РАДИОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА, 2004, том 49, № 5, с. 629-632
РАДИОФИЗИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ В ТВЕРДОМ ТЕЛЕ И ПЛАЗМЕ
УДК 537.876
ОПТИЧЕСКАЯ ВИЗУАЛИЗАЦИЯ ПРОСТРАНСТВЕННОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ИНТЕНСИВНОСТИ СПИНОВЫХ ВОЛН В ПЛЕНКЕ ФЕРРИТА
© 2004 г. А. В. Маковкин, Ю. К. Фетисов
Поступила в редакцию 16.05.2003 г.
Описан метод и установка для визуализации пространственного распределения интенсивности маг-нитостатических спиновых волн в пленках феррита. Визуализация основана на локальном воздействии сфокусированного оптического излучения на пленку и регистрации изменения интегральной мощности волны. Измерены распределения интенсивности поверхностных спиновых волн в пленочном ферритовом волноводе.
ВВЕДЕНИЕ
При создании устройств обработки сверхвысокочастотных (СВЧ) сигналов, использующих распространение магнитостатических спиновых волн (МСВ) в пленках феррита железоиттриевого граната (ЖИГ), важно знать пространственное распределение поля волны в плоскости пленки. Для визуализации полей МСВ в настоящее время применяют в основном "пассивные" невозмущающие методы: метод электромагнитного зонда и оптические методы. В первом случае электромагнитный зонд в виде петли размером 0.1... 1 мм механически перемещают вблизи поверхности пленки ЖИГ и регистрируют локальную амплитуду высокочастотного магнитного поля рассеяния волны [1, 2]. В оптических методах поверхность пленки сканируют сфокусированным лазерным лучом и измеряют угол поворота плоскости поляризации прошедшего света [3], амплитуду комбинационной гармоники в спектре рассеянного света [4, 5], либо локальное изменение температуры пленки [6].
Существующие методы имеют недостатки, ограничивающие их применение. Электромагнитный зонд может использоваться только при наличии свободного доступа к рабочей поверхности пленки. Пространственное разрешение метода ограничено размером зонда и не превышает ~0.1 мм. При использовании поляризационного метода и метода рассеяния света необходимо обеспечить свободное прохождение луча света через пленку ЖИГ. Магнитооптическое взаимодействие в пленках ЖИГ слабое, что требует применения высокочувствительных поляризационных установок или многопроходных оптических интерферометров с системой счета фотонов. Метод термозондирования не обеспечивает пространственного разрешения по двум координатам в плоскости пленки.
В данной работе описан простой "активный" оптический метод, позволяющий проводить каче-
ственные исследования пространственного распределения полей МСВ в пленках феррита и устройствах на их основе. В основе метода лежит эффект изменения характеристик МСВ в пленке ЖИГ под действием оптического излучения с длиной волны <0.5 мкм, обнаруженный в [7]. Более детальные исследования показали [8], что локальное освещение пленки сфокусированными оптическими импульсами вызывает модуляцию затухания и фазы участка фронта волны, что, в свою очередь, приводит к модуляции интегральной мощности МСВ. Глубина модуляции мощности МСВ зависит от мощности оптических импульсов и размера освещаемой области пленки. Амплитуда сигнала модуляции пропорциональна локальной интенсивности МСВ в освещаемой области. Последнее свойство и используется для визуализации пространственного распределения интенсивности МСВ.
1. ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ И МЕТОДИКИ ИЗМЕРЕНИЙ
Блок-схема установки для визуализации полей МСВ и конструкция пленочной ферритовой линии передачи, использованной в измерениях, схематически показаны на рис. 1. Основным элементом МСВ линии передачи является пленка феррита ЖИГ, выращенная методом жидкофазной эпитак-сии на одной стороне подложки из галийгадолини-евого граната (ГГГ) с ориентацией (100) толщиной 0.6 мм. Пленка ЖИГ имела толщину 10 мкм, размеры в плоскости 2 х 25 мм2, намагниченность насыщения 1750 Гс и ширину линии однородного ферромагнитного резонанса 0.6 Э. Для возбуждения и приема МСВ в пленке использовали два микропо-лосковых преобразователя шириной по 50 мкм и длиной 2 мм, нанесенных методом фотолитографии на поверхность поликоровой подложки на расстоянии 5 мм друг от друга. Пленку ЖИГ при-
Не-Сё-лазер Линза
Преобразователи
СВЧ-
генератор
Н
Подложка
СВЧ-усилитель
Пленка ЖИГ
Рис. 1. Конструкция пленочной ферритовой линии передачи и блок-схема установки для визуализации полей МСВ.
жимали сверху к поликоровой подложке с преобразователями, как показано на рис. 1. Структуру помещали между полюсами магнита во внешнее постоянное магнитное поле Н = 630 Э, направленное по касательной к плоскости пленки и параллельно преобразователям.
Установка работала следующим образом. На входной преобразователь линии передачи от генератора подавался непрерывный СВЧ-сигнал с частотой / в диапазоне 3.5.. .4 ГГц и мощностью Рвх до 2 мВт. Сигнал возбуждал в пленке ЖИГ поверхностную магнитостатическую волну (ПМСВ), которая распространялась в направлении приемного преобразователя и затем преобразовывалась в непрерывный СВЧ-сигнал мощностью Рвых на выходе линии передачи. Одновременно область пленки ЖИГ между преобразователями освещалась (непосредственно либо через прозрачную ГГГ-подложку) сфокусированными оптическими импульсами. В качестве источника света использовали непрерывный Ые-Сё-лазер с длиной волны 0.44 мкм и мощностью до 10 мВт, излучение которого свободно проходит через ГГГ-подложку и практически полностью погло-
Ь, дБ -10
- 30
X, мм 2
3.6 3.7 /, ГГц
Рис. 2. Измеренная зависимость вносимых потерь Ь линии передачи (точки) и рассчитанная зависимость длины магнитостатической волны X (штриховая кривая) от частоты сигнала /.
щается в пленке ЖИГ. Луч лазера модулировался механическим модулятором для получения оптических импульсов прямоугольной формы длительностью 2 мс с частотой следования 200 Гц. Диаметр светового пятна на поверхности пленки в нашем случае составлял ~50 мкм. Оптический луч сканировался по поверхности пленки в плоскости х-у с шагом Ах = 125 мкм и Ау = 250 мкм путем перемещения фокусирующей линзы. Локальное освещение пленки оптическими импульсами приводило к амплитудной модуляции мощности СВЧ-сигнала Рвых на выходе линии передачи. Выходной СВЧ-сигнал усиливался и детектировался. Амплитуда переменной составляющей низкочастотного выходного сигнала и, пропорциональная интенсивности I магнитостатической волны в области светового пятна, регистрировалась с помощью цифрового осциллографа.
2. РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
На рис. 2 показана зависимость вносимых потерь Ь = 10 Рвых/Рвх) описанной ПМСВ линии передачи от частоты /, измеренная в непрерывном режиме при постоянной мощности входного сигнала Рвх = 1 мВт, а также представлена рассчитанная с использованием дисперсионного уравнения [9] и параметров линии передачи зависимость длины волны ПМСВ X, распространяющейся в пленке феррита, от частоты сигнала. Из рис. 2 видно, что в пленке феррита эффективно возбуждались и распространялись с малыми потерями волны с частотами в диапазоне 3.55.3.8 ГГц. Длина волны ПМСВ плавно уменьшалась от нескольких миллиметров до 0.3 мм с ростом частоты волны. В области частот ниже 3.8 ГГц при мощности возбуждающего сигнала до 2 мВт распространение ПМСВ носило линейный характер, т.е. мощность волны была линейно пропорциональна мощности возбуждающего сигнала. Резкое увеличение вносимых потерь линии передачи на частотах выше 3.8 ГГц происходит из-за развития нелинейных процессов затухания ПМСВ. Частоты / = 3.64 ГГц и /2 = 3.7 ГГц, лежащие в обла-
1
0
ОПТИЧЕСКАЯ ВИЗУАЛИЗАЦИЯ ПРОСТРАНСТВЕННОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ 631
и, мВ
Рвх, мВт
Ш, мВт
Рис. 3. Измеренные зависимости амплитуды сигнала модуляции от мощности возбуждающего СВЧ-сигна-ла при мощности импульсов света Ж = 10 мВт (а) и амплитуды сигнала модуляции от мощности импульсов света при мощности возбуждающего СВЧ-сигна-ла Рвх = 1 мВт (б).
сти минимальных потерь линии передачи, отвечают ПМСВ с длинами волн ^ = 1.1 мм и Х2 = 0.6 мм соответственно. Именно для этих частот далее на рисунках приведены измеренные пространственные распределения интенсивности ПМСВ.
Характеристики модуляции СВЧ-сигнала с выхода линии передачи при фокусировке оптических импульсов в центральной части пленки ЖИГ между преобразователями показаны на рис. 3. При фиксированной пиковой мощности Ж оптических импульсов (рис. За) наблюдалось монотонное увеличение амплитуды сигнала и с ростом мощности МСВ. Нелинейный ход кривой обусловлен нелинейностью характеристики СВЧ-детектора. При фиксированной мощности Рвх амплитуда сигнала и возрастала с увеличением мощности оптических импульсов (рис. 36). При максимальной мощности света глубина модуляции выходного сигнала достигала 4%, а отношение сигнал/шум составляло >100. Освещение частей пленки ЖИГ, расположенных снаружи от преобразователей, не приводило к модуляции выходного СВЧ-сигнала.
На рис. 4а, 46 показаны типичные распределения интенсивности ПМСВ 1(х, у) (которая пропорциональна амплитуде регистрируемого сигнала и) в центральной части пленки ЖИГ размером 2 мм х х 3.25 мм, построенные по результатам измерений для двух различных частот = 3.64 ГГц и /2 = = 3.7 ГГц при мощности входного СВЧ-сигнала 2 мВт. Возбуждающий преобразователь располо-
/, отн. ед.
Рис. 4. Пространственные распределения интенсивности МСВ в пленке феррита, измеренные на частотах: / = 3.64 (а) и 3.7 ГГц (б).
жен на расстоянии 0.6 мм слева от показанной области. Волна распространяется вдоль оси у слева направо. В обоих случаях распределения имеют достаточно сложный вид, однако можно отметить общие характерные особенности распределений.
Во-первых, интенсивность магнитостатической волны I максимальна вблизи продольной оси пленки (х = 1 мм) и спадает до нуля при смещении к краям пленки в поперечном направлении. Такое распределение интенсивности ПМСВ по ширине ферритового волновода наблюдалось ранее методом электромагнитного зонда [1] и согласуется с предсказываемым теорией распределением интенсивности основной поперечной моды [9].
Во-вторых, в обоих случаях интенсивность ПМСВ в целом уменьшается при удалении от возбуждающего преобразователя вдоль оси у, что отражает затухание волн при распространении. Однако распределение интенсивности в пр
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.