Введение к работе
В течение последних нескольких десятилетий резко возрос интерес исследователей к физике волновых взаимодействий. Проводимые в этой области исследования вносят существенный вклад в познание основных законов природы и изучение качественно новых физических явлений. Не ненее важны и прикладные аспекты. Стремительный прогресс в области оптических и оптоэлектронных технологий, создание высокоэффективных оптоэлектронных систем обработки информации в семидесятые и восьмидесятые годы сделали важным исследование особенностей взамодействий света с волнами различной Физической природы.
В оптических информационных системах оперативной обработки широкополосных.и сверхширокополосных радиосигналов особенно эффективно применение взаимодействий оптического ізлучения с медленными волновыми процессами, выступающими в *том случае в качестве носителей информации.
Акустооптические методы, бурное развитие которых пришлось на семидесятые годы, зарекомендовали себя такими несомненньши достоинствами как простота осуществления спектрального и корреляционного анализа,- высокое быстродействие, большой объем параллельно обрабатываемой информации, высокие экономические показатели.
Многообещающей представляется^ перспектива применения в качестве модулирующей волны вместо упругих колебаний спиновых волн в тонких ферромагнитных пленках. Наиболее эффективно магнитооптическая модуляция света спиновьии волнами осуществляется тогда, когда обе взаимодействующие волны
распространяются непосредственно в нагнитной пленке кате в диэлектрическом волноводе Сволноводное взаимодействие}. При наличии на настоящий номент отработанной технологии выращивания пленок ферритов-гранатов с высокими оптическими и СВЧ параметрами создается физическая основа для- создания нового поколения интегрально-оптических устройств обработки информации, функционально аналогичных акустооптическин, но способный действовать на частотах 3-20 ГГц, в принципе недоступных акустооптике.
Не иенее перспективно использование магнитооптического
зондирования спиновых и иагнитостатических волн. .. їогатство
волновых проявлений магнитных вознущений в ферромагнитных
-пленках благодаря разнообразию дисперсионных и нелинейных
свойств делает их уникальный объектом исследования.
Приведенные соображения свидетельствуют об актуальности тематики работы. Они также определяют цель настоящей диссертации: выявление на основе всестороннего теоретического и экспериментального исследования основных закономерностей волновадного взаимодействия оптического излучения с дипольныни и дипольно-обменныни спиновыми волнами в ферромагнитных пленках.
Хотя экспериментальная часть работы была выполнена на монокристаллических пленках Ферритов-гранатов, фактически эти материалы выступали как классические ферронагнетики с одной магнитной подрешбткой. По этой причине при теоретическом анализе была принята ферромагнитная модель /\/. Соответственно, в названии работы и в самбм ее . тексте во избежание неясности и двусмысленности изъяты ссылки на ф»рримагнетизм, а употребляется лишь тернин ферромагнитные
материалы С пленки, структуры, и т.д.Э
Научная новизна. В результате проведенных исследований была построена теория:
-дифракции света на спиновых волнах сложного спектрального состава;
-взаимодействия опті ских волноводных нод со спиновыми волнами в ферритовых пленках в присутствии сильного постоянного магнитного поля;
-нелинейного тензора нагнитной проницаености, учитывающего обменную и "пленочную" специфику спиновых волн.
Проведено экспериментальное исследование взаимодействия оптических волноводных мод с дипольньши и диполь-обменными спиновыми волнами
-в коллинеарной и неколлинеарной геометрии;
-в нормально и касательно намагниченном пленочной волноводе;
' -в плёнках чистого иттрий-железного граната и в висмут-легированных пленках;-
-в узких Сдвумер^ныхЭ волноводах спиновых волн;
-при малых и больших уровнях мощности в спиновой волне.
Кроме того, было изучено влияние локального термического воздействия лазерного излучения на оптические свойства Ga- и А1-заме.їіенньіх пленках ферритов-гранатов.
На основе новых научных результатов сформулированы следующие научные положения, выносимыми на защиту:
1. Существует оптимальная толщина ферромагнитной пленки, при которой наблюдается максимальная эффективность магнитооптической дифракции. Каксинун эффективности смещается
-S-
в сторону больших толщин с одновременным падением общего
уровня дифракции, если
-увеличивается порядковый номер пары оптических, мод;
-увеличивается ширина антенны СВ;
-увеличивается параметр диссипации АН.
В случае дифракции на поверхностных волнах эффективность дифракции падает также при уменьшении частоты ферромагнитного резонанса ы„.
3. Магнитооптическое взаимодействие широкополоснее, чем акустооптическое Спри прочих равных условиях}; ширина полосы частот эффективной дифракции в магнитооптическом случае ограничивается лишь возможностями излучающей спин-волновой антенны. Этот вывод справедлив в широкой полосе частот Сот 3 ГГц до 20 ГГцЭ.
-
Асимметрия магнитооптических коэффициентов связи при дифракции типа ТЕ.»ТМ и tH+ТЕ существенно меняет структуру дифракционных порядков при двухмагнонной геометрии взаимодействия. Благодаря этому обеспечивается 90-95 процентный уровень дифракции в первый порядок, тогда, как ' в акустооптике при двухфононной дифракции максимальная эффективность составляет только 50%.
-
При двухмагнонной геометрии полоса частот нелинейных дифракционных искажений на комбинационных частотах в -І2ДД раз уже, чем на основных частотах; Л/? - двулучепреломление в паре оптических мод, і - длина взаимодействия. Соответственно, использование этой геометрии позволяет развязать отдельные спин-волновые гармоники . по дифракционным нелинейным искажениям.
5.При коллннеарной дифракции оптических мод в карательно
намагниченных структурах пик рассеяния инеет сложную "тонкую" структуру, что обусловлено следующими причинами:
-в волноводах из чистого ИЖГ расщепление основной линии происходит за счет дифракции на дискретном наборе поперечных спин-волновых мод, характерных для волноводов конечной ширины СЗ мм и иенееЗ;
-в висмут-легированных пленках образование дополнительных линий происходит как следствие сильной гибридизации спектра дипольно-обменных спиновых волн при закреплении спинов на поверхностях пленки.
6.Увеличение нощности спиновой волны при коллинеарной дифракции на объемных волнах приводит к смещению и расширению основного пика из-за нелинейного .пространственно неоднородного уменьшения величины постоянной намагниченности.
7. В плвнках 0а-,А1-занещённых ферритов-гранатов в результате теплового воздействия лазерного излучения происходит локальное изменение не только магнитных свойств, но и оптического показателя прелонления Дл. Величины Дл для пленок с содержанием Оа порядка 2-10 , а для пленок с содержанием А1 порядка 10 э дают возможность осуществлять дифракцию оптического излучения на' периодических структурах, полученных лазерным отжигом. В основе эффекта лежит появление фотоупругой добавки к показателю прелонления вследствие изменения решеточного параметра пленки в процессе перераспределения катионов нежду подрешвтками.
Достоверность и практическая значимость. Достоверность основных положений диссертации определяется:
-совпадением экспериментальных данных с расчетными, полученными на базе развитой в диссертации теории;
-экспериментальным обнаружением ряда теоретически предсказанных явлений;
-корректным использованием современных ' аналитических и рассчетных методов.
Результаты теоретического исследования магнитооптического взаимодействия, включающие расчеты параметров перспективных режимов и геометрий, могут непосредственно использоваться при проектировании оптических устройств обработки информации.
В ходе выполнения экспериментов по неколлинеарной дифракции был впервые создан действующий макет магнитооптического спектроанализатора. Эксперименты по коллинеарным режимам дифракции создали основу для разработки магнитооптических устройств сдвига оптической частоты.
Исследование теплового воздействия лазерного излучения на свойства пленок сложно-замещенных ферритов-гранатов привело к созданию новой технологии фазовых дифракционных решеток в интегральной оптике.
Кроме того, были выявлены многочисленные возможности эффективного использования оптического зондирования для исследования физики магнитных возмущений в пленках Ферритов-гранатов при коллинеарной и неколлинеарной дифракции света, а также при его магнитотериическом отклонении.
Личный вклад автора. Вся теоретическая часть работы выполнена автором самостоятельно.
Лично диссертантом созданы экспериментальные установки по исследованию магнитооптических взаимодействий. Во всех экспериментальных работах автор принимал ' непосредственное участие, степень которого отражена в порядке списка соавторов соответствующих публикаций.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы были представлены и обсуждались на международных и национальных конференциях, семинарах, симпозиумах, в том числе:
Всесоюзной конференции по оптической обработке информации СЛенинград, 19883-
- Всесоюзных конференциях по акустоэлектронике и
квантовой акустике ССаратов 19833;
- Всесоюзных школах-семинарах "Спинволновая электроника
СВЧ" САшхабад, 1985; Краснодар,- 1987; Львов, 1989;
Звенигород, 19913;
Всесоюзной научно-технической ' конференции "Интегральная электроника СВЧ" СКрасноярск,1988};
*- Всесоюзном сенинаре по функциональной "'магнитоэлектро'нике СКрасноярск, 19883;
- Всесоюзной школе-семинаре "Взаимодействие э/м волн с
полупроводниково-диэлектрическими структурами" ССаратов,19883;
' - Всесоюзных семинарах- "Спиновые волны" СФТИ им.А.Ф. Иоффе, Ленинград 1988, 1990; Санкт-Петербург,19943;
- Международном симпозиуме "Поверхностные волны в твердых телах и слоистых структурах" СНовосибирск, 19863;
. - Международном семинаре "Acoustooptics: Research and Developments" СЛенинград. 19903;
Международных конференциях по магнетизму* IHTERHAG (Brighton,UK,1990; Stockholm,Sweden,1993);
Международных конференциях Magnetism and Magnetic Materials МММ (San-Diego,USA,1990; Houston,USA,1992);
Совместной международной конференции INTERMAG-MHM (Pittsburgh,USA,1991);
- Европейской конференции по магнетизму ЕННА'90
(Dresden, Эегпвпу, 1990);
Европейской конференции по оптике ОРТО'91 Onziennes Journees Professionelles (Paris, 1991);
Конференции Национального Центра Научных Исследований Франции CHRS (Meudon-Bellevue, France, 1991);
Международной школе по волноводной оптике (Sydney, Australia, 1992);
Австралийской конференции по волоконно-оптической технологии АС0ГТ'92 (Hobart, Tasmania, 1992);
- Конференции оптического общества Австралии .(Sydney,
Australia, 1993).
Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 48 печатных работах, список которых приведен в конце автореферата.
Объем диссертации 368 страниц. Она состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Основная часть изложена на 226 страницах машинописного текста. Работа содержит 94 рисунка н 16 таблиц. Список литературы включает 208 наименований.
