Интерференция встречных электромагнитных волн в магнитогиротропных средах тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

РГб од

На праЕах. рукописи

О Ь ЯЧй 1С; О

АФАНАСЬЕВ Сергей Анатольевич

ИНТЕРФЕРЕНЦИЯ ВСТРЕЧНЫХ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН В МАГНИТОГИРОТРОПНЫХ СРВДАХ

Специальность 01.04.07 -Физика твердого тела

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Ульяновск - 1997

Района выполнена в Ульяновском государственном университете

Научный руководитель: доктор физико-математических наук,

профессор Д.И.Семенцов

Официальные оппоненты: доктор физико-математическая, наук,

профессор 3.Т.Шипатов

док-гор физико-математических наук, доцент П.А.Поляков

Ведущая организация: Ульяновский филиал института

радиотехники и электроники РАН

Защита состоится "5" января 1998 г. в 11 часов на заседании диссертационного совета К 053-37-02 Ульяновского государственного университета по адресу: 432700, г.Ульяновск, ул. Л.Толстого, 42 (ауд. 42)

С диссертацией моагно ознакомиться в библиотеке Ульяновского государственного университета

Автореферат разослан "5" декабря 1997 г.

Отзывы на автореферат просим присылать по адресу:

432700, г.Ульяновск, ул. Л.Толстого, 42, научная часть

Ученый секретарь диссертационного совета

^^ С.С.Моливер

- 3 -

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Эффекты интерференции электромагнитных волн в тонких слоях широко используются в устройствах регистрации электромагнитного излучения и управления его параметрами, в методах измерения толщины слоев и параметров образувдих их материалов. Усиление интерференционного вффекта достигается за счет изменения оптической толщины слоя с помощью внешнего поля или путем создания многослойных структур. Для управления интерференционными вффектами монет быть также использовано явление интерференции встречных волн (ИВВ), наблюдаемое при падении на противоположные поверхности тонкого слоя двух независимых когерентных волн. Потоки внергии волн, возникающих при втом вне и внутри слоя, содержат интерференционный поток (ИП), величина которого определяется произведением амплитуд и разностью начальных фаз интерферирующих волн. Наличие ИП позволяет управлять параметрами излучения за счет изменения амплитудно-фазовых соотношений исходных волн.

ИЧВ использовалась в [1] для определения оптических констант тонких поглощающих пленок. В последнее время интерес к втому явлению возрос в связи с экспериментальным обнаружением вффекта просветления малопрозрачных слоев [2], связанного о формированием в слое специфического ИП, образованного встречными волнами. Данное явление названо "туннельной интерференцией" (ТИ) вследствие преобладания мнимых 'составляющих у постоянных распространения волн, проникающих в слой. Явление ИВВ и, в частности, эффекты ТИ к настоящему времени исследованы лишь в некоторых частных случаях сред о комплексными материальными константами: в неферромагнитных металлах, в дивлектриках в области аномальной дисперсии и в условиях полного внутреннего отражения, а также в усиливающих слоях [3-6]. Особенности интерференционного взаимодействия встречных волн (ВВ) в поглощающих и диспергирующих средах, возможность управления параметрами электромагнитного излучения, представляют несомненный интерес и требуют дальнейшего изучения.

Рассмотрение в качестве вещества слоя магнитогиротропных (МГ) сред представляет интерес в связи с такими их свойствами, как ферромагнитный резонанс (ШР) и поляризационные эффекты Фарадея, Керра, Коттона - Мутона [7,8]. Возникающие здесь воз-

можности управления эффектами ИВВ с помощью внешнего магнитного поля, а также поляризацией интерферирующих волн позволяют расширить сферу практических приложений данного явления. Таким образом, избранная тема исследований является актуальной как в научном, так и в практическом плане.

Цель работы; исследование интенсивностных и поляризационных вффектов, сопровождающих интерференции» двух плоских когерентных волн, падающих нормально на противоположные поверхности плоскопараллельного МГ слоя в условиях поперечного и продольного подмагничивания внешним магнитным полем; анализ возможностей их практического применения. В соответствии о втим:

- рассмотрено распространение двух когерентных ВВ в среде о комплексными величинами диэлектрической и магнитной проница-емостей при наличии частотной и полевой дисперсии материальных констант;

- рассчитаны полный и интерференционный потоки энергии вне и внутри слоя и связанное с ними тепловыделение; исследованы их зависимости от напряженности внешнего магнитного поля, параметров слоя и амплитудно-фазовых соотношений падащих на слой ВВ;

- исследованы эффекты изменения поляризации ВВ СВЧ и оптического диапазона в продольно и поперечно намагниченных слоях в зависимости от соотношения их амплитуд и разности начальных фаз;

- проведен сравнительный анализ исследуемых аффектов для различных материалов, применяемых в технике СВЧ и оптоэлектро-нике: ферритов-шпинелей, ферритов-гранатов, тонких металлических пленок.

Научная новизна работы состоит в следующем:

- впервые исследована ИВВ в средах с комплексными величинами диэлектрической и магнитной проницаемостей; выявлена роль ТИ в процессах переноса энергии через МГ слои в области сильной частотной и полевой дисперсии материальных констант с учетом электрических и магнитных потерь;

- показано, что при ИВВ в слое поглощающего магнетика существенную роль в формировании потоков энергии играет Ш, величиной и направлением которого можно эффективно управлять с помощью внешнего магнитного поля в области ФМР;

- рассмотрены особенности процессов диссипации энергии ВВ при одновременном наличии электрических и магнитных потерь;

исследовано распределение выделяемого тепла по координате внутри МГ слоя;

- впервые проанализированы эффекты изменения поляризации волн в условиях ИВВ: исследовано влияние встречной волны на величину эффектов Фарадея, Керра, Коттона - Мутона в тонких намагниченных слоях.

Практическая значимость работы заключается в том, что предложены способы управления параметрами электромагнитного излучения, а также тепловыделением в поглощающем слое за счет изменения внешнего магнитного поля и• амплитудно-фазовых соотношений падающих на слой ВВ, что может быть использовано в разработках различных устройств радио- и оптоэлектроники;

Положения, выносимые на защиту:

1. При ИВВ в гиромагнитном слое формируется ИП, максимальные значения которого связаны с областями резонансного поглощения. При втом возможно наиболее эффективное управление потоками электромагнитной энергии за счет изменения амплитудно-фазовых соотношений падащих на слой ВВ и реализуются просветление слоя, амплитудная модуляция потока энергии, усиление сигнала.

2. Характер зависимости энергетического потока от внешнего магнитного поля в области ШР определяется параметрами МГ слоя, в частности, величиной и соотношением электрических и магнитных потерь. Для слоя с фиксированными параметрами могут быть получены различные виды полевых зависимостей потоков энергии за счет изменения фазовых соотношений падащих ВВ на границах слоя.

3. Наличие в слое двух видов потерь (электрических и магнитных) уменьшает интерференционную составляющую тепловыделения. Для слоя о коэффициентом поглощения, превышающим 0.5, в областях резонансного поглощения возможно полное или почти полное (> 99 %) поглощение слоем энергии падащих на него волн.

4. Эффекты изменения поляризации при ИВВ в МГ слое определяются не только параметрами слоя, но и амплитудно-фазовыми соотношениями падающих на слой ВВ. Для слоя о фиксированными параметрами за счет изменения соотношения амплитуд и разности начальных фаз падающих волн могут быть получены произвольные значения азимута поляризации (от -50° до 90°) или эллиптичности (от -1 до 1) результирующей волны. Оптимальные условия для наб-

- б -

людения поляризационных вффектов ИВВ имеются для ферритов ш СВЧ в области отрицательных значений аффективной магнитной проницаемости.

Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на 17-й Конференции по распространению радиоволн (Ульяновск, 1993), на 14-й и 15-й Всероссийских школах-семинараг "Новые магнитные материалы микроэлектроники" (Москва, 1994, 1996), на 15-ом Международном симпозиуме по теории влектромаг-ветизма (15th URSI International symposium on eleotromagnetio theory, St.Petersburg, Russia, 1995), 4-ом Международном совещании-семинаре "Инженерно-физические проблемы новой техники" (Москва, 1996), на Международной конференции по электромагнетизму комплексных сред (BIiNISOTROPIOS'97 International Conference and Workshop on Eleotromagnetios of Complex Media, Glasgow, Great Britain, 1997), на научных семинарах в Ульяновском государственном университете и Ульяновском государственном педагогическом университете.

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 13 печатных работах, список которых приведен в конце автореферата.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы. Работа изложена на 173 страницах машинописного текста, содержит 44 рисунка и 1 таблицу. Библиографический список используемой литературы включает 153 наименования.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, дана краткая характеристика состояния исследований по данной проблеме, сформулированы цели работы, перечислены положения, выносимые на защиту, приведена структура диссертации.

Первая глава носит преимущественно обзорный характер.

В обсуждаются основные положения электродинамики МГ сред. Вводятся наиболее важные понятия, характеризующие принятую в работе модель изотропного намагниченного до насыщения ферромагнетика, приведены соотношения, описывающие распространение плоских электромагнитных волн в МГ среде в случаях поперечного и продольного намагничения.

В дана краткая характеристика МГ свойств исследуемых материалов, указаны области их практического применения, цриве-дены параметры материалов, используемые в дальнейших расчетах.

В 1.3 анализируются особенности полевых и частотных зависимостей волновых характеристик (постоянные распространения ж импедансы) плоских волн в средах с дисперсией магнитной проницаемости (подробное изложение данного вопроса в литературе отсутствует).

1.4 содержит обзор работ по исследованию ИВВ в различных типах сред с комплексными материальными константами. Результаты предшествущих работ обобщаются на случай среды с комплексными величинами дивлектрической и магнитной проница-емостей. Приведены соотношения, описывающие интерференционное взаимодействие двух плоских когерентных ВВ (в простейшем случае неограниченной среда), анализируются условия формирования и свойства возникающего при этом ИП и связанной с ним интерференционной составляющей тепловыделения.

В Ц? дан обзор литературы по исследованию особенностей поляризационных вффектов Фарадея и Керра в МГ слоях, связанных с наличием многократных внутренних отражений на границах раздела сред, приведены примеры проявления и практического использования этих интерференционных вффектов в различных частотных диапазонах. Рассчитаны отсутствующие в литературе зависимости полярного эффекта Керра в диапазоне СВЧ от толщины слоя.

Во второй главе исследуются интенсивностные эффекты ИВВ в гиромагнитном поперечно намагниченном слое в условиях 2МР. Анализируется возможность управления потоками внергии и тепловыделением в слое для различных магнитных материалов, используемых в СВЧ диапазоне. Выводы данной главы справедливы и для продольно намагниченного слоя в случае падения на него ВВ с правой круговой поляризацией.

В 2^1 решена граничная задача влектродинамики о нормальном падении двух плоских когерентных ВВ из вакуума на плоский слой магнитного материала, занимающий в пространстве область О * у * ^ (2 (область 2). Слой намагничен до насыщения вдоль оси г постоянным внешним магнитным полем напряженностью Н. Вещество слоя характеризуется комплексными величинами дивлектрической £ = с- (£" и эффективной магнитной проницаемостей [1 = ¡1' - IVя-Падащие волны поляризованы линейно, причем векторы напряжен-

- а -

ности их электрического поля ориентированы параллельно внешнему полю. При этом возникающие в слое волны являются нормальными волнами МГ среды, что позволяет выделить в чистом виде интен-сивностные эффекты. Проницаемость ц в этом случае обладает сильной полевой (частотной) дисперсией вблизи резонансных значений поля HR или частоты / . Амплитуды и начальные фазы волны А, падающей из области 1 (у < 0), обозначены А и ю . а волны В, падающей из области 3 {у > й) - В и (р0.

Из решения граничной задачи получены выражения для потоков энергии волн, формирующихся в результате интерференции исходных волн в областях 1-3. Потоки энергии волн, уходящих от поверхностей слоя в областях 1 и 3 состоят из потоков отраженной от слоя и прошедшей через него волн и ИП:

sli) = S<n + Sg1' + = -X[RAS 4 ТВг + 1АВоов(8 - A)], (1)

si3) _ s{3> + s<3) + s<3) _ zrTÂs + mz + IÀBoob(S +

Здесь X = с/8Я (с - скорость света в вакууме), R и Т - энергетические коэффициенты отражения и прохождения, I = 2(Ш})1/г -коэффициент интерференционной прозрачности, ô = - рв - &Qd -разность фаз падающих волн на границах раздела сред, kQ - волновое число падавдих волн в вакууме, А = tp - Ç - разность фаз, приобретаемых падащими волнами при прохождении через слой (tp) и отражении от него (Ç).

Расчеты в данном разделе проводились для слоя с параметрами монокристаллической марганцевой феррошпинели на частоте / = = 3.5 ГГц: е = 10 - t-7-2, намагниченность насыщения 4ЯИ0 = = 4400 Го, ширина линии 4MP M = 13 Э [9]. На рис. .1 показаны зависимости коэффициентов й, Т, 1 (кр. 1-3) от толщины слоя d при H = 280 Э. Видно, что коэффициент I имеет максимум в области толщин, где значения коэффициентов Ли Т близки друг к другу ("область интерференционной прозрачности"). Аналогичные максимумы величины I имеются на полевых зависимостях (рис. 2, расчет при й = 0.25 мм) по обе стороны от поля 4MP (ffR = 330 Э). В областях интерференционной прозрачности ИП дает наибольший вклад в полный поток энергии уходящих от слоя волн, что может быть использовано для эффективного управления потоками.

При изменении разнести фаз S полный поток S<3) изменяется с амплитудой ZIAB около среднего значения t (ТА2 + ЯВ2). Полевые

0.0

0.5

Рис. 1

1.0 1.5 (1, ММ

100

300 500

н, э

Рио. 2

зависимости максимального и минимального £„,„ (5 + Л -

пот тШ

= 0,я) потоков при Л = В показаны на рис. 2 (кр. 1,2). Здесь и'далее потоки нормируются на величину падающих потоков £<01. Таким образом, изменяя 5 при фиксированном Н, можно осуществить амплитудную модуляцию потока, которая наиболее эффективна в областях интерференционной прозрачности. Показано также, что для толщин слоя из области интерференционной прозрачности в широкой области значений Н возможно усиление сигнала. Коэффициент усиления х определялся как отношение изменений потока на входе (у = 0) и выходе (у = <3) слоя при изменении амплитуды волны А от О до А:

х = ^вых /А56г

Т + 1В/А.

(2)

(3)

Примеры полевых зависимостей коэффициентов модуляции

т = Риг " + Бт1п)

и усиления X при А = В, с1 = 0.25 мкм представлены на рио. 3 (кр. 1,2 соответственно).

На рио. 4 представлена зависимость максимального, среднего и минимального потоков в области 3 (5 + А = О, я/2, я, кр. 1-3) от соотношения амплитуд падающих на слой волн г) при <3 = 0.25 мм, И = 300 Э. Предполагалось, что исходный поток ¿'0 делится в отношении п (0 ^ I) ^ 1) на два потока, которые направляются: поток п£0 на поверхность слоя у = 0, а поток (1 - п)£0 - на противоположную поверхность у = <2. Из рисунка видно, что подбором значений 5 и г) можно в широких пределах изменять отража-

тельную и пропускательную способности слоя, в том числе осуществить его просветление (£?<3) = 0).

Таким образом, наличие Ш позволяет осуществить управление потоками энергии за счет изменения разности начальных, фаз и отношения амплитуд падающих волн, которое наиболее эффективно в областях интерференционной прозрачности. На оптимальный режим про светления, модуляции или усиления можно легко выходить, регулируя поле внешнее поле Н.

В 2^2 рассмотрены механизмы переноса енергии одиночной волны через МГ слой в области <ШР. Исследовались особенности, связанные с ТИ прямой и обратной (отраженной от противоположной границы раздела сред) волн внутри слоя. Показано, что перенос енергии через слой СВЧ феррита с малыми потерями в области отсечки (ЯАИ < Я < Яд), где (]' < О и преобладают мнимые компоненты постоянных распространения волн внутри слоя, осуществляется практически полностью за счет ТИ. В зарезонансной области преобладают потоки одиночных (прямой и обратной) волн. Для материалов с высокой проводимостью вклады обоих механизмов переноса энергии через слой сравнимы друг с другом.

В 2.3 на основе анализа выражений для ИП вне и внутри слоя объясняется характер полевых зависимостей потоков энергии при различных значениях 5. Показана возможность эффективного управления потоками енергии вне слоя в области ШР.

Для проведения анализа полевых зависимостей потоков энер-

гии выражения для МП вне слоя были записаны в виде:

S!nt = ~ ^о^5 + S2Binfi, = SjOOsS + S2sin5. (4)

Показано, что поток, пропорциональный ооеб, затухает внутри слоя в одном из двух направлений (вдоль или против оси у) и связан о процессами диссипации энергии: при его наличии происходит увеличение или уменьшение тепловыделения в слое. Поток S2, определяющий величину ИП при 5 = ±я/2, является незатухающим и не дает вклада в тепловыделение; его наличие приводит лишь к перераспределению электромагнитной энергии падающих волн. В средах без потерь присутствует только поток £?2. Каждый из этих потоков можно представить в виде суммы двух слагаемых:

S=S+S,S=S+S, (5)

1 11 12' 2 21 22' KJ'

где Slt = $Z'{\Z\z - 1)oos(fe'd)sh^'d),

Si2 = ~ + 1)eln(fe'd)oh(fe"£J3,

S2í = pZ'(\Z\3 - 1)sin(fe'd)oh(fe"d),

S22 = (JZ-flZI2 + 1}oos(fe'd}sh(fe"d). Здесь p = iXAB/\G\s, G = 2Zooe(fed) + l{Zz + 1)sin(fed); fe = fe' -- ífe" и Z = Z' + tZ" - комплексные постоянные распространения и импедансы волн внутри слоя. Первые слагаемые каждого потока возникают вследствие интерференции волн одного направления внутри слоя, а вторые, пропорциональные мнимой составляющей импеданса Z", связаны с ТИ встречных волн. Все эти потоки различным образом зависят от толщины слоя и его волновых характеристик fe и Z. Отсюда следует, что при изменении параметров слоя в зависимости от преобладания той или иной составляющей изменяется характер полевых и толщинных зависимостей суммарного ИП.

Обнаружено, что полевые зависимости интерференционного и полного потока в области SMP имеют ряд интересных особенностей, которые связаны о сильной зависимостью fe и Z от поля Ы. На рис. 5 представлены полевые зависимости потока S<3) для слоя марганцевой феррошпинели толщиной <3 = 0.25 мм при А = В и различных значениях разности фаз падающих волн: 5 = -я/2, 0, я/2, я (кр. 1-4). Видно, что для одного ферритового образца фиксированной толщины могут быть получены существенно различные типы полевых зависимостей потоков энергии в зависимости от разности фаз исходных волн. Наиболее эффективная модуляция потока с помощью

- -

внешнего поля осуществляется при 5 = +я/2 в окрестности поля ШР.

В 2.4 исследуются особенности процесса диссипации внергии ВВ при их интерференции в МГ слое, анализируется возможность управления поглощением электромагнитной внергии в слое за счет изменения внешнего поля и разности фаз падащих на слой волн.

Коэффициент поглощения (¡, определяемый как отношение поглощаемой слоем мощности к суммарной мощности двух падащих волн, содержит интерференционную составляющую Щ. При А = В, когда интерференционный эффект тепловыделения максимален, О определяется выражением:

(3 = (1 - Д - Т) - ХоовДсоеб = 0о + Д<2, (6)

где ¡Эо - коэффициент поглощения энергии одиночной волны. На рис. 6 приведен пример полевых зависимостей коэффициента 0 для слоя марганцевой феррошпинели толщиной й = 0.25 мм при А = В, 5=0, я/2, я (1-3). Кривые 1 и 3 определяют максимальные и минимальные значения С}, достижимые при изменении разности фаз 5. Величина Щ возрастает по мере удаления от областей интерференционной прозрачности; в самой этой области данный эффект меняет знак на противоположный.

Проведенный анализ показал, что при определенных условиях в слое о достаточно высоким уровнем поглощения (£30 > 0.5) максимальное значение 0 оказывается близким к 1, то есть мощность падащих на слой НВ поглощается практически полностью.

Для слоя с параметрами марганцевой феррошпинели найдены две таких ситуации: для слоя толщиной й = 0.045 мм при Н = HR и в области объемного резонанса при <3 = 2 мм, Н - 450 Э.

Минимальные значения Q при ИВВ в поглощающем слое при наличии только одного вида потерь (электрических и магнитных) стремятся к нулю [б]. В среде с двумя видами потерь вклады магнитных и электрических потерь в величину туннельной составляющей Щ противоположны по знаку и стремятся компенсировать друг друга. Для увеличения интерференционного эффекта необходимо, чтобы один из видов потерь преобладал над другим.

Проведен также численный анализ распределения объемной плотности мощности потерь по координате внутри слоя: Р(у) = = - dS(2)(y)/dy. В зависимости от параметров слоя, величины В и разности фаз 5 можно существенно изменять вид зависимости Р(у). В частности, могут быть получены равномерное, линейное и синусоидальное распределения тепловыделения по координате у внутри слоя.

В исследовались особенности полевых и частотных зависимостей энергетических потоков вне слоя в области ФМР для материалов с малым уровнем электрических потерь. Проведено сравнение полевых зависимостей потока S<3> при различных 5 для феррита с высокой электропроводимостью и малыми магнитными потерями (марганцевая феррошпинель, рис. 5) и для поликристаллического феррита с малыми электрическими, но с большими магнитными потерями (широкая линия ШР)'. Расчет проведен для никель-цинкового феррита на / = 10 ГГц с параметрами [9]: £ = 12- i-О.ОЗ, Шп = 4500 Гс, Ай = 450 Э = 1970 Э). Полевые

Уз» "

зависимости S для данного материала при А = В, й - 0.5 мм, 5 = -я/2, 0, я/2, Я (кр. 1-4) приведены на рис. 7. По сравнению с рис. 5 изменился характер зависимостей при S = +Я/2: максимальные и минимальные значения S<3) по обе стороны от Ян достигаются здесь при одном и том же значении 5.

В- качестве материала с малым уровнем как электрических, так и магнитных потерь рассмотрен монокристаллический келезо-иттриевый гранат (ЖИГ) на / = 10 ГГц: е = 14.8 - i-0.11, 4J£2fQ = = 1750 Гс, ДЯ = 0.6 Э [9]. На рис. 8 представлены полевые зависимости потока S(3) для слоя ЖИГ толщиной d = 0.25 мм при А = = В, 8 = -Я/2, 0, я/2 (кр. 1-3). Области полей по обе стороны от поля <ШР (Я = 2800 Э) существенно отличаются по своим

с<( 3)/С (

0"= 1000

2000 3000

о1— 2600

2800 3000

н, э

н, э

Рис. 7

Рис. а

свойствам. В области отсечки перенос внергии через слой осуществляется за счет аффектов ТИ. Величина ИП определяется здесь своей составляющей £?22. Полевые зависимости потоков в этой области аналогичны случаю поглощающего материала. Однако вследствие малости потерь максимальные значения полного потока вне слоя близки к своей предельной величине, равной суммарному потоку падающих волн (кр. 1). Таким образом, для магнитных материалов. с малыми потерями в области отрицательных значений Ц' управление потоками за счет изменения амплитудно-фазовых соотношений падающих волн оказывается наиболее эффективным.

В области Н > Нв среда близка по свойствам к прозрачному диэлектрику. Основной вклад в ИП здесь дает составляющая В . Из рис. 8 видно, что полевые зависимости потоков- имеют здесь более сложный характер. Например, ИП изменяет свой знак в точке согласования импедансов граничащих сред, где |2|а = 1 (поле И = = 2880 Э). При достаточно больших толщинах слоя в зарезонансной области появляются объемные резонансы, связанные с образованием внутри слоя стоячих волн. На рис. 9 приведены полевые зависимости, потока Б13) для слоя ЖИГ в области существования объемных резонансов: ¿2 = 5 мм при А = В, б = -к/2, О, я/2 (кр. 1-3). Видно, что по обе стороны от кавдого объемного резонанса имеются максимумы коэффициента I. При втом полевые зависимости потока й'3* для различных 6 аналогичны рассмотренным выше зависимостям для поглощащих ферритов в окрестности поля ШР. Таким

о(3)/е (О) £ /^А. В

4000 9.08

н, э

Рис. 9

9.12 9.16

/, ГГц

Рис. 10

образом, области объемных резонансов могут также использоваться для интерференционного управления потоками энергии.

На рис. 10 приведен пример частотных зависимостей потока й'31 для слоя монокристаллического ЖИГ вблизи резонансной частоты / = 9.13 ГГц при Н = 2500 Э, й = 0.25 мм, А - В, 5 = О, я/2 (кр. 1,2). Для сравнения показана зависимость коэффициента прохождения Т одиночной волны. Видно, что ширина кривой резонансного поглощения при наличии ВВ может быть уменьшена более чем в 10 раз. Этот факт может быть использован для улучшения характеристик частотно-избирательных устройств СВЧ на основе монокристаллов ферритов.

В 2Л рассмотрен предельный случай решаемой в данной главе задачи для вещества о высокой проводимостью, когда можно пренебречь величиной е' по сравнению о е". Расчеты полного и интерференционного потоков энергии вне слоя, а также коэффициента С) проведены для тонких металлических (пермаллоевых) пленок в диапазоне СВЧ. Проведенный анализ показал, что максимальные величины рассматриваемых интерференционных эффектов достигаются вне резонансной области полей, поэтому использовать внешнее магнитное поле для управления потоками энергии и тепловыделением в этом случае нецелесообразно.

Третья глава посвящена исследованию эффектов преобразования поляризации двух плоских когерентных ВВ с линейной поляризацией, падающих нормально на противоположные поверхности

намагниченного слоя. Исследовались параметры поляризации (азимут и эллиптичность) волн, уходящих от поверхностей слоя. Сущность рассмотренных эффектов состоит в том, что параметры поляризации результирующих волн зависят от амплитудно-фазовых соотношений исходных ВВ.

В ЗИ. рассмотрено изменение поляризации двух ВВ диапазона СВЧ при их интерференции в продольно намагниченном слое. Считалось, что обе падающие волны имеют одинаковую линейную поляризацию. Нормальными волнами продольно намагниченной МГ среды являются волны с круговой поляризацией, поэтому для решения граничной задачи падающие волны разлагались на компоненты с правой и левой круговой поляризацией. Амплитуды и начальные фазы этих компонент обозначены: для волны А: А и (рА, для волны В - В и (р0. Исследовалась поляризация волны Б, уходящей от поверхности слоя в области 3. Для амплитуды и фаз ее циркулярно поляризованных компонент получено выражение:

|В±!2 = Iг±IгВ2 + П±\гА3 + 2|г±| |4±|^Воо8(5 + <р± - 5±) (7)

|г±|£з1п(рв + коа + е+) + I + ч>±) - ->

|г±|Всов(рв + коа + у + |{±иоов(?А + <р±)

где t+ = |t+|exp(tlp+), г+ = Iг+1ехр£+} - амплитудные коэффициенты прохождения и отражения. Параметры поляризации (угол поворота плоскости поляризации 5 и эллиптичность Э) волны В определялись соотношениями:

* - 0Р+ - Р-У2' э = (1Л+1 - 1Л_1)/(1Д+1 + 1В_1). (8)

Рассчитаны и проанализированы зависимости параметров 5 и Э от толщины слоя й, внешнего поля Н и амплитудно-фазовых соотношений падающих волн. Расчеты проведены для слоя о параметрами поликристаллического ЖИГ на частоте 10 ГГц. Показано, что значения 9 и Э могут существенно отличаться от значений в случае падения одиночной волны, определяемых эффектом Фарадея для прошедшей через слой и полярным эффектом Керра для отраженной волны.

Показано, что, регулируя разность фаз и соотношение амплитуд падакадих волн, можно изменять величину и знак результирующего поляризационного эффекта. Установлено, что имеется интервал АЬ = [Ь^ Ъа] значений относительной амплитуды Ь = В/А, с

ч?, град

а

э

я

0

"Ч

Рис. 11

Ф, рад

которым связаны аномальные значения параметров 9 и Э (Ъ1 2 = = 11±|/|г±|).

На рис. 11 представлены зависимости величин 9 (а) и Э (б) от фазы встречной волны В ф = рд + &0<3 при Я - 4000 Э (область отсечки), <2 = 3.5 мм, рА = 0 для различных значений относительной амплитуды Ь = В/Л: Ъ = 0.05, 0.12, 1.00, 10.18, 20.00 (кр. 1-5). При Ъ < Ь4 и Ь > Ъ2 (кр. 1,5) параметры 5 и Э изменяются в некоторых интервалах АЗ и АЭ вблизи значений Эр и Эк, соответствующих "чистым" эффектам Фарадея и Керра. При Ь = Ъí (кр. 2) и Ь = Ь2 (кр. 4) АЗ = 90°, зависимость «Н(р) оказывается линейной, имеющей скачок при определенном значении Ф (поляризация волны Б в этой точке является круговой). При значениях относительной амплитуды из интервала Ай возможна ситуация, когда угол 5 при линейном характере фазовой зависимости пробегает при изменении Ф все свои возможные значения от -90 до 90° (кр.З). Поляризация волны Б при втом близка к линейной.

Значения <2 и Н на рис. 11 подобраны так, что выполняются условия: и+| « 1г+|, |г_| « Проведенный анализ пока-

зал, что по мере приближения значений |г+| и I4±1 друг к другу сужаются интервалы значений фазы и относительной амплитуды АФ и ЛЬ, в которых наблюдаются аномалии поляризационных эффектов. Фазовые зависимости величины в становятся при втом нелинейными.

В 3^2 исследована возможность реализации описанного в 3.1 поляризационного эффекта в коротковолновых областях спектра

(видимой, ближней ИК). Постановка задачи ке отличалась от рассмотренной в 3.1. Анализ проведен для различных материалов, используемых в прикладной магнитооптике: тонких пленок висмутсодержащих ферритов-гранатов и металлов (кобальт). Среда рассматривалась как гировлектрическая, то есть исследуемые поляризационные эффекты определялись недиагональными членами тензор; диэлектрической проницаемости.

Установлено, что в этих частотных диапазонах аномальн< высокие значения параметров поляризации достигаются лишь 1 сравнительно узких интервалах фазы Аф и относительной амплитуд ЛЬ. За их пределами значения параметров 3 и Э близки к наблюда^ емым в случае одиночной волны. Кроме того, область поляризаци онных аномалий совпадает с интерференционным минимумом поток энергии результирующей волны. Обнаружено, что для большинств из рассмотренных материалов интенсивность волны Б в облает поляризационных аномалий близка к нулю. Лишь для пленок висмут содержащего феррита-граната в видимом диапазоне (на длине волн 0.63 мкм), обладающих повышенным уровнем эффекта Фарадея [8] получено приемлемое для наблюдений значение интенсивности ре зультирущей волны ~ 0.2) для пленки толщиной поря;

А

ка 10 мкм. Таким образом, установлено, что практическая реалв зация эффектов аномального изменения поляризации в при ИВВ коротковолновых областях спектра возможна лишь для материале со специально подобранными параметрами. Проведенный анал1 показал, что для ферритовых слоев в диапазоне СВЧ интенсивное; волны Б достаточно велика.

В 3^3 исследуются поляризационные эффекты ИВВ в попереш намагниченных слоях ферритов в диапазоне СВЧ. Постановка зада' отличалась от рассмотренной в главе 2 тем, что азимут поляриз; ции падающих на слой ВВ составлял 45° относительно направлен внешнего магнитного поля. Показано, что в этом случае так возможно управление поляризацией результирующей волны за сч изменения амплитудно-фазовых соотношений волн А и В. Характ фазовых и толщинных зависимостей азимута и эллиптичности вол Б аналогичен случаю продольно намагниченного слоя. Облас поляризационных аномалий в этом случае определяется значения относительной амплитуды Ь, при которых амплитуды параллельной ортогональной внешнему полю компонент волны Б равны.

В заключении кратко сформулированы основные результаты

вывода данной работы.

ВЫВОДЫ

В диссертационной работе теоретически исследованы особенности интеноивностных и поляризационных эффектов ИВВ в поглощающих МГ слоях. Решена задача об интерференции двух когерентных ВВ при их нормальной падении на плоскопараллельный намагниченный слой. В качестве материала слоя рассмотрены гиромагнитная среда на СВЧ (в области ЗМР) и пароэлектрическая в видимом и ближнем ИК диапазонах. Рассчитаны и проанализированы зависимости потоков внергии и параметров поляризации образующихся в результате ИВВ волн, а также тепловыделения в слое от напряженности внешнего магнитного поля, от соотношения амплитуд и разности начальных фаз исходных волн и от параметров слоя.

Основные результаты работы сводятся к следующему:

1. Потоки внергии волн, образующихся при ИВВ в слое погло-щащего магнетика, включают в себя ИП, зависящий не только от параметров слоя и амплитудно-фазовых соотношений падающих волн, но и от напряженности внешнего магнитного поля.

2. В общем случае в слое формируются ИП двух типов. Наличие ИП одного типа проявляется в простом перераспределении энергии исходных волн. В слое с потерями возникает дополнительный ИП, связанный с усилением или ослаблением диссипации внергии в слое.

3. Наличие ИП позволяет осуществить управление потоками электромагнитной внергии за счет изменения отношения амплитуд и разности начальных фаз падающих на слой волн. Управление потоками наиболее эффективно в области интерференционной прозрачности, где значения энергетических коэффициентов отражения и проховдения близки друг к другу. Для гиромагнитного слоя выполнения данного условия можно добиться, регулируя внешнее магнитное поле в областях резонансного поглощения энергии (поле $МР, объемные резонансы).

4- Оптимальные условия для управления потоками энергии за очет ИП имеются для ферритов с малыми потерями в области отрицательных значений аффективной магнитной проницаемости.

5. В областях резонансного поглощения возможно эффективное управление потоками энергии с помощью внешнего магнитного

поля, характер полевых зависимостей определяется разностью фаз падающих на слой волн и параметрами слоя, в частности, величиной и соотношением электрических и магнитных потерь.

б. Изменяя разность фаз падающих на слой ВВ и внешнее магнитное поле, можно изменять в широких пределах поглощатель-ную способность слоя. Наличие в слое двух видов потерь (электрические м магнитные) уменьшает величину интерференционной составляющей тепловыделения.

7- В режиме ИВВ в областях резонансного поглощения возможно полное поглощение слоем энергии падающих на него волн. В зависимости от параметров слоя, напряженности внешнего поля и разности фаз падающих на слой волн могут быть получены различные распределения плотности мощности выделяемого тепла по координате внутри слоя.

8. Для тонких пленок ферромагнитных металлов использование внешнего магнитного поля для управления эффектами ИВВ нецелесообразно.

9. Поляризацией волн, формирующихся в результате интерференции встречных волн в магнитогиротропном слое можно управлять за счет изменения амплитудно-фазовых соотношений исходных волн. В частности, для слоя с фиксированными параметрами могут быть получены произвольные значения азимута поляризации или эллиптичности результирующей волны.

10. Оптимальные условия для реализации поляризационных эффектов ИВВ имеются для СВЧ ферритов в области отрицательных значений эффективной магнитной проницаемости. В оптическом и ближнем Ж диапазонах область аномальных значений параметров поляризации совпадает с интерференционным минимумом интенсивности результирующей волны, что затрудняет или делает невозможным наблюдение и использование данного эффекта.

Основное содержание работы изложено в следующих публикациях:

1. Семенцов Д.И., Ефимов В.В., Афанасьев С.А. Туннельна электромагнитная интерференция в условиях ферромагнитного резо нанса // Письма в ЖТФ.- 1993.- Т.19, вып.11.- С. 6-11.

2. Афанасьев С.А., Ефимов В.В., Семенцов Д.И., Широков А.А Туннельная интерференция в активных средах // Тез. докл. 17-й Конференции по распространению радиоволн. Секц.3-5. Ульяновск,

21-24 сентября 1993.- Ульяновск, 1993.- С. 48-49.

3- Афанасьев С.А., Ефимов В.В., Семенцов Д.И. Энергетические потоки при интерференционном туннелировании металлических пленок // Письма в ЖТФ.- 1993.- Т.19, вып.22.- С. 84-88.

4. Афанасьев С.А., Ефимов В.В., Семенцов Д.И. Интерференция встречных волн в тонком дивлектрическом слое // Опт. и спектр.- 1994.- Т.76, N 3.- С .475-478.

5- Афанасьев С.А., Семенцов Д.И. Туннельная интерференция встречных волн в магнитогиротропных средах // Тез. докл. 14-й школы-семинара "Новые магнитные материалы микроэлектроники", Ч. 1. Москва, 26-29 сентября 1994. - 1994- - С. 59-60.

6. Sementsov D.I., Afanasyev. S.A., Efimov V.V. Tunnel interference of counter-running waves in the media with complex refraotive index // Proo. oí the 15th IffiSI International symposium on eleotromagnetio theory. May 23-26, 1995.- Russia, St.Petersburg. - 1995.- P. 20-22.

7. Афанасьев С.А., Семенцов Д.И. Туннельная интерференция в поглощающем слое с дисперсией магнитной проницаемости // Изв. вузов. Радиофизика. - 1995- - Т.38, N 11. - С. 1124-1132.

8. Ефимов В.В., Афанасьев С.А. Особенности интерференционного просветления плоского слоя в области аномальной дисперсии U Тез. докл. 4-го Межд. совещания-семинара "Инженерно-физичес-<ие проблемы новой техники". Москва, 21 - 23 мая 1996. - М.: ЯГУ, 1996. - С. 166-1679. Афанасьев С.А., Ефимов В.В.Семенцов Д.И. Туннельная

штерференция встречных волн в ферритовых слоях в области отрицательной магнитной проницаемости // Тез. докл. 15-й Всероссий-зкой школы-семинара "Новые магнитные материалы микровлектро-шки". Москва, 18 - 21 июня 1996. - М.: Изд-во УРСС, 1996. -308-309.

10. Афанасьев С.А., Семенцов Д.И. Энергетические потоки гри интерференции встречных СВЧ волн в магнитогиротропных слоях '/ Радиотехн. и электрон. - 1996. - Т.41, N 12. - С. 1462-1467.

11. Афанасьев С.А., Семенцов Д.И. Интерференция встречных юлн СВЧ диапазона в поглощавдей поперечно намагниченной среде '/ Теоретическая и экспериментальная физика: Ученые записки 'льяновского государственного университета. - Вып. 2. / Под !вд. С.В.Булярского. - Ульяновск: Изд-во СВНЦ, 1996.- С. 41-57.

12. Afanasiev S.A., Sementsov D.I. Polarization effeots of

opposite waves interference in longitudinally magnetized layer // Proc. oi BIAIilSOTROPICS197 International Conference and Workshop on Electromagnetics of Complex Media. 5-7 June, 1997. Glasgow, Great Britain. - Glasgow: 1997. - P. 209-210.

13- Афанасьев С.А., Семенцов Д.И. Туннельная интерференция встречных волн в области отрицательной магнитной проницаемости // Журн. техн. физ. - 1997. - Т.67, вып.10. - С. 77-80.

СПИСОК ЦИТИРОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Shamir J. Double-beam interferometers for analysis of thin films // Opt. Engineering. - 1980. - v.19, И 6. - P.801--806.

2. Сидоренков В.В., Толмачев В.В. Эффекты электромагнитной интерференции е.металлических пластинках // Письма в ЖТФ. -1990. - Т.16, вып. 3- - С. 20-25.

3. Бакрадзе Р.В., Врандт Н.Б., Толмачев В.В. Интерференционная прозрачность плоскопараллельной пластинки при падении на нее с двух сторон плоских электромагнитных волн // Механика сплошной среды. - М.: ВЗПИ, 1984. - С. 3-15.

4. Sementsov D.I., Efimov V.V. Interference characteristic features of the transmission of opposing waves through layers with a complex refractive Index // Journ. Phys. D: Appl. Phys. - 1995- - V.28. - P.1225-1231.

5- Ефимов В.В., Семенцов Д.И. Интерференция встречных волн в поглощающей среде с частотной дисперсией // ЖТФ. - 1995.-Т.65, N 10. - С.184-186.

6. Ефимов В.В., Семенцов Д.И. Диссипация энергии в условиях интерференции встречных волн в поглощающем слое // ЖТФ. -1997.- Т.67, К 2. - С.118-120.

7. Гуревич А.Г., Мелков Г.А. Магнитные колебания и волны. - М.: йизматлит, 1994. - 4б4 с.

8. Звездан А.К., Котов В.А. Магнитооптика тонких пленок. -M.i Наука, 1988. - 189 с.

9. Справочник по электротехническим материалам / Под ред. Ю.В.Корицкого, В.В.Пасынксва, Б.М.Тареева. - Т.З- - Л.: Энерго-атомздат, 1988. - 728 с.