Исследование коллинеарной дифрации света на спинеовых волнах в пленочных ферромагнитных волноводах на основе чистого и висмут-замещенного ЖИГ тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

Г6 Ол 5 ЛОР 1393

Санкт-Петербургский Государственный электротехническиа университет

На правах рукописи Матюшав Вячеслав Владимирович

ИССЛЕДОВАНИЕ КОЛЛИНЕАРНОЙ ДИФРАКЦИИ СВЕТА НА СПИНОВЫХ ВОЛНАХ В ПЛЕНОЧНЫХ ФЕРРОМАГНИТНЫХ ВОЛНОВОДАХ НА ОСНОВЕ ЧИСТОГО И ШШЭТ-ЗАЫЕЩШШОГО ШИТ

Стадиальность 01.04.03 - Радиофизика, включая квантовую радиофизику

АВТОРЕФЕРАТ дассарггащш на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Санкт-Петербург - 1993

Работа выполнена в Санкт-Петербургском Государственном электротехническом университете

Научный руководитель -

кандидат физико-математических наук Стацшэвич A.A.

Официальные оппоненты :

доктор физико-математических наук Агеев А.Н.

кандидат физико-математических наук доцэнт Фетисов Ю.К.

Ведущая организация - НИИ "Домен"

Защита диссертации состоится « Х933 г. в

часов на заседании специализированного совета К.ОЬЗ.Зб.П Санкт-Петербургского Государственного электротехнического университета по адресу: I9737В, Санкт-Петербург, ул.Проф. Попова, 5.

С диссертацией можно ознакомиться в -библиотеке ЭЛТУ Автореферат разослан "¿9_" 1993 г.

Ученый секретарь специализированного совета

Соботковский Б.Е.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность теш. Разработка в середине 70-х гадав тохнала-гии синтеза монокристаллических' эпигаксиалышх . пленок" железо-нттриэвого граната (ЖИГ) явилась толчком к активному теоретическому и экспериментальному исследованию спиновых волп (СБ) и'оптических волноводных мод (ОВМ) в таких пленках. В первой половине восьмидесятых годов начало развиваться новое перспективное направление в магнитооптике (МО)- волноводаая МО . Создание высококачественных ферромагнитных пленок (ФП) на основе висмут-замещениых феррит-гранатов^Я,Зу, имеющих одноврашнно хороша оптические и магнитные параметры, сделало реальной перспективу создания нового класса штэгрально-оптических устройств модуляции лазерного излучения дня опгозлектронных устройств обработки и передачи информации и устройств обрвбопп! радиосигналов на основе МО взаимодействия ОВМ и СВ. Такие устройства будут во многих отношениях аналогичны 'акустоопгическим с той существенной разницзп, что они способны функционировать .па частотах от 3 ГГц до 50 ГГц, трудна доступных акустооптгасе.

К настоящему времени достаточно хорошо развита теория МО гаащадооствин ОВМ и СВ; получены фэрронагшггныо материалы с. малыш-оптическими и-магнтиыии потерями и высоккмй канстантаки взаимодействия • свата и магнитного поля; ясны, перспективы применения эффекта.

В . настоящее' BggMfl наиболее перспективной представляется реализация узкошлоснъя устройств, перестраиваемых в широком частотном диапазоне, на основе коллинеарного взаимодействия ОВМ_гг СВ: сдвнгатзлэй оптических частот, модуляторов света, узкавдлосных. оптических. настраиваемых " фильтров. Одновременно с этим взаимодействие ОВМ - и СВ в ферромагнитных пленках является эффективным инструментов изучения характеристик СВ.

Однако ряд важных вопросов к моменту начала работы над диссертацией на рассматривался. Сюда относятся задачи исследования МО взаимодействия ОВМ и диюльно-обменных СВ в висмут-замешенных ФП ШИТ, поиск оптимальных - с точки зрения повышения эффективности дифракции значения толщин ФП и длин области взаимодействия ОВМ и СВ, а также исследование дифракции- ОВМ на СВ в ферромагнитных волноводах <ФВ) СВ.

Цель» диссертационной работы является экспериментальное и теорс тическое исследование коллинеарного взамодействия оптических волне водных иод с поверхностными спиновыми волнами в касательно- намагш ченных планочных ферромагнитных волноводах на основе чистых висмут-замещвнных пленок МИГ.

В соответствии с поставленной цвлью основными задача) диссертационного исследования является:

1. Теоретический расчет эффективности рассеяния света на безос менных спиновых волнах в дассипативной среда. Поиск оптимальных точки зрения повышения эффективности рассеяния толщины ферромагшп ной планки и длины области взаимодействия света и спиновых волн.

2. Экспериментальное исследование коллинеарного рассеяния све-на поверхностных бевобменных спиновых волнах в висмут-замэнрта планках КИТ.

3. Теоретическое и экспериментальное исследование коллинеарно! рассеяния свата на поверхностных дипольно-обменных спиновых волйах висмут-замещенил швнках ЖИГ.

4.. Экспериментальное исследование коллинеарного рассеяния свег на поверхностных и объемных волноводных модах в касателы намагниченных ферромагнитных волноводах.

Научная новизна работы состоит в следующем:

- Теоретически и экспериментально исследовано коллинварш взаимодействие света с дипольно-обменными поверхностны) спиновыми волнами в висмут-замещэнных пленках ЖИГ.

- Произведены оценки эффективности дифракции света на спияоы волнах в среде с потерями. Показано, что существуют- оптимальные точки зрения повышения эффективности дифракции толщина феррома; нигной пленки и длина области взаимодействия света и спинон волн.

- Исследовано коллинеарное взаимодействие света с поверхностны) и объемными волноводами модами в касательно намагничен™ волноводах ШИТ.

- Экспериментально исследовано коллинеарное взаимодействие све' с поверхностными безобменными спиновыми волнамт; в висму замещоиных пленках • ЖИГ. Получена высокая эффективное коллинеарного магнитооптического взаимодействия.

Новью научные результаты, полуденные в ходе диссертационно:

исследования, позволили ' сформулировать научные пояснения, вшюашив на- закату.

1. За счет использования коллинеарного взаимодействия света с дишой волны 1,15 мкм на ПСВ в достаточно тонкой ФП (ь=4/Г. мкм) в зксдариментах по рассеянию срвта в ьцсмут-заиешанных ФП ЖИГ. полечена эффективность . дифракции равная 0,75% на I' мВт подводимой СВЧ мощности, что более чем на 30 дБ выше, чем в пленках чистого ЖИГ.

2. При взаимодействии света с дошольно-обменными спиновыми волнами его эффективное рассеяние происходит на нескольких частотах, соответствующих различным дисперсионным ветвям дипольно-обменного спектра спиновых волн. При этом основной вклад в р-^сеяниа осуществляется спиновой волной низшего типа.

3. При заданной длине взаимодействия существует оптимальная толщина ферромагнитной пленки, при которой эффективность рассеяния максимальна. При наличии оптических потерь границы оптимальных толщин пленок смещаются в область меньших величин. Дяя ферромагнитной пленки существует оптимальная длина взаимодействия , при которой эффективность МО рассеяния достигает своего максимального уровня.

4.При взаимодействии света со спиновыми волнами в касательно-намагниченных пленочных ферромагнитных волноводах его рассеяние происходит на нескольких частотах, соответству-одих' различным дисперсионным ветвям поверхностных и объемных волноводных мод. При уменьшении ширины ферромагнитного волновода возможно увеличение эффективности кодладаарного магнитооптического взаимодействия. Так,, например, при использовании ферромагнитного волновода шириной 1,14 мм получен выигрыш в эффективности рассеяния в 1,6 раза по сравнению с ферромагнитной пленкой шириной 3 мм при использовании пары ОВМ ТМо, ТЕ0 .

Практическая ценность работы.

1. В процессе исследования коллинеарпого рассеяния света в висмут-замещэнных пленках ЖИГ создан и испытан макет устройства сдвига оптических частот.

2. Получена высокая эффективность коллинеарного МО рассеяния при использовании висмут-замещэнных ФП, что делает реальной перспективу создания устройств на основе такого взаимодействия.

3. Показано, что при уменьшении ширины ферромагнитного волновода возможно увеличение эффективности коллинеарного магнитооптического

рассеяния по отношению к случаю широкого пленочного волновода.

4. В работе получены соотношения, позволяющие рассчитывать эффективность и ширакополосность коллинеарного магнитооптического взаимодействия света со спиновыми волнами. При этом учитываете оптические и магнитные потери ферромагнитной шшки, а так» особенности возбуждения : спиновых волн микрополосковой антенной (потери на согласование и двунаправленность излучения) Теоретически рассчитаны оптимальные с точки зрения иовышеш эффективности рассеяния толшины. пленок " и длины области взаимс действия, что .может быть использовано для инженерных расчетов щ: разработке магнитооптических устройств.

5. Описания экспериментальной установки, макетов магнитооптичес ких модуляторов и методик измерения могут быть полезны при разработ ке радиотехнических устройств и при организации подобнь экспериментов.

6. Предложенные методики измерения ширины дисперсионных щеле сгоктра дипольно-обменной СВ и распределения амплитуды перемени намагниченности в ферромагнитных волноводах может быть использова! для определения параметров спин волновых процэссов.

Апробация работы. Результаты, диссертационного исследования бы. представлены на:

-4 Всесоюзной школе-семинаре "Спинволновая электроника СВЧ' (1989 г. .Львов)1;

-Международной конференции- "International . Magne tics

Conférence" INTERMAG 90" (17 - 20 April, Brighton, UK ) ;

-Международной конференции " International Semlnar "

Acoustooptics: Research and Developments" (Leningrad, 1990);

-Международной конференции " 35th Annual Conférence on Magnetism and Magnetlc Materials, МММ 90, (San-Dlego ■ , Callfornla, USA, October 29- November I);

-5 Всесоюзной школе-семинаре "Спинволновая электроника СВЧ" (1991 г. .Звенигород);

-Международной конференции " OFTO 91 Onzien«?s Journees Professionnelles, (ESI, Paris, April, 1991);

-Международной конференции "5th Joint MMM-Inteim.,s

Conférence, (June 1091, Plttsbm-gh, Pennsylvanie, USA);

-Международной конференции " 37th Annual Conferer.ce or, Maçnetispi and Msgnetic Materials, МММ 92. (Houston,

USA, December 1-4, 1992);

-Ежегодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава ЛЭТИ им.В.И.Ульянова (Ленина) (1989-1992 гг., Ленинград).

Публикации. Ио теме диссертации опубликовано 4 статьи и 2 тезисов на международных и всесоюзных конференциях.

Структура п объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы, включающего 89 наименований. Основная часть работы изложена на 182 страницах машинописного текста. Работа содержит 45 рисунков, 9 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации,сформулированы даль исследования, научная новизна и практическая данность работа, а также научные положения, выносимые на защиту.

Первая глава "Взаимодействие оптических вилноводных иод и спиновых волн в ферромагнитных пленках. Состояние вопроса" носит обзорный характер и посвящена анализу современного состояния вопроса по теме диссертации к моменту начала работ над диссертационным исследованием.

В первом разделе сделан обзор развития и современного состояния исследований взаимодействия света и спиновых волн.

Второй раздел посвящен изложению теории спектра безойменных и дапольно-обменных СВ_.в ФП. Изложены основные идеи метода функция Грина, поскольку при помощи данного метода в диссертации рассчитываются амплитуды переменной намагниченности и дисперсионные характеристики поверхностной СВ. При помощи метода магнитостатического потенциала рассмотрены дисперсионные зависимости касательно намагниченных ФВ.

В третьем разделе излагается теория распространения ОВМ в ФЛ, приводятся дисперсионные соотношения для ТЕ и TM ОВМ.

Четвертый раздел посвящен изложению основных положений теории взаимодействия ОВМ и СВ. Показано, что наличие в волноводе СВ посредством МО эффектов влияет на тензоры диэлектрической е и магнитной м проницаемостей. МО взаимодействие ОВМ и СВ рассматривается как дифракционный процесс в периодически неоднородной среде. Изложены основные идеи метода связанных воля.

Вторая глава "Исследование коллинеарного взаимодействия оп тичесют волноводных мод и поверхностных спиновых волн в дисси пативной среде. Теория и расчет" посвящена теоретическому иссле дпванию взаимодействия ОВМ с безобменными СВ в диссипативной среде взаимодействию света с дипольно-обмвпными СВ.

В первом-раздело осуществляется постановка задачи. К момент начала работ над диссертацией существовала теория волноводног взаимодействия ОВМ и СВ для трех основных типов СВ: прямых объемных обратных объемных и поверхностных для коллинеарной и неколлинеарнп геометрий взаимодействия. Однако взаимодействие света с дипольно обменными СВ не исследовалось ни в одной из работ. Наряду с эти нерешенной была задача поиска оптимальных с точки зрения повьшени эффективности коллинеарной дифракции значений толщин ФП и длин области взаимодействия ОВМ и С®. Не существовало работ п исследованию дифракции ОВМ на СВ в ферромагнитных волноводах СВ\

Второй раздел посвящен исследованию коллинеарного взаимодействи ОВМ и безобменных поверхностных СВ (ПСВ) с учетом затухания ОВМ СВ. Предполагалось, что СП характеризуется, соответственно экспоненциальными коэффициентами оптических потерь <*ои. at Затуханиэ СВ учитывалось феноменологически:

к • к ♦ Ik", (I)

где к" -мнимая часть волнового вектора СВ £. Рассматривалась систем уравнений связанных волн с учетом затухания ОВМ и СВ. Вэтенве дл амплитуды дифрагированной волны в приближении заданного поля имее вид . .

i к <-»Д-г>1 shCCiA ♦ г~>»>

V» - " i W,2Eoa> -i-> -~7- - <Z)

1А ♦ Г

где г = k"+ оо.

Производился расчет эффективности и широкополосности коллинеар но! дифракции ОВМ на СВ в ФП чистого и висмут-замешеиного ЖИГ. Пока заво, что при заданной длине взаимодействия i существует оптимальна с точки зрения повышения эффективности дифракции толщина ФП. Наличи максимума эффективности при определенной толщине ФП объясняется на личием компромисса между затуханием СВ и ростом амплитуды переменно намагниченности с уменьшением-толдины ФП. Оптимальные значения тол иины ФП окэаиззстся э диапазоне от 0,6 мкя при дч = 0,1 Э' до 2,\ «к* при дн =. 1 3 дяя ОВМ ТМо,ТЕо (длина взаимодействия 1 = I см) При это* вьмгрщя ю эффективности по отноэенио к пленке тижцинсй I1

шш измзн.'йзтсп на &вл1тшу от й.дБ для ФП то шиной 2,&а шш до 31) дм ФП толщиной 0,68 и км. Эффективность дифракции для висмут-зама щонных ФП ШГ примерно на 30 дБ выш вследствие большая величин i констант Фарадея и Коттояа- Мутона. При использовании высших пар Otx значения оптимальных толщин ФП смощашся в область больших толлу-w ФП. Показано, что для ФП имеетсл ошимальная диша взаимодеаствш Jopt' ГФИ которое эффективность МО дифракции достигает своего максимального уровня. Исследована широкололоспость коллшеарног UL дифракции вида ГМ0-ТЕ0 на ПСВ от толщины ФП НИГ и висмут-за-нвщэнного ШГ при различных значениях параметра диссипации ли ФП.

Оценивалось влиянш величины затухания а ОВМ на эффективность и широкополосно сть коллинеарвоа дифракции. При увеличении а падаэт эффэктивность взаимодействия, причем для толстых ФП это паденш больше. Другим следствием влияния оптических потерь является сдвиг оптимальных (с точки зрония повышения эффективности дифракции) значений толщин ФП в сторону уменьшения. При увеличении а оптимальная длина взаимодействия io(>t, при которой эффективность МО рассеяния достигает своего максимального уровня падает. Вместе с ростом а происходит падение эффективности дифракции. При увеличении а растет широкополосность коллинеарного взаимодействия по отношении к случаю а=о вследствие уменьшения эффективной длины взаимодействия

1 - ехр<-0£"К»о>1>

О

<3)

В третьем разделе теоретт^юски исследуемся юрл-тенаарноа взаимодействие ОВМ с дипольно-обменными ПСВ. в ФП с закрепленными поверхностными спинами (ЗПС), наличие которых характерно для висмут-замещенных ФП ЖИГ уЪ/. Произведена оценка интегралов перекрытия взаимодействующих волновых процзссов для ФП с ЗПС от толщины ФП, нормированной к длине волны света и/х для спин-волновых мод (СВМ) с номерами п = 1-8. Для пары ОВМ ТМо, ТЕо рассчитывались интегралы 1ух, 1ух, 1УУ, 1ХХ, I12, 1" Показано, . что наибольшими среди них являются 1ух, Iх" и 1уу при взаимодействии с СВМ п=1. Для нормою ванных толщин в диапазоне ь/х от I до 20, обычно используем« в экспериментах, интегралы. 1ух, Iх" и 1УУ для СВМ п=з меньше соответствующих интегралов для СВМ п=1 на величину от 16 до Т3 дБ. Остальные рассчитанные интегралы да рэ] срытия значительно меньше.

Индексы фазовой модуляции, характеризующие эффективность дифракции, определялись по аналогии с дяя различных СВМ:

- о-

k • А .>.

v = V I - ш 1 с Г Ф <я> <Е (к) , El(x)> dx , (4)

п п о о J п >/' \ t \ г

(3

tap e'j(х), е («)- распределение светового поля, соответственно*, в чдзюшэй и дифрагированной ОВМ, Фг(к) - распределение

»пмэгниченности СВ, соответствующее СВМ с номером п, дс - добавка к !<тзору диэлектрической проницаемости ферромагнитной среды на ■иггичасгаге частотах. Амплитуда дифрагированной оптической ОВМ 0t в '¡дучао слабого'взаимодействия определяется выражением:

аГ Iе II г ,slnc< 2 <5>

J П

-» -» -»

1 не Е -амплитуда падающей ОВМ; л=(к),^) -разность проекций няяновых чисел падающей, дифрагированной волн и волнового числа ■¡¡ивовой волны на ось z. Суммирование по индексу j учитывает вклад в иифракцию различных дисперсионных ветвей дипольно-обметюй СВ", члдекс а учитывает вклад в дифракцию для раличных СВМ в пределах одной дисперсионной ветви.

Расчет частотных - зависимостей эффективности коллинеарной дифракции Ш0- ТМо на поверхностной дипольно-обменной СВ показал, что рассеяние происходит на нескольких дисперсионных ветвях кшольно-обменного спектра, причем эффективности рассеяния для различных ветвей определяютсяпреимущественно, величиной амплитуды ПВМ низшего типа. Эффективность дифракции для СВМ п=1 примерно на порядок больше, чем для СВМ п=2,3,... Эффективная дифракция при коллинеарном взаимодействии будет происходить на тех частотах при заданном волновом числе СБ равном разности волновых чисел взаимодействующих ОВМ, где велика амплитуда СВМ п=1, т.о. в точках гибридизации спектра вблизи дисперсионных "upлей" и дисперсионная югвь, соответствующая СВМ п=1.

Третья глава "Экспериментальное исследование коллинеарного рассеяния ОВМ на спиновых волнах в висмут-замещенных пленках ШГ" посвящена экспериментальному исследованию коллинеарного рассеяния света на поверхностных безобменных СВ и поверхностных дипольно-оЗмэнных СВ в висмут-замещенных пленках ЖИГ.

3 первом разделе описаны задачи эксперимента. В экспериментах использовались аналогичные по составу .

t <12.i«B1o,eeFe« 9*^0,oe°i2 выращенные в Лаборатории Магнетизма

и Магнитных Материалов французского национального цептра научных тследовашга cnrs. Исследованы ФП толщиной 4,68 4,7 и а,в

- У -

мкм, выращенные на гадолиния-галл®вой подложка ориентации (III). Намагниченность насыщения составляла Ио= 1800 э , константа фарадеевского вращения на длине волны света х=1,152 мкм составила величину порядка вр = 1600 град/см, величина оптических потерь быЛа порядка I см-1.

Во втором разделе приведены описапия схемы и конструкции измерительной устаношш и макетов, . а также описания методик настройки установки и проведения измерения. Оптическая часть установки состояла из металлического стола, на котором размешены He-Ne лазер ЛГ-128 (либо полупроводниковый ИЖПГ-20В), устройства для ввода излучения, экспериментальные макет и устройства регистрации излучения. Макет представлял собой оптозлектронный узел, приспособленный для одновременного возбуждения и приема как ОВМ, так и СВ. Для ввода и вывода света в ФП использовались изотропные призмы sr-TiOjj. Устройства регистрации излучения включали: поляризатор Глана, собирающуя линзу и фотодиод с диафрагмой, расположенные на двухкоординатной подвижке. Магнитная система состояла из электромагнита, в котором был жестко закреплен макет, и датчика измерителя магнитной индукции.

Электрическая часть экспериментальной установки служила для генерации, модуляции СВ7 колебаний, изучения частотных и сгактральных характеристик СБ, обнаружения, усиления и регистрации сигналов МО:модуляции. КО ячейка включалась в тракт измерительного прибора Р2-54 для измерения амплитудно-частотных характеристик приборов. В тракте обработки принятого сигнала использовалась схома синхронного фотопр^ма.

В третьем разделе приводятся результаты экспериментального

исследования коллинеарной .дифракции ОВМ на безобменных ПСВ в

зисмут-замещенных ФП ШГ.' В первой серии работ использовалась

зисмут-замещенная ФП толщиной l = 4,7 мкм. ПСВ возбуждались и

тринимались при помощи двух антенн, выполненных из золотой проволоки

циаметром » = 50 мкм и длиной 1д= 4 мм, расположенных на расстоянии

=8 мм одна от другой. Магнитное полв создавалось Sm-co магнитом.

5ыли исследованы оптические и магнитные свойства указанной ФП.

ie личина оптического двулучепредомления была достаточно большой ¿п = -3

-4,5 10 . Эта величина в пять раз оказалась больше, чем приводится » /Зу. Измеренная ширина линии ферромагнитного резонанса бита меноо ■ г>.

Были выполнены эксперименты гю коллинаарной дифракции ОВМ на GD дли грех пар ОВМ ШДМ. (¿=8,7,8). Полученные экспериментальные результаты хорошо согласовались с теоретическими расчетами. Частота, соответствующая наиболее эффективной дифракции, находилась из дисперсионной зависимости ддя волнового числа СВ равного разности волновых ' чисел взаимодействующих ОВД. Широкополосность взаимодействия оказалась больше теоретически предсказанной, что может объясняться несколькими причинами: неоднородностью внутреннего магнитного поля в ФШ следствием рассеяния на акустических волнах, На поперечных СВ модах, либо на различных дисгерсиотш ветвях дидально-обменной СВ. Эффективность при дифракции в плюс порвыд "Реакционный порядок была выше, чем при дифракции в мину шрвыа дифракционный порядок, причем отношаяиэ эффективностей составляло величину порядка 3 раз для ТЕв- ТМа, что очень близко к теоретически предаказанной величине, равной 10 дБ.

Вторая серия экешримэнтов была выполнена с использованием Ф1 толщиной 8,5 мкм. Для данной ФП ширина линии ферромагнитного резонанса составляла величину порядка 0,9 Э. Экспериментальнс Умеренная величина дп была равна -2 10~3. Было осущэствленс взаимодействие вида ТЕ - Tfi <i= II - 15 ). Полученная эффективностс дифракции для ФП толщиной 8,5 мкм составшкг величину порядка- 0,3 5 при входной СВЧ мощности I мВт,- ,,

В четвертом разделе вриводнтср результата коллинеарнох-f рассеяния ОВМ на дипааьно-обменных ПСВ в. висмут-замещэнной ФП Ш толщиной 4; 68 мкм. Измерения по дифракции ОВМ были выполнены да четыгех пар ОВМ ТЕ , TMu (i=5,8,7,8). Экспериментально показано, что для каадой гиры ОВМ рассеяние в одной паре происходит н; нескольких частотах, причем эффективное преобразование оптически; мод происходит в областях гибридизации ешкгтра СВ, т.е. там, гда велика амплитуда переменной намагниченности СВМ п=1. Получошш экспериментальные результаты достаточно хорошо согласовалась < теоретическими расчетами дисперсионных зависимостей повврхнортно] дипольно-обмвнной СВ с исгальзованюэн точного спектра согласи теории, разработанной в S1/. При этом частота, соответствукща наиболее эффективному рассеянию, находилась из .дисдапоирнны зависимостей для волнового числа СВ равного разности волнови векторов взаимодействующих ОВМ. Исключением : являлись точк дисперсионных кривых дипольно-обменного ешктра вблизи облаете

-ийрвдизации СВМ л=1 и четных СНМ, где имеется расхождетг жспериментальных и теоретических данных. Возможной причиной этого является несимметричность закрепления спинов на поверхностях ФП. (V ггом говорит, тагане тот факт, что на АЧХ "на проход" видны провалы, зоответствуицие пересечениям СВМ п=1 как с нечетными СВМ, так и с гетными СВМ. Ширина полосы взаимодействия света с дипольни-эбменными СВ была значительно больше, чем при взаимодействии с 5езобменными ПСВ. Ширина отдельных пиков была близка к теоретически рассчитанной. Эффективность рассеяния при взаимодействии о ципольно-обменной СВ была значителйно ниш, чем в случае взаимодействия с безобменными ПСВ и составила величину порядка 0,2 % при мощности СВЧ I мВт. Эксперименты по рассеянию свет? на ципольно-обменных СВ дают возможность непосредственно измерть зшрину дисперсионных "щелей" дипольно-обменных СВ..

Четвертая глава "Экспериментальное исследование рассеяния свата йа поверхностных спиновых волнах в касательно намагниченных ферромагнитных волноводах" посвящена экспериментальному исследованию коляинеарного рассеяния света на СВ в касательно намагниченных пленочных ФВ.

В первом разделе рассмотрены особенности экспериментальной установки и методики измерений.

Во . втором разделе приводятся результаты экспериментальных исследований коляинеарного . рассеяния ОБМ на ПСВ в ФП ЖИГ-ГГТ толщиной 'ь = 3,8 мкм и/^яфиной 3 мм. Осуществлена коллинеарная дифракция вида Ш - ТЕ (1=0-5) в диапазоне частот 4ГГц. Измерялись частотные зависимости эффективности и широкополосности дифракции. Теоретически были рассчитаны широкополосность и эффективность коллинеарного взаимодействия ОВМ и СВ. Широкополосность рассчитывалась с учетом оптических потерь и потерь па распространение СВ. Расчет эффективности дифракции производился с учетом потерь на распространение СВ. потерь на согласование с антенной СВ и двунаправленность излучения аятепш СВ. Экспериментальные и теоретические значения частот наииолпо эффективного рассеяния демонстрировали хороша совпаденко. При использовании пары ОВМ с номером 0 наблюдались два пика рассеян/я. разнесенных по частоте на 10 МГц. Было показано, что .тгк ггм-л соответствуют рассеянию на .различных по пл речных СВ модйх. Широкополосностъ чяукттпт из пиков близка к тооре-глчо.';:"/

рассчитанной. Широкополосность, коллинеарного взаимодействия для OBI с номерами от I до 5 была больше предсказанной теоретически. Эт< объясняется тем, что и в данном случае происходит рассеяние света н. различных дисперсионных ветвях поперечных СВ мод. Пики соответствующие различным дисперсионным ветвям, сливаются вследствие сближения дисперсионных ветвей поперечных СВ мод с увеличение! волнового числа СВ.

Третий раздел посвящзн изложению экспериментальных результата; исследования коллинеарного взаимодействия ОВМ и СВ в касательн намагниченных ФВ различной ширины, выполненных из ФП на основе ЖИГ В экспериментах использовался ФВ шириной 3 мм, выполненный из Ф ЖИГ-ГГГ толщиной 3,8 мкм. Сфокусированный луч нс-Ne лазера диаметро около 0,2 мм распространялся вдоль волновода СВ. Осущзствлялос сканирование лучом по ширине пленки (по координате у), причо приемный фотодиод перемещался синхронно с лучом лазера. Снималис частотные зависимости интенсивности дифрагированного света пр дифракции ТМ0->ТЕ0. В том случав, когда луч лазера распространяло точно в центре волновода (у=1,5 мм), наблюдались два пика соответствующие дифракции на 1-ой и 3-ей (симметричных) погоречик модах. При помещении луча в точки у=1,0 мм или у=2,0 мм m дифракции, соответствующий 3-ей поперечной моде пропадал вследств! зануления намагниченности в данных точках. Для возбуждения не толы симметричных, но и антисимметричных поперечных СВ мод использовала^ наклонная антенна СВ (угол наклона 45 градусов по отношению внешнему магнитному полю II). Наблюдались пики дифракцщ соответствующие как симметричным , так и антисимметричным (п=1,2,3, ) поперечным модам. Частоты, соответствующие эффективной дифракцш хорошо согласовались с теоретическими расчетами для дисперсионш зависимостей поперечных СВ мод по формулам /5/. Кроме то] наблюдалась дифракция на 7-ой поперечной объемной СВ моде. .

В другой серии экспериментов использовались ФВ шириной 1,14 мм 0,49 мм, изготовленные при помощи химического травления из ФП толщ ной 3,8 мкм и шириной 3 мм. Образцы пленок намагничивались до н<эы щения внешним магнитным полем Н ~ 800 Э. СВ возбуждались и приниы; лись при помощи двух антенн; их дайна была равна ширине подложк: т.е. 3 мм. Сфокусированный пучок лазера ШШН-20в распространял, вдоль ФВ. С использованием ФВ шириной 1,14 мм.была выполнена ди1>пя ция TMt- ТЕ (1=0-5). Антенна СВ имела на конце комплексную нагру

ку, образованную воздушной микрополосковой линией. Это привело к по-однородному распределению СВЧ тока по ширине антенны /8/ и, как следствие, к эффективному возбуждению большого числа поперечных СО мод. Наблюдалась дифракция для большого числа поперечных СВ. Частоты, соответствующие эффективному рассеянию, достаточно хорошо совпадали . с расчетами- согласно дисперсионным зависимостям поперечных СВ мод /Б/. Наиболее эффективная дифракция происходила на частотах, соответствующих поперечной СВ моде с номером I, что объясняется лучшим возбуящениэм данной мода по сравнению с высшими поперечными СВ модами. Широкополосность пиков дифракции, соответствующих поперечной моде СВ п=1, оказалась шире, а для пиков дифракции, соответствующих высшим поперечным модам СВ, оказалась уже, чем следует из теоретических расчетов.

С использованием ФВ шириной 0,49 мм осуществлялась дифракция вида ТМ,- ТЕ. (1= 0-3). Эффективность рассеяния была значительно меньше, чем для волновода шириной 1,14 мм вследствие плохой связи с антенной СВ (наблюдалось значительное отражение). В эксперименте удалось обнаружить меньшее количество поперечных СВ'мод. Ширина пиков дифракции, соответствующих поперечной моде СВ п»1, достаточно хорошо совпадала с теоретически рассчитанной, а ширина пиков дифракции, соответствующих высшим поперечным модам СВ, как и для волновода шириной 1,14 мм, была меньше теоретически рассчитанной.

При. использовании ферромагнитного волновода шириной 1,14 мм получен выигрыш в эффективности рассеяния в 1,6 раза по сравнению с ферромагнитной пленкой шириной 3 мм при использовании пары ОВМ ТМо, ТЕ0 .

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Наиболее важные результаты диссертационной- работы . состоят в следующем; -

I.Теоретически исследовано коллинеарное взаимодействие оптических волноводных мод и поверхностных спиновых волн с учетом затухания света и СВ. Показано, что магнитные и оптические потери приводят к уменьшению эффективности коллинеарного магнитооптического взаимодействия по сравнению со случаем отсутствия потерь. Широкополосность коллинеарного взаимодействия при этом растет. /1лл заданной длины . взаимодействия 1 найдены оптимальные та >■::;>*№ ферромагнитных пленок при которых эффективность ; \':к::ул

- и -

максимальна. Показано, что наличие оптических потерь приводит сдвигу границы оптимальных толщин пленок смещаются в область меньши

ьеличин по сравнению со случаем отсутствия_оптически/ потерь

Найдены оптимальные дайны взаимодействия 1, при котори эффективность МО рассеяния достигает своего максимального уровня.

2. Экспериментально исследовано коллинеарное рассеяние ОВМ н поверхностных спиновых волнах в виснут-замещвнных пленках ШИТ Изучены основные характеристики взаимодействий: эффективность рирокополосность. Рассеяние характеризовалось высока эффективностью: при подводимой СВЧ мощности равной 2,2 мЕ эффективность дифракции составила 1,5 % при использовании а толщиной 4.86 мим. Эксперименты по рассеянию света в плюс первый и минус первый дифракционные порядки показали, что невзаимность вызванная синфазным или противофазным сложением вкладов Фарадег Коттона-Иутона, на 2-3 дБ меньше, чем для пленок чистого ЖИ1 составляет величину порядка 10 дБ.

3. Теоретически и экспериментально исследовано рассеяние свеч на поверхностных дишльно-обменных спиновых волнах. Показано, чт при взаимодействии света с дипольно-обменной спиновой водно! рассеяние происходаг на частотах, соответствующих различнь дисперсионным ветвям дипольно-обменноа спиновой волны. Оцаш интегралов перекрытия, соответствующих различным• спин-волновь модам, показала, что основной вклад в рассеяние осуществляете спин-волновой модой низшего типа. ' Суммарная ширина полос взаимодействия света с дипольно-обменными СБ значительно больше, че при взаимодействии с безобменной СБ, что объясняется рассеянием I нескольких дисперсионных ветвях. Эффективность рассеяния щ взаимодействии с дипольно-обменной СВ значительно ниш, чем случае взаимодействия с безобменной СВ. Максимально полученш эффективность составляет величину порядка 0,2 « При мощнррти СВЧ мВт. Показано, что эксперименты по рассеянию света дают возможное непосредственно измерять ширину дисперсионных "иавд! дипольно-обменного спектра.

4.Экспериментально исследовано коллинеарное рассеяние опти-га^ полноводных мод на поверхностных и объемных поперечных СВ мода' касательно-намагниченных ферромагнитных волноводах. Показано, т рассеянна . происходит на нескольких частотах, соответствуй*! гааг'чным "волноводным" дисперсионным ветвям спектра С]

различным "волноводнъгм" дисперсионным штвям спектра СВ. Экспериментально показано, что при умен^Ьоняи ширины ферромагнитного волновода возможно увеличение эффективности кохоюеариого магнитооггпгческого рассеяния. При использовании ферромагнитного волновода шириной 1,14 мм получен выигрыш в эффективности рассеяния равный 1,6 Ьаза по сравнению с ферромагнитной пленкой шириной 3 мм при использований пары ОВМ ТМ0, ТЕ0 . Показано, что разрешения, полученное оптической техникой, достаточно для раздельного обнаружения различных поперечных поверхностных и объемных мод п ферромагнитных волноводах, а также измерония распределения намагниченности указанных мод s сравшггольно широких ферромагнитных волноводах (шириной более 1-2 мм).

5.Наличии нескольких пиков дифракции, получающихся в результат рассеяния света на пошречних СВ модах, можот быть использовано д*я построения нескольких каналов устройства сдвига оптических частот.

ЛИТЕРАТУРА

I Flaher A.D., Lee J.N., Oaynor E.S., Tveten A.B: Optlcai qulded-wave Interactions . wlth magnetostatia wave» at mlcrowavo frequencies /V Appl. Phya. Lett- 1982. - vol.41- p 779-701.

2-Tamada H., Koneko M. , Okamoto T. Lot* loss propagation of MSSW and gulded opHcal wave in hlghly Di-substltuted LPE carnet. filma/'/'J. Magn. Soc. Jpn-1507.- vol.11, Siippl N Sl.-p.397-400.

3-Tamada H., Kaneko M. > Okamoto T. TM-Tb opt-ical-mod® conversion lnducod by а trarteiversely propagatlng magnstostatio wave ln a CBlLu>3FeB012 film ,-VJ. Appl. Phya. -1908.- volii-1,M

. 2-рЛ34-5Б9.

4.Сташкввич A.A. Волноводное взаимодействий света со спиновыми волнами в ферромагнитной пленке ✓✓ Известия вузов. Физика.-1989.- n 4.- 0.5-31.

Б-ОКееГГо T.W. , Patteroon R.W. Magnetostatia surface - w.-u' propagation ln finit* samples // J. Appl. РЬуя. - îorn-vol.4P.- p.4836.

в-Bllanluk N., Stencil D.D., Effective interaction length In the colline«- -magnetoetatlc • wave-optical interaction ПР1Г

Integrated Optlcs and Optoelectronics -1989- vol 1177, -p.963-372.

•7 К^ЧШкоз В .А., . Kost-ylev М.Р., Kozhus N.V. ane Slavin Л.Н., ^ JPIfJiJGondens.Mattei» .- t&90.-v.2 - N7,- P.9861.

p- Шшакнн C.B. Дипально- обменные i спиновые волны в ферромагнитных пленках и пленочных волноводах, намагниченных по; произвольным углам к поверхности.- Автореф. канд. дис.- Сарато" 1ЩШКА.- 1991.

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ Т-Аншаков A.B., Матшав В.В., Сцгаав А.Е, Сташкевич A.A. Дифракция свата на обратное объемная спиновой волне в хшнке щ '/ Письма в ЙТФ.-1еШ,- Г.15.М 23.- С.42-4Б.

2-Ansiiakov A,V.,Matyushev V.V., StashUavich A.A. Thu :;<эт1саШгшаг Interaction between optical waveguide modes end uockward volume magnet,ostatic wave-/'/" IEEE Trans. Мае п.- 1S&0. .',20, N 5,- P.27P8-2800,

3-Matyushav V.V-, Stashkevlch A.A., Dasvignas J.M. dolUnasu Interaction of tha Optical Waveguide Modes and Surfac Magnet tostatia Waves In a UUj 1<4tUQ aüFo4 p^MSq oö°12 Fllm ^ Appl Phys.- 1991. - vol.69, N 4.- p 8972-SS7S.

4.Матшэа B.B., Стэшкэвич A.A., Аншаков A.B., Лукьянов А.И. Оптическое зондираванш волноводах мод МСВ при поыош волноводных оптических мод /'/'Тез. докл. 5 Всесоюз. шк.-сем. Спинволаовая электроника СВЧ Звенигород, IS9I.- СЛОЗ.

kMatyusbev V.V.,Stashkevlch A.A., AnshakoV A.V.,Lukyanov АД. Interaction of the. Optical Waveguide Hodaa with Magnetostati Surface Waves Jn Finite Samplas /V Tha Technical Digest of tl 5th Joint' MMM-Intermag Conference N0-12, June 1991, Plttsburgl Pennsylvania , USA.

e.Matyushav V.V.Staahkevich AA.,Lukyanov A.I. Interaction , ol the Optical Waveguide Modes with Magnotostatlc Surface V&avsb 1 Tangentlally Magnetised Finite Samples // Optl< Communications.- 1992. - vol.92, N 1,2,3, p.31-34.

Подп. к печ. 16.03.93 Формат 60 х 84 I/I6. Офсетная печать Печ.л. 1,0: уч.-изд.л. 1,0. Тира* 100 экз. Зак. № 46 Бесплатно

Ротапринт С.-Пб.ГЭТУ

I1j7376, Санкт-Петербург, ул. Проф.Попова, 5