авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ  БИБЛИОТЕКА

АВТОРЕФЕРАТЫ КАНДИДАТСКИХ, ДОКТОРСКИХ ДИССЕРТАЦИЙ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Влияние параметрических спиновых волн на дисперсию и затухание магнитостатических волн в пленках железоиттриевого граната

.

На правах рукописи

Кожевников Александр Владимирович

ВЛИЯНИЕ ПАРАМЕТРИЧЕСКИХ СПИНОВЫХ

ВОЛН НА ДИСПЕРСИЮ И ЗАТУХАНИЕ

МАГНИТОСТАТИЧЕСКИХ ВОЛН

В ПЛЕНКАХ ЖЕЛЕЗОИТТРИЕВОГО ГРАНАТА

Специальность - 01.04.03

- радиофизика

Автореферат

диссертации на соискание учёной степени

кандидата физико-математических наук

Саратов - 2011

Работа выполнена в Саратовском филиале Института радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук, с.н.с.

Филимонов Юрий Александрович.

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор Фетисов Юрий Константинович, доктор физико-математических наук, профессор Шараевский Юрий Павлович.

Ведущая организация:

ОАО "Тантал"

Защита состоится 12 мая 2011 года в 17 ч. 30 м. на заседании диссертационного совета Д 212.243.01 при Саратовском государственном университете им. Н.Г. Чернышевского по адресу: г. Саратов, ул. Астраханская, 83, 3-й корп., ауд. 34.

С диссертацией можно ознакомиться в Зональной научной библиотеке им. В.А. Артисевич Саратовского государственного университета им. Н.Г. Чернышевского.

Автореферат разослан 04 апреля 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Аникин В.М.

-3

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

Параметрические процессы, сопровождающие распространение магнито статических волн (МСВ) в пленках железоиттриевого граната (ЖИГ), с прикладной точки зрения представляют интерес в связи с возможностью построения на их основе нелинейных СВЧ устройств для телекоммуника ционных систем (шумоподавителей, ограничителей мощности, импульсных линий задержки на спиновом эхе, параметрических усилителей, генераторов шума, бистабильных устройств). С фундаментальной точки зрения интерес к исследованиям процессов параметрического возбуждения спиновых волн (СВ) бегущими МСВ обусловлен как многообразием наблюдаемых нелиней ных эффектов, так и уникальной возможностью исследовать свойства пара метрических спиновых волн (ПСВ) далеко за порогом возбуждения, когда их поведение существенно определяется взаимодействием между собой.

Основное влияние на распространение МСВ в ЖИГ оказывают трехмаг нонные (3М), либо четырехмагнонные (4М) параметрические процессы, для которых законы сохранения энергии и импульса, соответственно, имеют вид p = 1 + 2, kp = k1 + k2, (1) 2p = 1 + 2, 2 kp = k1 + k2. (2) Здесь считается [1], что МСВ накачки с частотой p и волновым векто ром kp возбуждает неравновесные магноны с частотами 1,2 и волновыми векторами k1,2 преимущественно в коротковолновых участках спектра СВ |kp | |k1,2|.

Процесс параметрического возбуждения спиновых волн бегущими МСВ характеризуется рядом существенных отличий от случаев однородной или локально-однородной накачек [2]. Во-первых, в зависимости от направления поля подмагничивания H0 по отношению к нормали к пленке и направле ния kp накачка может осуществляться поверхностными (ПМСВ), обратными (ООМСВ) или прямыми (ПОМСВ) объемными МСВ [2]. Во-вторых, возбуж дение и прием МСВ микрополосками могут эффективно осуществляться в достаточно широкой полосе частот, что позволяет, в частности, наблю дать беспороговые процессы слияния ПСВ с образованием бегущих вторич ных МСВ [3,4], а также исследовать параметрические процессы в условиях нескольких волновых накачек [5,6]. Кроме того, из-за потерь эффективность возбуждения ПСВ падает по мере распространения МСВ, что приводит к конечной протяженности неравновесного участка пленки (Lnl ), в котором существуют ПСВ, и неоднородному распределению ПСВ по длине Lnl.

К моменту начала работы над диссертацией влияние ПСВ на дисперсию МСВ, а также подходы к оценке степени этого влияния не исследовались.

Между тем, такая задача интересна в связи с проблемой обработки сложных сигналов в нелинейных устройствах на МСВ, например, в шумоподавителе и ограничителе мощности [7], а также в связи c разработкой нелинейных -4 СВЧ управляемых устройств, когда в качестве управляющего параметра СВЧ сигнала используется дополнительная накачка СВЧ [8]. При этом сте пень влияния накачки на условия распространения слабого сигнала можно характеризовать изменениями в его дисперсии и затухании, в связи с чем актуальна разработка экспериментальных методов их измерения. С другой стороны, интересен и обратный эффект - влияние слабой зондирующей вол ны на распределение ПСВ в спектре за порогом их возбуждения.

Кроме того, не были обнаружены и исследованы процессы 3М распада для случаев ООМСВ и ПОМСВ, что представляет интерес с точки зрения перспектив построения нелинейных устройств на объемных МСВ. Не иссле довалось влияние волнового импульса МСВ накачки (kp = 0) на механизм образования вторичных МСВ при процессах (1) и на связь частот обра зования вторичных МСВ с частотами ослабления зондирующего сигнала.

Для нелинейных МСВ в пленках ЖИГ не были обнаружены и исследова ны сценарии перехода к хаосу, характерные для нелинейных динамических диссипативных систем.

Целью настоящей работы являлось экспериментальное обнаружение и выявление особенностей:

- влияния ПСВ на дисперсию и затухание МСВ в пленках ЖИГ;

- влияния зондирующей МСВ на распределение ПСВ в пленке ЖИГ;



- процессов хаотизации сигнала интенсивных МСВ при их распростране нии в пленках ЖИГ;

- влияния процессов параметрической неустойчивости на распростране ние импульсов МСВ в пленках ЖИГ.

Научная новизна работы состоит в том, что:

- измерены вклады ПСВ в дисперсию и затухание МСВ в касательно намаг ниченных пленках ЖИГ;

- обнаружено влияние слабого (линейного) сигнала МСВ на распределение ПСВ, созданных дополнительной волной накачки;

- установлено соответствие между частотами сателлитов в спектре ПМСВ, распространяющейся в условиях 3М распада, и частотами полос поглощения слабого зондирующего сигнала ПМСВ;

- обнаружена кинетическая неустойчивость МСВ, вызванная 3М распадами при распространении в пленках ЖИГ;

- при распространении МСВ в пленках ЖИГ в условиях 4М взаимодействия обнаружены сценарии хаотизации сигнала МСВ через разрушение двухча стотного квазипериодического движения и последовательность бифуркаций удвоения периода;

- экспериментально исследованы зависимости пиковой амплитуды и ширины линейного импульса ПМСВ, прошедшего через пленку ЖИГ, от длительно сти входного прямоугольного импульса СВЧ;

- обнаружена связь условий наблюдения эхо-импульса, формирующегося за срезом импульса ПМСВ в условиях 3М распада, с положением приемной антенны относительно неравновесного участка пленки ЖИГ.

Достоверность полученных экспериментальных результатов определя -5 ется их воспроизводимостью и соответствием известным теоретическим ре зультатам, а также согласуемостью с известными экспериментальными дан ными.

Положения, выносимые на защиту.

1. Для поверхностных и обратных объемных магнитостатических волн в пленках ЖИГ в изменение дисперсии и затухания МСВ на участке пленки, подверженном действию СВЧ накачки в виде дополнительной МСВ, основ ной вклад вносят процессы трехмагнонного и четырехмагнонного взаимо действия с участием параметрических спиновых волн, возбуждаемых накач кой. При одинаковых уровнях относительного превышения порога неустой чивости накачки изменение дисперсии и затухания поверхностной МСВ в условиях трехмагнонного взаимодействия оказывается на порядок больше, чем при четырехмагнонном взаимодействии.

2. В условиях трехмагнонной неустойчивости накачки и зондирующей волны в пленке ЖИГ, одновременно с изменением дисперсии и затухания зондирующей волны, может существенно изменяться распределение пара метрических спиновых волн в фазовом (, k) пространстве под действием зондирующей волны.

3. При уровнях накачки на 1...10 дБ превышающих порог трехмагнонных распадов в спектре сигнала МСВ, распространяющейся в касательно намаг ниченной пленке, возможно рождение сателлитов с частотами 10...1000 кГц, которые с дальнейшим ростом уровня входного сигнала формируют шумо вой спектр. Показано, что частота сателлитов не связана с геометрическими размерами пленки или протяженностью неравновесного участка, созданного действием волны накачки.

4. При мощности МСВ выше порога неустойчивости на 22...25 дБ в пленке ЖИГ происходит рождение шумового сигнала, причем в условиях трехмаг нонного распада это обусловлено началом "кинетической" неустойчивости в системе параметрических спиновых волн, а в условиях четырехмагнонного распада - развитием динамического хаоса через разрушение двухчастотного квазипериодического движения и последовательность бифуркаций удвоения периода.

5. Ширина импульса МСВ в линейном режиме распространения в пленке ЖИГ достигает 50...60 % от длительности входного прямоугольного импуль са СВЧ на расстоянии, близком к половине дисперсионной длины импульса.

6. После прохождения через пленку ЖИГ импульсов поверхностной МСВ мощностью на 15...25 дБ выше порога трехмагнонного распада, в пленке формируется эхо-импульс, вызванный слиянием параметрических спиновых волн и "отключением" механизма нелинейного затухания в пленке. Условия наблюдения эхо-импульса определяются положением приемного преобразо вателя относительно неравновесного участка пленки.

Практическая значимость работы определяется следующим:

1) разработана методика измерения длины нелинейности МСВ и оценки вклада ПСВ в дисперсию и затухание МСВ на основе комбинации метода двух локальных накачек и метода подвижного зонда в макете ЛЗ с тремя -6 преобразователями;

2) предложен способ увеличения чувствительности метода измерения по лей кристаллографической кубической анизотропии ферритовых пленок, ос нованный на измерении ориентационных зависимостей положения шумового сигнала в спектре МСВ при высоких уровнях надкритичности;

3) предложен метод измерения коэффициента дисперсии МСВ в пленках ЖИГ, основанный на достижении минимального отношения длительностей выходного импульса МСВ и входного импульса СВЧ на длине пробега МСВ, близкой к половине дисперсионной длины импульса;

4) предложен метод построения бездисперсионных ЛЗ на МСВ на основе каскада из двух анизотропных пленок;

5) изучены особенности прохождения слабого сигнала через макет шу моподавителя в присутствии сигнала накачки, вызванные невырожденными распадами сигнала накачки.





Личный вклад соискателя. Все приводимые в диссертации результа ты экспериментов получены лично соискателем. Интерпретация результатов экспериментов и их сопоставление с теорией проводились в соавторстве.

Апробация работы и публикации. Материалы диссертации доклады вались на научных семинарах ИРЭ РАН, СФ ИРЭ РАН и СГУ, представля лись на II-ом Всесоюзном семинаре по Функциональной электронике (Крас ноярск,1986);

на Всесоюзных школах-семинарах "Спинволновая электрони ка СВЧ"(Краснодар, 1987;

Львов, 1989;

Звенигорд, 1991;

Саратов, 1993;

);

X ой Международной школе по магнитному резонансу ( Новосибирск, 1987);

XV-ом Всесоюзном семинаре "Гиромагнитная электроника и электродина мика"(Куйбышев, 1987);

на Международной конференции "II ISWAS’89 and Acoustoelectronics"(Varna, Bulgaria, 1989);

Международных конференциях по магнетизму INTERMAG’89, (Washington USA 1989), INTERMAG’95, (USA, San Antonio, 1995);

I-ой и II-ой объедин. конф. по магнитоэлектронике (Мос ква, 1995;

Екатеринбург, 2000);

7-th Inter. Conf. on Ferrites, (Bordeaux, France, 1996);

International conference on magnetism, 27 July -1 august (Rome, Italy, 2003);

Семинарах: "Спиновые волны"(Ленинград 1985 - 2000);

International Symposium "Spin waves 2007", June 16-21 (Saint Petersburg, Russia, 2007);

Intenational conference on functional materials (Ucraine, Crimea, Partenid, 2005, 2007);

International Symposium "Spin waves 2009", June 7-12 (Saint Petersburg, Russia, 2009);

.

По теме диссертации опубликовано 12 статей в рецензируемых журналах, 27 тезисов в трудах конференций. Получены 2 авторских свидетельства и 1 патент на изобретение. Список основных публикаций приведен в конце автореферата.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4-х глав и заключения и содержит 202 страницы, включая 117 иллюстраций, таблицу и список литературы на 16 страницах, состоящий из 275 наимено ваний.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

.

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулирова -7 ны ее цели, научная новизна и основные положения, выносимые на защиту.

В 1-ой главе представлен обзор литературы по изучаемой проблеме. В разделе 1.1 дается общее понятие МСВ как объекта исследования и харак теризуются основные типы дипольных МСВ в пленках ЖИГ. В разделе 1. обсуждаются работы по изучению процессов параметрической неустойчи вости СВ в ЖИГ, в частности, результаты измерений пороговой мощности Pth параметрической неустойчивости и механизмы образования сателлитов в спектре сигнала МСВ;

влияние сигнала накачки мощностью Pp Pth на распространение МСВ;

результаты исследований автоколебаний и хаотиче ской динамики намагниченности в ЖИГ на СВЧ.

Глава 2 посвящена обсуждению результатов экспериментального иссле дования влияния ПСВ на дисперсию и затухание МСВ в пленках ЖИГ.

В разделе 2.1 предложен способ измерения Pth, длины нелинейности Lnl и нелинейных добавок в дисперсию k и затухание k МСВ, основанный на сочетании методов "двух накачек" [5,6] и "подвижного преобразовате ля" [9]. При этом изменения фазы и амплитуды A зондирующего сиг нала МСВ, прошедшего пленку, соотносятся с интегральными изменениями действительной k и мнимой k частей волнового числа МСВ k = k +i·k на длине Lnl :

Lnl Lnl = k (x)dx;

A = 8.68 · k (x)dx, (3) 0 Тогда усредненные по длине неравновесного участка пленки значения k и k будут определяться соотношениями:

k = /Lnl ;

k = A/(8.68 · Lnl ). (4) Исследования проводились с использованием макета ЛЗ на МСВ, схе матично показанном на рис.1, где расстояние S1 могло изменяться за счет перемещения платы 5 с преобразователями 2 и 3. Cигнал накачки с часто той fp подавался на преобразователь 2 или 1. При этом два других исполь зовались для исследования амплитудно-частотной (АЧХ) и фазочастотной (ФЧХ) характеристик зондирующего сигнала мощностью Pzin Pth, в кото рых под влиянием накачки могли возникать изменения A и, подобные показанным на рис. 2. Одновременно с преобразователя 3 регистрировался спектр сигнала накачки, прошедшего пленку.

Для определения длины Lnl, при заданном уровне надкритичности C = 10 lg(Pp /Pth ), сигнал накачки подавался на преобразователь 1, а преобразо ватели 2 и 3 использовались для анализа АЧХ зондирующей волны и пере мещались вдоль пленки (см. рис. 1(а)). Когда преобразователь 2 оказывался за границей неравновесного участка (например как показано пунктиром на рис. 1(а)) ПСВ не влияли на АЧХ и ФЧХ. Расстояние S1, при котором A и исчезали, принималось равным длине неравновесного участка L+. Для ПМСВ L = L+ и для измерения L направление H0 изменялось на проти воположное.

-8 Рис.1. Макет ЛЗ и определение длины неравновесной области L+. 1-входной преобразователь зондирующего сигнала fz ;

2-входной преобразователь сигнала накачки fp для создания нерав новесной области Lnl ;

2’- преобразователь 2 вне неравновесной области при измерении ее длины Lnl ;

3-выходной преобразователь;

4-плата с неподвижным преобразователем;

5-плата с подвиж ными преобразователями;

6-эпитаксиальная пленка ЖИГ.

Рис.2. АЧХ и ФЧХ (на вставках) зондирующего сигнала ПМСВ в пленке ЖИГ толщиной d 7µm при изменении мощности сигнала накачки Pp частотой fp 3455 МГц: 1 - P p Pth ;

2 3m Pp Pth ;

3 - Pp Pth. а) H0 579 Э, при 3M распаде накачки fp fth ;

б) H0 589 Э, при 3m 4М распаде накачки fp fth ;

A и - дополнительные затухание и изменение фазы сигнала зондирующей волны на выходе макета, вызванные взаимодействием с ПСВ.

При определении порога возбуждения ПСВ Pth сигналы накачки и зон дирующего сигналов подавались, соответственно, на преобразователи 2 и 1 рис.1(б). Уровень мощности накачки Pp при котором в АЧХ зондирующего сигнала возникали изменения A принимался равным Pth.

В разделе 2.2 описана экспериментальная установка. Раздел 2.3 посвя щен исследованию параметрических процессов при распространении ПМСВ в пленках ЖИГ. В разделе 2.3.1 показано, что при прохождении через нерав новесный участок зондирующей волны ее взаимодействие с ПСВ носит бес пороговый характер, т.е. дополнительная локальная накачка стимулирует неустойчивость ПМСВ. В разделе 2.3.2 приведены результаты измерений пороговых мощности Pth и амплитуды СВЧ намагниченности m4M ПМСВ 4M th при 4М распадах. Показано, что для ПМСВ с длиной волны больше тол щины пленки d, полученные значения согласуются с оценками порогов при неустойчивости второго порядка однородного ферромагнитного резонанса [1,2].

-9 Рис.3. а) спектр выходного сигнала накачки fp 3455 МГц. Частотные зависимости: б) из менения дисперсии зондирующей МСВ k ;

в) дополнительных потерь k”, при H0 490 Э, C 22.5 дБ в случае 3M распада.

Рис.4. а) спектр выходного сигнала накачки fp 3455 МГц. Частотные зависимости: б) измене ния дисперсии зондирующей МСВ k ;

в) дополнительных потерь k”, при H0 595 Э, C дБ (1), C 16.2 дБ (2), C 19 дБ (3) в случае 4M распада.

В разделе 2.3.3 приведены результаты исследования влияния ПСВ на дис персию и затухание зондирующей волны. Сигнал накачки подавался на мик рополоску 2, а зондирующая МСВ возбуждалась и принималась микропо лосками 1 и 3, соответственно (см. рис. 1(б)). В этом случае волна накачки мощностью Pp Pth на пути зондирующей МСВ создавала "неравновесный" участок Lnl, отмеченный штриховкой на рис. 1(б). Из-за взаимодействия с ПСВ в АЧХ и ФЧХ зондирующего сигнала как в случае 3М, так и 4М про цессов наблюдались изменения A и (см. рис.2), которые, как и длина Lnl, росли при увеличении надкритичности C. При этом длина Lnl при 4М неустойчивости ПМСВ оказывается всегда больше, чем при 3М распадах.

Показано, что неустойчивость волны накачки приводит к росту простран ственного декремента и появлению аномального участка на дисперсионной зависимости зондирующей ПМСВ. При этом значения величин k и k, рассчитанные по экспериментальным значениям A и с помощью соот ношений (4) в условиях 3М распада волны накачки, оказываются на порядок больше, чем при 4М нестабильности ПМСВ накачки, см. рис. 3 и 4.

В разделе 2.3.4 показано, что 3М-взаимодействие зондирующей ПМСВ и ПСВ, созданных накачкой, может проявляться не только в изменении дис персии и затухании ПМСВ, но и в перераспределении ПСВ (n(, k)) в (, k) - пространстве: n(, k) = n0 (k, )+n(, k), где n0(k, ) - распределение, со зданное накачкой, а добавка n(, k) nT (, k) - уровня тепловых СВ. На примере пленки ЖИГ d 7 мкм, в которой при частоте накачки fp МГц возбуждались ПСВ, удалось показать, что при совпадении частоты зон -10 Рис.5. Поведение сателлита(Fs 3354 МГц) в спектра выходного сигнала накачки (d 7µm, H0 457 Э, fp 3455 МГц, S1 4 мм, C 20 дБ (a) и C 16 дБ (b)) при изменении частоты fz зондирующего слабого (Cz 2 дБ)сигнала в окрестности, не соответствующей a) и соответствующей данному сателлиту полосы поглощения b).

дирующего сигнала fz с одной из полос поглощения при Pz Pth, сателлит, соответствующий данной полосе поглощения, испытывал "усиление," в то время как остальные сателлиты подавлялись, см. рис.5.

Влияние ПСВ на прохождение слабого сигнала через шумоподавитель на пленке ЖИГ исследовано в разделе 2.3.5. Показано, что изменения в АЧХ слабого сигнала обусловлены, в основном, изменениями сопротивления из лучения микрополоски из-за вызванных взаимодействием с ПСВ добавками k (см. рис.3) к волновому числу ПМСВ.

В разделе 2.3.6 показано, что в пленках Ga,Sc -замещенного ЖИГ, c на магниченностью насыщения 4M0 400 750 Гс, пороговые значения на магниченности ПМСВ m3m 0.04 0.1 Гс, что практически совпадает с th m3m для пленок чистого ЖИГ и объясняется близостью диссипативных па th раметров H пленок Ga,Sc- замещенного и чистого ЖИГ. При этом в плен 3m ках Ga,Sc:ЖИГ значения Pth 0.12 мкВт, что почти на порядок меньше, чем в пленках чистого ЖИГ.

3M В разделе 2.3.7 показано, что Pth ПМСВ осциллирует на частотах fN резонансного взаимодействия с N ой сдвиговой упругой модой структу ры пленка ЖИГ- подложка ГГГ, что обусловлено изменениями, в характере распределения энергии магнитоупругой волны по сечению структуры ЖИГ ГГГ и в законе дисперсии ПМСВ. В 2.3.8 показано, что величиной магни тоупругих осцилляций в АЧХ ПМСВ, которые возникают на частотах fN, можно эффективно управлять дополнительной пространственно локализо ванной накачкой на частоте fp fN.

Раздел 2.4 посвящен изучению параметрической неустойчивости ООМСВ и ПОМСВ. Показано, что влияние ПСВ на характеристики ООМСВ про является аналогично случаю ПМСВ, а величины m3M для 3М распадов th ООМСВ и ПОМСВ имеют тот же порядок, что и в случае ПМСВ. Пока зано, что зависимость амплитуды сигнала разностной частоты Fr от ампли туды встречных ООМСВ приобретает нелинейный характер при мощности -11 3M ООМСВ P Pth, а в спектре сигнала разностной частоты могут появ ляться частоты Fr /2, а при C 20 дБ, когда развивается КН, - шумовой сигнал.

Глава 3 посвящена исследованию влияния ПСВ на спектры выходного сигнала МСВ в пленках ЖИГ. В 3.1 исследуется механизм образования са теллитов Медникова [3]-Темирязева [4](МТ-сателлитов) в спектре сигнала ПМСВ при 3М-распаде. Показано, что из-за неколлинеарности 3М распадов (kp = 0) для образования МТ-сателлитов требуется взаимодействие двух групп ПСВ. Одна группа - ПСВ, образовавшиеся при распаде ПМСВ на СВ, принадлежащие модам пленки с одинаковыми номерами ("вырожден ный" распад). Другая группа - ПСВ, рожденные при распаде ПМСВ на СВ, принадлежащие модам пленки с разными номерами ("невырожденный" рас пад).

В разделе 3.2 рассмотрен эффект возникновения низкочастотных сател литов Fs 0.01....1 МГц при 3М распаде ПМСВ и ООМСВ. Такие сателлиты возникали при C 2...7 дБ, имели при зарождении частоты Fs 10... кГц, и очень малую спектральную ширину 1...2 кГц - см. рис.6. При увеличении C значения частот сателлитов в спектре, как правило, возрас тали до Fs 0.3...0.6 МГц. Однако, указанный рост Fs был нерегулярным, и при определенных уровнях надкритичности могли возникать сателлиты с Fs 10 кГц. При C 7 10 дБ сателлиты с частотами Fs 1 МГц, как правило, исчезали. При этом в случае ПМСВ в спектре возникали МТ сателлиты с Fs 10...100 МГц, рис. 6(б). В случае пленок ЖИГ достаточно большой толщины d 15...25 мкм при уровнях надкритичности C 5... дБ можно было одновременно наблюдать как низкочастотные, так и МТ сателлиты.

В сравнении с динамикой низкочастотных автоколебаний в сферах ЖИГ [1] в поведении низкочастотных составляющих в спектре сигнала МСВ были выявлены отличия: 1) в зависимости от направления изменения надкритич ности накачки в поведении частот Fs наблюдался гистерезис;

2) с увеличе нием C в спектре сигнала появлялись сателлиты, частота которых могла уменьшаться;

3) значения Fs с точностью 10% не зависели от "характер ных длин" задачи ("длины нелинейности" Lnl, толщины и ширины пленки, длины возбуждающих преобразователей), которые менялись в разы. С уче том того обстоятельства, что низкочастотные сателлиты предшествуют воз никновению МТ-сателлитов, рассмотрена модель их образования на основе беспороговых процессов слияния ПСВ [4].

В разделе 3.3 показано, что при распространении ПОМСВ в пленках ЖИГ, намагниченных в перпендикулярной к направлению распространения плоскости под углом 10 к нормали пленки, в зависимости от мощности накачки Pp при 4М распадах возникает автомодуляция, демонстрирующая хаотическую динамику. В частности, наблюдаются переходы к хаосу через последовательность бифуркаций удвоения периода (сценарий Фейгенбаума) и через появление и последующее разрушение двухчастотного квазиперио дического движения (сценарий Рюэлля-Такенса) - рис.7.

-12 Рис.6. а) Изменение спектра выходного сигнала ООМСВ частотой fp 1900 МГц в пленке ЖИГ толщиной d 19.3 мкм в зависимости от надкритичности C. Поле H0 309 Э. б) Изменение спектра выходного сигнала ПМСВ частотой fp 3455 МГц в пленке ЖИГ толщиной d 7. мкм в зависимости от уровня надкритичности C при значениях поля H0 515 Э (рис.б).

Рис.7. Переходы к хаосу через бифуркации удвоения периода (А) и разрушение двух-частотного квазипериодического движения (Б).

В разделе 3.4 исследовано влияние ПСВ на спектр выходного сигнала ООМСВ при 3М-распадах. При надкритичностях C 12 дБ обнаружено образование сателлитов в спектре выходного сигнала ООМСВ с частотами Fs 10...50 МГц и поведением, аналогичным поведению МТ-сателлитов для случая ПМСВ. Показано, что такие сателлиты могут быть представлены как вторичные ООМСВ, полученные при слиянии групп ПСВ принадлежащих одной и той же спин-волновой моде пленки, в полном соответствии с [4].

Раздел 3.5 описывает результаты исследования эффекта "кинетической неустойчивости" (КН) при 3М-распадах МСВ. Обнаружено, что при над критичностях C 22...25 дБ в выходном сигнале МСВ наблюдается шу мовой спектр с максимумом вблизи частоты удвоенного дна спектра СВ fns (H0) = 2fH 2H0 - см. рис.6.б. Положение шума fns не зависит от fp и перестраивается полем как fns (H0) = 2H0, что характерно при развитии КН вторичных СВ, образующихся при 4М взаимодействии ПСВ [1].

В разделе 3.5.2 исследовалось распространение импульсов ПМСВ в плен 3m ках ЖИГ при 3М распадах. Обнаружено, что при Pp Pth формирование -13 Рис.8. Изменение огибающей импульса ПМСВ на выходной антенне в зависимости а) от величи ны поля H0 ( S 9 мм, d 4.4 мкм, T0 4µs, fp 3.48 ГГц.);

б) от пройденного расстояния S, при H0 593 Э. На вставке (в) - в увеличенном масштабе срез импульса ПМСВ и "эхо" -импульс при изменении надкритичности C при S 10 мм.

характерного скола на срезе импульса при возбуждении ПСВ определяется не только длительностью входного импульса T0 и полем H0, но и рассто янием S между преобразователями, которое заметно больше Lnl, измерен ной при непрерывном режиме. Зависимость от S связывается с влиянием на развитие неустойчивости ПСВ головной части импульса, где мощность оказывается больше пороговой для 3М распадов в силу их инерционности.

При C 8...12 дБ за срезом выходного импульса в результате беспорогового слияния продуктов 3М распада формируется "эхо" -импульс асимметричной треугольной формы, длительностью 10...100 нс (см. рис. 8).

В 4-ой главе рассмотрены возможные практические применения. В разде ле 4.1 предложен способ измерения полей кристаллографической анизотро пии, основанный на явлении КН, когда в спектре сигнала МСВ, прошедшего через касательно намагниченную пленку, возникает шумовой пик на часто те fns - см. рисунок 7(б). Поскольку частота fns связана с частотой "дна" спектра СВ fH соотношением fns = 2 · fH, вариации частоты fns от угла между магнитным полем и осями кристалла fns () по величине могут в разы превышать аналогичные вариации длинноволновой границы спектра МСВ f0 (), по которым обычно судят о полях анизотропии пленки.

Новый подход к созданию бездисперсионной ЛЗ на основе каскада из двух дисперсионных ЛЗ с взаимообратными законами дисперсии рассмот рен в разделе 4.2. На примере касательно намагниченных пленок ориента ции {100} и косонамагниченных пленок ориентации {111} показана возмож ность построения бездисперсионных ЛЗ c использованием не двух, как это делалось в известных решениях [10], а одной магнитной системы. При этом, взаимообратного хода законов дисперсии МСВ в пленках добиваются раз личной ориентацией эквивалентных кристаллографических осей пленки по -14 отношению к направлению магнитного поля системы подмагничивания.

В разделе 4.3 предложен способ определения коэффициента дисперсии МСВ = 2/k 2, основанный на особенностях поведения ширины прямо угольного импульса по уровню 1/2 в линейном режиме распространения в дисперсионной среде. Обнаружено, что прямоугольный импульс МСВ дли тельностью T0 при прохождении через макет ЛЗ изменяется в силу диспер сионного "расплывания" так (см. рис.9), что его длительность по уровню 1/2 достигает минимума на расстоянии S, равном половине дисперсионной длины импульса:

Lc T0 · Vg3 /(18.4 · ||).

(5) Показано, что с помощью (5) путем подбора T0 можно добиться равенства Lc расстоянию S между преобразователями макета ЛЗ и, измерив задержку импульса в макете, определить значения коэффициента дисперсии.

В разделе 4.4 исследованы режимы работы макета перестраиваемого ге нератора шума на основе широкополосного усилителя СВЧ и пленки ЖИГ в цепи обратной связи. Показано, что при коэффициентах усиления K, до статочных для развития параметрической неустойчивости в пленке ЖИГ, некоторые из полос генерации могут демонстрировать хаотическую дина мику в зависимости от K. В частности, обнаружен переход к хаосу через последовательность бифуркаций удвоения периода.

Основные выводы и результаты приведены в заключении работы.

1. 4М неустойчивость ПМСВ с волновыми числами k 30... 600 см является распадной и развивается при величинах m4m близких к пороговым th для параметрической нестабильности второго порядка однородной попереч ной накачки. При надкритичностях C 7 дБ возбуждаемые ПСВ имеют k (3...4) · 105 см1 и частоты fk fp. При C 15...20 дБ, возбуждаемые ПСВ сами оказываются неустойчивы по отношению к 4М взаимодействию, в результате чего в пленке развивается КН.

4m 2. Порог 4М неустойчивости Pth ПМСВ может быть определен по воз никновению нелинейности зависимости Pout (Pp ), усложнению спектра вы ходного сигнала накачки и, в случае использования метода двух накачек, по появлению полос поглощения в АЧХ зондирующего сигнала. Из перечислен ных, метод "двух накачек" обладает большей чувствительностью при изме 4m рении Pth в условиях, когда процессы возбуждения накачки и зондирую щего сигналов пространственно разнесены, и ПСВ, возбуждаемые накачкой, оказывают влияние только на распространение зондирующего сигнала.

3. Пороговые амплитуды намагниченности ПМСВ при 4М распаде в 5... раз превышают аналогичные величины при 3М распаде ПМСВ, а амплитуда сигнала ПМСВ накачки, прошедшего пленку, и протяженность "неравновес ного" участка увеличиваются с ростом надкритичности накачки.

4. В изменение дисперсии и затухания ПМСВ на участке пленки, подвер женном действию СВЧ накачки в виде дополнительной ПМСВ на частоте fp, основной вклад вносят процессы 3М и 4М взаимодействия с участием ПСВ, возбуждаемых накачкой. При одинаковых уровнях надкритичности накач ки изменение дисперсии и затухания ПМСВ в условиях 3М взаимодействия -15 оказывается на порядок больше, чем при 4М взаимодействии.

5. В условиях 3М неустойчивости накачки и зондирующей волны одновре менно с дисперсией и затуханием зондирующей волны может существенно меняться распределение ПСВ в (, k) - пространстве под действием зонди рующей волны.

6. В пленках Ga,Sc:ЖИГ с намагниченностью 4M0 400...750 Гс, по роговые значения m3m 0.04...0.1 Гс близки к m3m для пленок чистого th th ЖИГ, что объясняется близостью диссипативных параметров пленок. При этом пороговые мощности ПМСВ в пленках Ga,Sc:ЖИГ принимают значе 3m ния Pth 0.1...2 мкВт, что почти на порядок меньше, чем в пленках чистого ЖИГ.

7. Порог 3М параметрической неустойчивости ПМСВ на частотах fN ре зонансного взаимодействия со сдвиговыми упругими модами эпитаксиаль ной структуры пленка ЖИГ- подложка ГГГ осциллирует, что обусловлено изменениями в характере распределения энергии магнитоупругой волны по сечению структуры ЖИГ-ГГГ и в законе дисперсии ПМСВ.

8. Величиной магнитоупругих осцилляций в АЧХ ПМСВ, которые воз никают на частотах резонансного взаимодействия ПМСВ и сдвиговых волн структуры ЖИГ/ГГГ fN, можно эффективно управлять дополнительной пространственно локализованной накачкой на частоте fp fN.

9. Показано, что характер распределения усредненных по толщине пле ночного ЖИГ-волновода СВЧ магнитных полей объемных магнитостатиче ских волн (ПОМСВ и ООМСВ) в условиях 3М распадов близок к случаю "поперечной" накачки. При этом пороговые мощности и амплитуды намаг ниченности оказываются того же порядка, что и в случае ПМСВ.

10. Распространение ООМСВ на частотах fp близких к границе 3М распа 3m дов fth характеризуется следующими особенностями: с ростом надкритич ности выходная мощность ООМСВ испытывает скачкообразные изменения;

каждому такому изменению отвечает возникновение сателлитов в спектре сигнала с частотами fs 100...1000 кГц, которые сохраняются вплоть до появления следующего скачка.

11. Зависимость амплитуды сигнала разностной частоты Fr от ампли туды встречных ООМСВ приобретает нелинейный характер при мощности встречных ООМСВ выше порога 3М распадов. При этом с ростом надкри тичности ООМСВ в спектре сигнала разностной частоты могут появляться частоты Fr /2, а при C 20 дБ, достаточной для КН параметрических спи новых волн - шумовой сигнал.

12. При 3М неустойчивости МСВ в касательно намагниченной пленке и надкритичности C 1...3 дБ в спектре МСВ возникают сателлиты с часто тами 10...1000 кГц, которые при C 7...10 дБ образуют шумовой спектр вблизи несущей частоты. Частоты таких сателлитов не зависят от длины неравновесного участка, геометрических размеров пленки и преобразовате лей. При 10 C 20 в спектре выходного сигнала наблюдаются МТ сателлиты. При надкритичности 25...30 дБ наблюдается шумовой сигнал с максимумом вблизи частоты удвоенного "дна" спектра СВ пленки, который -16 по своим свойствам аналогичен случаю "кинетической" неустойчивости в системе ПСВ.

13. К появлению сателлитов в сигнале ПМСВ и ООМСВ могут приводить беспороговые 3М процессы слияния ПСВ. В случае ООМСВ в образовании сателлитов участвует одна группа ПСВ, появившихся в результате "невы рожденных" распадов волны накачки.

В случае ПМСВ участвуют две группы ПСВ, одна из которых образует ся в результате "вырожденных," а другая "невырожденных" 3М распадов ПМСВ накачки. Такие вторичные ПМСВ могут быть "усилены" слабым (до пороговым) сигналом с частотой, отстоящей от частоты накачки на удвоен ную частоту вторичных ПМСВ.

14. При распространении ПОМСВ в косонамагниченых пленках ЖИГ в условиях 4М неустойчивости, эволюция огибающей демонстрирует универ сальные для нелинейных систем переходы к хаосу - переход через последова тельность бифуркаций удвоений периода (сценарий Фейгенбаума), и переход через появление и последующее разрушение квазипериодического движения (сценарий Рюэля-Такенса).

15. На основе проведенных исследований предложены конструкции и из готовлены лабораторные макеты бездисперсионных ЛЗ, а также предложе ны способы измерения потерь и коэффициента дисперсии линейных МСВ, метод оценки длины нелинейности, дисперсии и затухания нелинейных МСВ, способ измерения полей анизотропии ферритовых пленок.

Список основных публикаций по результатам диссертации:

1. Дудко Г.М., Казаков Г.Т., Кожевников А.В., Филимонов Ю.А. Удвоение периода и хаос при четырехмагнонном распаде бегущих магнитостатических волн //Письма в ЖТФ. 1987.Т.13. №12. С.736-738.

2. Казаков Г.Т., Кожевников А.В., Филимонов Ю.А. Стимуляция трехмаг нонного распада магнитостатических волн дополнительной локальной на качкой //Письма в ЖТФ. 1995. Т.21. №14. С.47-52.

3. Kozhevnikov A.V., Nikitov S.A., Filimonov Yu.A. Dispersion and losses of non-linear magneto-static waves in YIG lms //Jour. de Physique. 1997. V.7.

P.401-402.

4. Казаков Г.Т., Кожевников А.В., Филимонов Ю.А. Четырехмагнонный рас пад поверхностных магнитостатических волн в пленках ЖИГ //ФТТ. 1997.

Т.39. №2. С.330-338.

5. Казаков Г.Т., Кожевников А.В., Филимонов Ю.А. Влияние параметриче ски возбужденных спиновых волн на дисперсию и затухание поверхностных магнитостатических волн в ферритовых пленках // ЖЭТФ. 1999. Т.115. №1.

С.318-332.

6. Казаков Г.Т., Кожевников А.В., Филимонов Ю.А. Взаимодействие запо рогового и слабого сигналов СВЧ при прохождении через шумоподавитель на ферритовой пленке //РЭ. 2006. Т.51. №4. С.440-445.

7. Галишников А.А., Кожевников А.В., Марчелли Р., Никитов С.А., Филимо нов Ю.А. Распространение прямоугольных импульсов магнитостатических волн в пленках железоиттриевого граната //ЖТФ. 2006. Т.76. вып.5. C.62 -17 70.

8. Галишников А.А., Кожевников А.В., Филимонов Ю.А. Компрессия прямо угольных импульсов в линейной диспергирующей среде //Изв. вузов, При кладная нелинейная динамика. 2005. Т.13. №1-2. C.63-78.

9. Marcelli R., Nikitov S.A., Filimonov Yu.A., Galishnikov A.A., Kozhevnikov A.V., Dudko G.M. Magnetostatic surface wave bright solitons propagation in ferrite-dielectric-metal structure //IEEE Trans. On Magn. 2006. Vol.42. №7.

P.1785-1801.

10. Галишников А.А., Дудко Г.М., Кожевников А.В., Марчелли Р., Никитов С.А., Филимонов Ю.А. Эффекты самовоздействия при распространении им пульсов поверхностных магнитостатических волн в структуре феррит - ди электрик - металл //ПНД. 2006. Т.14. №3. C.3-33.

11. Высоцкий С.Л., Казаков Г.Т., Кожевников А.В., Никитов С.А., Романов А.В., Филимонов Ю.А. Бездисперсионная линия задержки на магнитоста тических волнах //Письма в ЖТФ. 2006. Т.32. вып.15. C.45-50.

12. Высоцкий С.Л., Кожевников А.В., Казаков Г.Т., Никитов С.А., Фили монов Ю.А. Параметрическая неустойчивость поверхностных магнитоста тических волн в двумерных магнонных кристаллах //ПНД. 2007. Т.15. №3.

C.58-73.

13. Kozhevnikov A.V., Filimonov Yu.A. Low-frequency auto-oscillations under magnetostatic waves parametric instability in epitaxial YIG lms. ICFM-2005.

Ucraine. Crimea. Partenid. 2005. P.218.

14. Дудко Г.М., Кожевников А.В., Филимонов Ю.А. Стохастизация сигнала магнитостатических волн в ферритовых пленках //Тезисы докладов XV го Всесоюзного семинара Гиромагнитная электроника и электродинамика.

Куйбышев. 1987.

15. Кожевников А.В., Филимонов Ю.А. Влияние параметрических спино вых волн на дисперсию и затухание обратных объемных магнитостатиче ских волн в ферритовых пленках //Тезисы докладов II-ой объедин. конф.

по магнитоэлектронике (международной). Екатеринбург. 15 - 18 февраля.

2000.

16. Веселов А.Г., Высоцкий С.Л., Казаков Г.Т., Кожевников А.В., Сухарев А.Г., Филимонов Ю.А. Магнитоупругая фильтрация в тонкопленочных фер ритовых структурах с неоднородным распределением параметров //Тезисы докладов Всесоюзной школы-семинара Спинволновая электроника СВЧ. Са ратов. 1993.

17. Кожевников А.В., Филимонов Ю.А. Распространение объемных магни тостатических волн в условиях трехмагнонных распадов в эпитаксиальных пленках и пластинах ЖИГ //Тезисы докладов IV-ой Всесоюзной школы семинара Спинволновая электроника СВЧ. Львов. 1989.

18. Дудко Г.М., Казаков Г.Т., Кожевников А.В., Филимонов Ю.А. Кине тическая неустойчивость и распространение импульсов при трехмагнонном распаде поверхностных магнитостатических волн (ПМСВ) в пленках ЖИГ //Тез. докл. конф. Спинволновая электроника СВЧ. Краснодар. 1987. C.121 122.

-18 19. Kazakov G.T., Kozhevnikov A.V., Sukharev A.G., Filimonov Yu.A. MSW in Ga,Sc:YIG lms with domain structures //INTERMAG’95. USA. San Antonio.

1995.

Получены авторские свидетельства и патенты.

20. А.с. 1482491 СССР, МКИ4H 03 H 7/30 Бездисперсионная регулируемая линия задержки. /Дудко Г.М., Казаков Г.Т., Кожевников А.В., Сухарев А.Г., Филимонов Ю.А. (СССР) - № 4333923/24-21;

заявлено 26.11.1987;

опублико вано 22.01.1989.

21. А.с. 1772774 СССР, МКИ5G 01 R 33/05. Способ определения полей ани зотропии эпитаксиальной ферритовой пленки /Казаков Г.Т., Кожевников А.В., Филимонов Ю.А. (СССР) - № 4837139/21;

заявлено 11.06.90;

опубл.

БИ 40, 1992.

22. Пат. 2380797 C1. Российская Федерация, МПК H 01 P 1/203 (2006.01).

Полосно-заграждающий фильтр /Высоцкий С.Л., Джумалиев А.С., Кожев ников А.В., Никулин Ю.В., Никитов С.А., Филимонов Ю.А., Хивинцев Ю.В.;

заявитель и патентообладатель Учреждение Российской академии наук Ин ститут радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН;

- №2008146596/09;

заявлено 26.11.2008;

опубликовано 27.01. Список литературы.

[1] Львов В.С. Нелинейные спиновые волны. M.: Наука, 1987. 270 c.

[2] Гуревич А.Г., Мелков Г.А. Магнитные колебания и волны. М.: Физматлит, 1995. 315 c.

[3] Медников А.М. Нелинейные эффекты при распространении поверхност ных спиновых волн в пленках ЖИГ //ФТТ. 1981. Т.23. вып.1. C.242-245.

[4] Темирязев А.Г. Механизм преобразования частоты поверхностной МСВ в условиях трехмагнонного распада //ФТТ. 1987. т.29. в.2. C.313-319.

[5] Чивилева О.А., Анисимов А.Н., Гуревич А.Г., и др. Взаимодействие сла бого и запорогового сигналов при возбуждении поверхностной МСВ //Пись ма в ЖТФ. 1987. Т.13. вып.24. C.1497-1501.

[6] Вашковский А.В., Зубков В.И., Локк Э.Г., Никитов С.А. Влияние СВЧ сигнала большой мощности на распространение МСВ в ферритовых пленках //ФТТ. 1988. Т.30. №3 C.827-832.

[7] Шараевский Ю.П., Гришин В.С., Гурзо В.В., и др. Взаимодействие регу лярных и шумовых сигналов в нелинейной линии передачи на МСВ //РЭ.

1995. Т.40. №7. C.1064-1068.

[8] Scott M.M., Fetisov Yu.K., Synogach V.T., Patton C.E. Suppression of micro wave magnetic envelope solitons by continuous wave magnetostatic wave signals //J. Appl. Phys. 2000. V.88. №7. P.4232-4235.

[9] Зильберман П.Е., Казаков Г.Т., Тихонов В.В. Раздельное измерение па раметров полезного сигнала и наводки в линиях передачи МСВ //РЭ. 1985.

т.30. в.6. C.1164-1169.

[10] Adkins L.R. et al. Electronically variable time delays using cascaded magneto static delay lines //J. Appl. Phys. 1984. V.58. №6. P.2518-2520.

.

.



 

Похожие работы:





 
2013 www.netess.ru - «Бесплатная библиотека авторефератов кандидатских и докторских диссертаций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.