Введение к работе
Актуальность темы. Магнитостатические спиновые волны (МСВ) являются объектом интенсивных исследований на протяжении четырех последних десятилетий [1-3]. Они представляют собой сверхвысокочастотные волны прецессии магнитного момента в ферромагнитных диэлектриках. Устойчивый интерес к этим волнам обусловлен многообразием их свойств, простотой возбуждения и регистрации. Наиболее ярким проявлением особенности МСВ является сильная зависимость их дисперсионных свойств от взаимной ориентации волнового вектора и внешнего магнитного поля, магнитных и размерных параметров образца. Особенно важно, что длина МСВ не превышает сотен микрон, и в широком диапазоне СВЧ (1-20 ГГц) может поддерживаться постоянной. Изменение топологии подмагничивающего поля позволяет осуществлять внешнее управление параметрами ограниченных пучков МСВ (скоростью, направлением потока энергии, степенью локализации и др.) [ 4 ]. Наиболее подробно свойства МСВ исследованы в кубических кристаллах железо-иттриевого граната (ЖИГ), который обладает малыми СВЧ- потерями в области ферромагнитного резонанса. Перспектива миниатюризации элементной базы СВЧ устройств, создания интегральных СВЧ-схем (аналогичных устройствам на поверхностных акустических волнах дециметрового диапазона), стимулировала быструю и успешную разработку технологии выращивания эпитаксиальных пленок ЖИГ на подложке галлий-гадолиниевого граната. Последующие исследования свойств МСВ, распространяющихся в многослойных эпитаксиальных структурах, обусловили создание широкого спектра пленарных функциональных элементов СВЧ-электроники [5,6].
К концу 70-х годов были получены пленки ЖИГ с малыми
оптическими потерями в ближнем ИК-диапазоне ("0.5 дБ/см), что
сделало их пригодными для целей волноводной оптики. Перспектива
создания многофункциональной, быстродействующей, электрически
перестраиваемой брегговской ячейки, явилась причиной
значительного интереса к исследованию процессов параметрического рассеяния волноводного света на МСВ. Уже в первых экспериментах было показано, что волноводные спин-волновые дефлекторы, переключатели и модуляторы света на порядок превосходят акустооптические аналоги по таким параметрам, как полоса рабочих частот ЛГЭ«1 ГГц, времени переключения «15 не, возможности перестройки центральной частоты внешним магнитным полем в диапазоне 1 - 10 ГГц [7,8]. Такие интегральнооптические элементы могут найти широкое применение в перспективных лазерных информационных системах, активная разработка которых ведется в последнее время [9,10].
Разработка перечисленных спин-волновых магнитооптических устройств требует решения целого ряда взаимосвязанных физических
задач: волноводной параметрической магнитооптики, спин-волновой электродинамики и интегральной СВЧ-техники.
К настоящему времени выполнен значительный объем теоретических и экспериментальных работ, в которых отражены основные принципы и особенности магнитооптического взаимодействия оптических волноводных мод (ОВМ) с основными типами МСВ [4]. Коллинеарная геометрия взаимодействия волноводного света с МСВ рассмотрена в работах [11 - 14). Задача неколлинеарного взаимодействия и параметры дифракции ОВМ на МСВ представлены в работах [15 - 23]. В работах [17, 18, 24 - 26] показаны особенности процессов рассеяния ОВМ на МСВ при наличии статической гиротропии. Параметры взаимодействия света с МСВ в пространственно-неоднородном магнитном поле исследованы в [27 - 30].
В известных работах основное внимание уделялось вопросам фазового синхронизма, анализу совместного вклада динамических компонент эффектов Фарадея и Коттон-Муттона в эффективность процессов рассеяния и спектральный состав рассеянного света. Однако, целый ряд вопросов задачи оптимизации процессов рассеяния, представляющих значительный фундаментальный и прикладной интерес, не был прояснен, или не рассматривался. Так, дифракционная задача рассматривалась без учета реальных параметров взаимодействующих пучков (ограниченности пучков ОВМ и МСВ, релаксации МСВ). Не исследован вопрос рассеяния на гибридных МСВ (нетрадиционные геометрии возбуждения МСВ). Не четко сформулированы условия фазового синхронизма и параметры накапливающегося эффекта для рассеянной ОВМ при наличии оптической гиротропии. Не рассматривалась задача дифракции в поперечно-неоднородном (для пучка МСВ) магнитном поле.
Вопрос оптимизации условий взаимодействия волн не может
быть ограничен исследованием только параметрической задачи. Он
также включает комплекс исследований свойств взаимодействующих
волн. В первую очередь это касается вопроса исследования линейных
и нелинейных свойств магнитостатических пучков, как объекта трех-
волнового процесса рассеяния света. В этой связи,
магнитооптическое (МО) взаимодействие света с
магнитостатическими и обменными спиновыми волнами (МСВ; ОСВ), как невозмущающий метод зондирования, открывает новые возможности для экспериментального исследования магнитных параметров пленок ЖИГ, характеристик пучков МСВ, в том числе их нелинейных свойств. Важность таких исследований обусловлена не только вопросами создания интегральнооптических элементов, а также проблемами планарнои спин-волновой электродинамики в целом.
Исследование механизмов развития нелинейных процессов для МСВ важно с двух точек зрения: во-первых нестабильность МСВ влияет на динамический диапазон линейных устройств, во-вторых,
низкий порог нестабильности МСВ делает возможным создание высокоэффективных интегральных СВЧ-устройств, принцип работы которых основан на нелинейной зависимости параметров активного элемента от мощности волны: параметрические усилители СВЧ-сигнала; ограничители и т.п. [31-33]. В дополнение к этому, в силу обобщенности математического описания нелинейных процессов в различных средах, экспериментальное исследование нелинейных свойств МСВ, как удобного модельного объекта, может быть полезным не только для спин-волновых приложений, но и для решении общей проблемы нелинейных волновых пучков солитонного типа. Использование методики оптической спектроскопии, основанной на выполнении законов сохранения энергии и импульса при взаимодействии волноводного света со спиновыми волнами, может дать новую информацию о свойствах пучков спиновых волн, в дополнение к традиционным СВЧ методам и классическим методам оптической спектроскопии.
Таким образом, есть два аспекта, которые определяют
актуальность исследований проблемы параметрического
взаимодействия ОВМ с магнитостатическими волнами в настоящей работе: исследования, направленные на оптимизацию параметров быстродействующих интегральнооптических спин-волновых ячеек, и постановка оптической волноводной методики исследования свойств и параметров пучков МСВ. Цель работы:
теоретическое и экспериментальное исследование процессов
неколлинеарного магнитооптического взаимодействия оптических
волноводных мод с магнитостатическими пучками в пленках ЖИГ.
Разработка экспериментальной методики, позволяющей с
необходимой точностью исследовать параметры магнитостатических пучков:- величину и ориентацию волнового вектора; угловой спектр плоских волн пучков (УСПВ); пространственную эволюцию УСПВ; параметры релаксации и нестабильности МСВ.
- изучение особенностей параметрического взаимодействия ОВМ с МСВ в наклонно намагниченной пленке ЖИГ (гироанизотропном волноводе), а также, в нормальном пространственно-неоднородном магнитном поле. Экспериментальное исследование пространственной эволюции УСПВ магнитостатических пучков, распространяющихся в пленках ЖИГ при отмеченных условиях.
исследование нелинейных свойств пучков МСВ, поведения спиновой системы феррит-гранатовых пленок в целом в широком диапазоне падающей СВЧ мощности, с помощью оптического волноводного зонда.
Научная новизна работы состоит в следующем: - разработана и апробирована оптическая методика определения основных параметров магнитостатических пучков, основанная на магнитооптическом взаимодействии волноводного света с переменной намагниченностью феррит-гранатовой пленки. С помощью оптической
волноводной методики исследована пространственная эволюция угловых гармоник пучков МСВ, распространяющихся в нормальном, наклонном и неоднородном магнитных полях;
определены зависимости параметров релаксации и порога нестабильности пучков прямых объемных МСВ (ПОМСВ) в функции волнового числа;
предложен метод расширения полосы взаимодействия магнитооптического брегговского преобразователя частоты света;
исследованы параметры частотно-зависимого искривления траектории МСВ-пучков, распространяющихся в поперечно-пространственно- неоднородном магнитном поле;
- построена теория рассеяния волноводного света в магнитном
гироанизотропном волноводе. Обнаружен эффект невзаимного
изменения эффективности взаимодействия ОВМ с МСВ в
наклонно-намагниченной пленке ЖИГ (в частности, получено почти
трехкратное увеличение эффективности дифракции по сравнению с
традиционной геометрией);
- в широком диапазоне спектра ПОМСВ и падающих СВЧ мощностей,
проведены исследования механизмов нестабильности
магнитостатических пучков и состояния статической компоненты
намагниченности ферритовой пленки. Обнаружен эффект
поперечной неустойчивости пучков ПОМСВ. Показано наличие
трех диапазонов падающей СВЧ мощности, которым соответствуют
различные механизмы нестабильности спиновой системы ферритовой
пленки.
Практическая значимость работы состоит в возможности использования разработанной методики невозмущающего контроля характеристик пучков МСВ и феррит-гранатовых пленок в целях оптимизации параметров планарных функциональных спин-волновых устройств. Например, возможность определения функции распределения СВЧ тока по апертуре микрополоскового элемента возбуждения МСВ может быть полезной при моделировании и разработке многосекционных систем возбуждения МСВ со сложной топологией (информация о состоянии спиновой системы может быть получена в любом сечении полностью, или частично металлизированной СВЧ-структуры, созданной на поверхности пленки). Определенные в работе параметры пучков МСВ, эффекты и условия взаимодействия волноводного света с МСВ позволят улучшить характеристики интегрально-оптических спин-волновых ячеек, расширить их функциональные возможности. В результате проведенных исследований созданы макеты планарных магнитооптических модуляторов лазерного излучения, анализатора спектра СВЧ сигналов.
Достоверность результатов работы определяется
использованием стандартной измерительной аппаратуры,
применением апробированных методов теоретического анализа
параметрических задач, современных вычислительных методов, а также согласием экспериментальных и расчетных зависимостей. Положения выносимые на защиту:
1. Особенность параметрических процессов рассеяния оптических
волноводных мод в гиротропной пленке выражается в
осциллирующем характере накапливающегося эффекта по длине
взаимодействия. В неколлинеарной геометрии взаимодействия
волноводного света с волной накачки данный эффект обусловлен
существованием четырех каналов рассеяния (два вырожденных) с
соответствующими условиями синхронизма. Таким образом,
результирующий эффект обусловлен суперпозицией вкладов
пространственных гармоник пучка накачки в процесс рассеяния.
-
Распределение переменных компонент намагниченности основной моды прямых объемных МСВ по сечению эпитаксиальной пленки ЖИГ не симметрично. Максимум плотности потока энергии волны смещен к области переходного слоя.
-
Ограниченные пучки прямых объемных МСВ обладают эффектом поперечной неустойчивости при условии двухмерной пространственной неоднородности статической компоненты намагниченности.
-
При повышении СВЧ мощности локальной системы возбуждения прямых объемных МСВ, спиновая система нормально-намагниченной пленки ЖИГ эволюционирует следующим образом:
а) развивается модуляционная и поперечная неустойчивость пучка;
б) нелинейный пучок МСВ становится источником параметричес
кого возбуждения дискретного спектра высших обменных мод
пленки;
в) увеличение связи спиновой системы с полем локальной накачки
приводит к образованию запороговой "ямы" намагниченности в
области системы возбуждения (с пологим дном и резкими краями), с
преимущественным возбуждением спиновых волн у нижней границы
спектра.
Апробация работы. Основные результаты исследований по теме диссертации докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах:
- на Республиканской научн.-техн. конференции "Параметрическая
кристаллооптика и ее применение". Карпаты, 1990;
-XII Всесоюзн. школа-семинар "Новые магнитные материалы микроэлектроники". Новгород. 1990;
- на XIV междунар. конф. "Когерентная и нелинейная оптика".
Ленинград. 1991;
- на V научн. семинаре "Физика магнитных явлений". Донецк. 1993.
- на Международном Симпозиуме по Магнитооптике "ISMO'91".
Харьков. 1991;
на Международной научно-технической конференции "Современная радиолокация". Киев. 1994;
на семинаре по спиновым волнам. ИРЭ , Москва. 1994.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 печатных
работ, список которых представлен в конце реферата.
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из
Похожие диссертации на Взаимодействие оптических волноводных мод с магнитостатическими пучками в пленках феррит-гранатов
