Том 27, вып. 12; «Журнал прикладной спектроскопии». - № 2. - 2009.
Виды магнитных неоднородностей в монокристаллах ферритов (лабиринтная и полосовая доменные структуры)
Особый интерес представляет полосовая доменная структура (ПДС) в прозрачных диэлектриках [44]. Если в пластинке такого магнитного материала создать систему параллельных полосовых доменов таким образом, что все четные домены будут иметь составляющую магнитного момента, параллельную направлению распространения света, а все нечетные — антипараллельную, то система доменов в такой пластине для проходящего света окажется эквивалентной дифракционной решетке [44]. Поскольку ориентация и периодичность полосовых доменов могут изменяться под действием внешних магнитных полей, то пластина может быть использована для отклонения пучка света, а также на ее основе возможно создание электрически управляемых бистабилъных элементов. Если монокристаллическая пластина магнитного материала ориентирована так, что вектор одноосной анизотропии совпадает по направлению с нормалью к пластине, и если поле одноосной анизотропии Нк существенно превышает намагниченность насыщения 4nMs, то в пластине реализуется полосовая доменная структура, показанная на рис. 3 [44]. Из рис. 3 видно, что векторы намагниченности в доменах направлены вдоль нормали к пластине. В обоих случаях во всех четных доменах имеется составляющая вдоль направления распространения света, а во всех нечетных — составляющая, противоположная этому направлению. В общем случае домены с разной ориентацией момента могут быть неравной ширины: s Ф d/2. Рассмотрим случай, когда плоско - поляризованный свет падает нормально на пластинку магнетика с доменной структурой, изображенной на рис. 3. Часть света, прошедшая через участки с намагниченностью +М, претерпит поворот плоскости поляризации на угол +0F. Аналогично, часть света, прошедшая через домены с намагниченностью -М, испытывает поворот на угол -6F. Кроме того, из-за поглощения в материале интенсивность света снизится в а" раз. Световую волну на выходе из пластины удобно разложить на две компоненты: линейно поляризованную в направлении у плоскую одно a! 2 родную волну с амплитудой Ey:Ey-Ey=EQ-e 2 -cos0Ft и линейно поляризованную в направлении х плоскую волну Ех с амплитудой, испытывающей пе риодическую смену фаз: Ех = Е =Е0-е 2 sin 0Ft.
Функции прохождения для каждой из независимых поляризаций имеют следующий вид: Из (1) видно, что Еу не зависит от х. Следовательно, дифракционная решетка не оказывает влияния на -компоненту поля волны, и вся ее энергия попадает в нулевой дифракционный порядок. Функция прохождения для х-поляризации может быть представлена в виде, указанном в работе [20]: 2nnx 2s —d, -cos dn 4 J тх(х) = е 2 -sinOpt ,+i.E л . Ttns —sin-n (3) Рассмотрим расчет распределения интенсивности дифракционной картины на полосовой доменной структуре, приведенный в книге «Прикладная магнитооптика» [20], где сказано, что интенсивность х-поляризации в нулевом дифракционном максимуме определяется следующим образом: Причем она оказывается, равной нулю для симметричной решетки: s =—. То же происходит со всеми четными дифракционными максимумами. В этом случае свет в нулевом дифракционном максимуме имеет чистую -поляризацию, т.е. поляризован ортогонально свету в максимумах более высоких порядков. Интенсивность света в произвольном дифракционном максимуме определяется выражением: Для симметричной решетки интенсивность первого дифракционного максимума, представляющая на практике наибольший интерес, выражается так: Из (6) видно, что максимальная интенсивность достигается при а = 0 и Oft = л/2. При наличии поглощения в среде оптимальная толщина материала определяется, как показано в работе [20]: а дифракционная эффективность в первом дифракционном максимуме (отношение интенсивности света в пластины с полосовой доменной структурой разбивается на дифракционные порядки, распределяющиеся от носительно исходного направления под углами ип, причем sm6 „ =-—, d, о где п - порядок дифракции. Внешнее поле, приложенное в плоскости пластины, существенно меняет вид доменной структуры и характер дифракции [30; 82; 104]. Период до менной структуры, определяющий полярный угол дифракции, обратно пропорционален величине поля.
А ориентация полосовых доменов, которая определяет азимутальный угол дифракции, параллельна направлению внешнего поля. Таким образом, приложение внешнего поля к плоскости пластины способно привести к отклонению луча в двух измерениях. В работе Йохансена с соавторами [82] было показано, что под действием внешнего поля в плоскости образца Яп период полосовой доменной структуры в магнитном материале с Нк 4nMs может изменяться почти на порядок величины. Исследования, описанные в работе [44], показывают, что полосовая доменная структура может использоваться в качестве перестраиваемой дифракционной решетки, причем период такой решетки может в значительных пределах изменяться под действием плоскостной и нормальной компонент внешнего поля. Следует, однако, помнить, что эффективность дифракции быстро снижается по мере отклонения периода доменной структуры от его исходного значения (в отсутствии поля). Также с ростом компоненты поля, нормальной к плоскости пластины, снижение эффективности дифракции связано с появлением прогрессирующей асимметрии решетки из-за роста полосовых доменов, ориентированных по полю, проявляющейся в вырождении полосовых доменов одного знака путем стягивания к краям образца или дефектам и соответствующего роста удельного объема доменов противоположного знака. Снижение эффективности происходит со скоростью, пропорциональной sin2—-. Важным параметром магнитооптического устройства является энергия управления решеткой, рассмотренная в статье [30]. Энергия поля, необходимая для существенного изменения периода решетки, по порядку величины соответствует полю анизотропии. Следовательно, для уменьшения энергии управления необходимо выбирать материалы с невысокими Нк. В частности, как перспективные, можно рассматривать среды, свободные от большой маг-нитоодноосной анизотропии, т.е. среды с Я. 4nMs.
Программная реализация модели и результаты расчетов
Визуализация доменной структуры основана на магнитооптическом эффекте. В основе этого метода лежит известное физическое явление вращения плоскости поляризации света при отражении от намагниченного ферро магнетика (эффект Керра) или при прохождении через толщу образца (эффект Фарадея) в прозрачном ферромагнетике. Направление вращения плоскости поляризации света в обоих случаях зависит от направления вектора намагниченности. Эффект Фарадея заключается во вращении плоскости поляризации света, распространяющегося в веществе вдоль постоянного магнитного поля, в котором это вещество находится. Показатели преломления для лево- и пра-вополяризованного света при наличии магнитного поля будут различны, что и вызывает вращение плоскости поляризации и появление эллиптичности линейно поляризованного света. Угол поворота 0 = VHl, где V — постоянная Верде, зависящая от свойств вещества, длины волны света, и температуры, а / - длина пути света в веществе (толщина образца). Знак угла поворота плоскости поляризации не зависит от направления распространения света (по полю или против поля). Поэтому многократное прохождение света через среду, помещенную в магнитное поле, приводит к возрастанию угла поворота в соответствующее число раз. Если ферромагнитный образец, например тонкая ферромагнитная пленка, разбит на домены — области с противоположными направлениями намагниченности, то вращение плоскости поляризации света, отраженного (или прошедшего) от соседних доменов, будет происходить в противоположные стороны. Гашение анализатором света от доменов с одинаковым направлением намагниченности позволяет визуально наблюдать доменную структуру в виде темных и светлых областей. Эта особенность эффектов позволяет применять их для выявления доменной структуры ферромагнетиков. В обычном естественном свете поперечные колебания напряженности электрического поля совершаются в плоскости, перпендикулярной направлению луча. Если на пути светового луча поставить поляризатор, то из всех возможных направлений он выделит вектор с направлением вдоль оси поляризатора. Такой свет называется плоско-поляризованным. Поставленный на пути плоско-поляризованного луча другой поляризатор (анализатор) пропус тит только часть излучения в зависимости от угла \\f между осями поляризатора и анализатора. Свет полностью не проходит при скрещенных под прямым углом поляризатором и анализатором и, наоборот, проходит максимальная часть света, если оси поляризатора и анализатора параллельны. При другой ориентации интенсивность проходящего света пропорциональна cos2\/ (закон Малюса). В магнитном отношении пленки обычно анизотропные.
Вследствие малой толщины пленки вектор намагниченности, как правило, лежит в ее плоскости. Кроме того, в плоскости пленки имеется ось легкого намагничивания, совпадающая с направлением магнитного поля, прикладываемого в процессе получения пленки. Прямая, лежащая в плоскости пленки и перпендикулярная к оси легкого намагничивания, называется осью трудного намагничивания. Для наблюдения доменной структуры пленка ориентируется так, чтобы ось легкого намагничивания была параллельна плоскости падения света. Разбиение пленки на домены осуществляется размагничиванием ее переменным магнитным полем с убывающей до нуля амплитудой. Затем анализатор и поляризатор устанавливаются на максимальное затемнение поля зрения, и анализатор поворачивается в положение, при котором наблюдается наибольший контраст между соседними доменами. Для наблюдения доменной структуры используется установка на основе поляризационного микроскопа МИН-4 (рис. 10). Образец феррита (4) помещают в плоско-поляризованном свете лазера (б) на поворотном столике, там же прикреплены катушки, создающие магнитное поле. Окуляр присоединяется к приемному экрану электронно-оптического преобразователя В-2К (7). За образцом располагается анализатор (3), являющийся частью поляризационного микроскопа (2), и тогда доменная структура становится видимой.
За ЭОПом располагается цифровой фотоаппарат (Canon S80). В эксперименте использовалось по нескольку образцов одной и той же ориентации диаметром — 3 мм и толщиной - от 0,47 до 0,98 мм. Излучение гелий-неонового лазера с X— 1,15 мкм для трех различных серий образцов распространялось параллельно направлениям {111}, {110} и {211} соответственно. Магнитное поле Н прикладывалось как в плоскости диска, так и перпендикулярно ей. Излучение, прошедшее через кристалл и анализатор, подавалось на фотокатод электронно-оптического преобразователя, расположенного в дальней зоне. Затем дифракционная картина регистрировалась на фотопластинке. Интенсивности дифракционных максимумов нулевого, первого и третьего порядков измерялись фотографическим методом марок интенсивности [51]. Погрешность измерений не превышала 7%. Кроме того, с помощью поляризационного микроскопа и оптического преобразователя проводилось прямое наблюдение доменной структуры. Визуальное изучение перестройки ДС под воздействием постоянного магнитного поля показало, что ПДС не всегда является сквозной, так как для ряда образцов в определенном интервале полей она наблюдается па фоне лабиринтной структуры. Следовательно, можно утверждать, что во всех изученных образцах, имеющих равную кристаллографическую ориентацию, возбуждается ПДС двух видов: 1. Сквозная (характеризующаяся высоким контрастом соседних доменов). 2. Несквозная (характеризующаяся слабым контрастом). Сквозная ПДС была свойственна топким образцам, вырезанным в плоскостях {111} и {ПО}. Эта структура практически сохраняла свой характер при изменениях внешнего поля. Несквозная ПДС возникала в образцах, вы
Исследование поляризационной оптической бистабильности на основе магнитных дифракционных решеток
Исследования поляризационной мультистабильности, стартовавшие в начале восьмидесятых годов с двух абсолютно непохожих и независимых работ [81; 114], в настоящее время вылились в одну из наиболее динамичных областей нелинейной оптики, привлекающей внимание, по крайней мере, двух десятков лабораторий во всем мире, и неожиданно оказавшейся вблизи эпицентров ряда актуальнейших проблем естествознания: от киральной чистоты биологического мира к сверхскоростной передаче информации, теории динамического хаоса в нелинейных системах, фундаментальным вопросам классической и квантовой статистики света. Вместе с тем на фоне преемственности научного процесса порой усматриваются поразительные аналогии между задачами неустойчивости в нелинейной оптике и традиционными, широко известными проблемами механики такими, как динамика нелинейного осциллятора, движение космических объектов в поле взаимного притяжения, устойчивость винтовых и продольных деформаций, динамика аэроплана с пропеллером и твердого тела с одной закрепленной точкой. Сейчас работы по поляризационным неустойчивостям из фазы теоретических предсказаний и численного моделирования перешли в сферу экспериментальных исследований, сулящих серьезные практические перспективы в оптической обработке информации. Обсуждая возможности практического применения явления поляриза ционной неустойчивости и мультистабильности, отметим, что в поляризаци онных устройствах управления света светом, кодировка информации (сигна ла) осуществляется состоянием поляризации света, т.е. за счет фазовой моду ляции.
Поляризационная модуляция в оптике в ряде случаев имеет серьезные преимущества перед амплитудой. Во-первых, благодаря более высокому контрасту изменения информационного сигнала при переключении из одного устойчивого состояния в другое; во-вторых - возможности организации по аналогии с фазовыми мультистабильностями симметричной многоуровневой системы кодировки и счисления, например, (1; 0; -1) (правый эллипс, линей ная поляризация, левый эллипс); в-третьих - возможности переключения по ляризации без потерь интенсивности волны, что открывает путь для построе ния сложных каскадных логических устройств, не нуждающихся в промежу точных усилителях света. , В данной главе рассмотрена теоретическая разработка гибридного бис-табильного поляризационного элемента на основе магнитной дифракционной решетки (МДР) в железоиттриевом гранате (ЖИГ). Эффект Фарадея состоит во вращении плоскости поляризации линейно-поляризованного излучения, распространяющегося в намагниченной среде вдоль направления магнитного поля. Образование полосовой доменной структуры во внешнем магнитном поле приводит к тому, что домены, ориентированные по полю, вращают плоскость поляризации в одном направлении. Домены, ориентированные против поля, вращают плоскость поляризации в противоположном направлении. Результат определяется разницей суммарных площадей доменов, ориентированных по и против поля. Суммарный вклад определяется тем, насколько площадь доменов, вращающихся в одну сторону, больше площади доменов, вращающихся в другую. В случае симметричной решетки вклады доменов противоположной ориентации компенсируют друг друга, и вращение плоскости поляризации в центральном максимуме не происходит.
Поляризация света во всех боковых порядках дифракции ортогональна поляризации падающего света из-за гиро-тропного эффекта. С изменением магнитного поля период полосовой структуры может меняться. Соответственно меняется, интенсивность максимумов более высоких порядков и их расположение относительно центрального максимума. Кроме того, с увеличением магнитного поля домены, ориентированные по полю, начинают расти, а против - уменьшаться в размерах. Это вызывает вращение плоскости поляризации центрального максимума, но величина этого поворота незначительна из-за частичной компенсации и малой толщины образца. Полосовая доменная структура может служить фазовой дифракционной решеткой. То, что попадает в центральный максимум, есть излучение, не испытывающее дифракцию. Все побочные максимумы есть результат ди фракции и поляризованы они ортогонально к плоскости поляризации падающего излучения. Таким образом, есть возможность создавать МДР и управлять ее дифракционной картиной. Это, в свою очередь, позволяет, изменяя поляризацию или амплитуду на входе, менять поляризацию на выходе. Рассмотрим поляризационное бистабильное устройство на основе све-тоделительной пластины (рис. 30). Принцип его работы состоит в следующем: излучение, не претерпевающее дифракцию, частично отражается пластиной 4 и попадает на первый фотоприемник 7 и далее обеспечивает обратную связь (9), регулирующую уровень срабатывания устройства. Максимумы более высоких порядков обходят пластину и попадают на второй фотоприемник. Туда же попадает часть излучения, прошедшего через пластину. Поляризация излучения на выходе в зависимости от параметров устройства будет изменяться. Появляется возможность поляризационной бистабильности.
Расчет внутрирезонаторного магнитооптического модулятора трехзеркального лазера с использованием матричного метода Джонса
Для расчета характеристик стационарного волнового поля, установившегося в трехзеркальном резонаторе (рис. 35), представляется удобным опи сывать световые колебания комплексным вектором: N = Ґ4Ї где Ех и Еу компоненты вектора Е, направленные перпендикулярно и параллельно плоскости падения излучения на окна Брюстера, а элементы, с которыми взаимодействует излучение, - матрицами Джонса [15]. В данном методе считается, что в генерации наблюдаются лишь те волны, поляризация которых воспроизводится за один обход резонатора. Отсюда следует, что вектор N, описывающий световые колебания в некоторой точке резонатора (например, точка В - начало обхода в направлении стрелки), должен удовлетворять уравнению Матрица А есть составленное в определенном порядке произведение матриц, описывающих отдельные элементы, входящие в резонатор. Если известна матрица А , то равенство (16) представляет собой уравнение для собственных векторов. Это уравнение всегда имеет два решения, соответствующие двум собственным значениям Х1і2. Для каждого из решений Ех комплексная величина х- однозначно определяет характер поляризации ЕУ световых колебаний, а амплитуда комплексной величины X позволяет рассчитать потери за один проход и частоту генерации. Конкретный вид матриц, описывающих отдельные элементы, зависит от выбора системы координат и направления распространения света. Для обоих направлений распространения мы будем пользоваться фиксированной в пространстве системой координат (см. рис. 35). В модели для расчета (см. рис. 35) считаем, что зеркала и активная среда являются изотропными. Анизотропия определяется лишь двумя окнами рюстера газоразрядной трубки и МДР. Длина же активной среды пусть будет равна длине активного плеча резонатора // Потери в активной среде, определяемые дифракцией излучения, рассеянием и поглощением, а также потери на окнах Брюстера будем характеризовать коэффициентом вредных потерь р, отнесенным к единице длины активного вещества.
Потери в пассивном резонаторе в основном определяются потерями в модулирующем элементе, т.е. 2aL, где L - оптическая длина пассивного плеча L = l2+{n0 -1)/й, где 1Ф - толщина модулирующего элемента, пф - его показатель преломления. Учитывая сказанное, условие самовоспроизведения световой волны при полном обходе трехзеркального резонатора с анизотропным элементом может быть записано в матричном виде: Здесь i\ = RX - амплитудный коэффициент отражения зеркала 1 (см. рис. 34); 4я-1 = р; па — показатель преломления активной среды; А - матрица преобразования, описывающая отражение излучения от пассивного промежутка. Пусть Р и Р - матрицы преобразования в МДР волн, распространяющихся соответственно вдоль оси z и в противоположном направлении. В общем случае Р и Р не равны между собой, так как произведение матриц зависит от порядка их расположения. Элементы матрицы А (а (/,_/ = 1,2) можно найти из рассмотрения граничных условий на зеркалах 2 и 3 (см. рис. 34). Тогда из решения (2) собственные значения матрицы А имеют вид: где Ql2 = - [SPA ± TJ{SPA)2 - 4 det А \. (19) Для двух собственных значений Яд 2 из (15) получаем две собственные волны с соответствующими поляризациями: Учитывая, что физический смысл имеют только действительные собственные значения Ад 2, получаем фазовые и энергетические условия генерации для обоих волн: Здесь Кпор - пороговый коэффициент усиления активной среды; S — большое целое число. Для ячейки Фарадея с положительным вращением уравнения (18) и (20) представим в виде: В (7) аи -а22 -ах,аХ2 = -а21 =а2 — есть функции угла однопроходного фа радеевского вращения вр и коэффициентов отражения зеркал 2 и 3. Как видно из (23) в рассматриваемом трехзеркальном резонаторе могут генерироваться только циркулярно-поляризованные волны с левым и правым вращением. Тогда условия генерации (21) в таком резонаторе можно переписать в следующем виде: где R+ и iL Р+ и Д_ - соответственно энергетические коэффициенты отражения и изменения фазы при отражении от пассивного промежутка право- и ле-во-циркулярно-поляризованных волн; S± - большие целые числа. В силу того, что /?+ ф /L спектры собственных частот право- и лево-циркулярно-поляризованных колебаний сдвинуты друг относительно друга. Как известно элемент Фарадея из ЖИГ характеризуется небольшой оптической разностью хода право- и лево-циркулярно-поляризованных компонент.
