ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ........................................................ 3
ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ О МАГНИТНЫХ НЕОДНОРОДНОСТЯХ
И ДИФРАКЦИИ НА НИХ В МОНОКРИСТАЛЛАХ ФЕРРИТОВ.................. 11
§1.1. Магнитные и оптические свойства монокристаллов ферритов 11
§ 1.2. Виды магнитных неоднородностей в монокристаллах ферритов
(лабиринтная и полосовая доменные структуры).............. 16
§1.3. Дифракция оптического излучения на магнитных дифракционных
решетках.................................................. 19
Выводы по первой главе......................................... 23
ГЛАВА 2. ИЗУЧЕНИЕ ДОМЕННЫХ СТРУКТУР И МОДЕЛИРОВАНИЕ
ДИФРАКЦИИ ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ................................ 24
§2.1. Описание математической модели для анализа дифракции на
доменной границе.......................................... 24
§2.2. Численная реализация уравнения дифракции и его краевых задач.. 28
§2.3. Программная реализация модели и результаты расчетов...... 33
§2.4. Исследование дифракционной картины, созданной полосовой
доменной структурой....................................... 34
Выводы по второй главе......................................... 40
ГЛАВА 3 ИССЛЕДОВАНИЕ ОПТИЧЕСКИХ БИСТАБИЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ НА ОСНОВЕ МАГНИТНЫХ ДИФРАКЦИОННЫХ РЕШЕТОК.... 41
§3.1. Виды бистабильности...................................... 41
§3.2. Оптическая бистабильность на основе полосовой доменной
структуры................................................. 47
§3.3. Исследование устройств на основе полосовой доменной
структуры................................................. 54
§3.4. Исследование амплитудной оптической бистабильности на
магнитных дифракционных решетках.......................... 61
§3.5. Исследование поляризационной оптической бистабильности на
основе магнитных дифракционных решеток..................... 63
Выводы по третьей главе........................................ 69
ГЛАВА 4. УПРАВЛЕНИЕ ПАРАМЕТРАМИ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МАГНИТНЫХ ДИФРАКІ {ИОННЫХ РЕШЕТОК ... 70 §4.1. Цифровые оптические устройства, основанные на магнитных
дифракционных решетках..................................... 70
§4.2. Внутрирезонаторный магнитооптический модулятор трехзер-
кального лазера............................................ 71
§4.3. Расчет внутрирезонаторного магнитооптического модулятора трехзеркального лазера с использованием матричного метода Джонса 72 §4.4. Экспериментальная установка для исследования внутрирезонатор-
ной магнитооптической модуляции НеЧЧе лазера на Х=\,15 мкм... 77 §4.5. Результаты экспериментального исследования внутрирезонатор-
ной магнитооптической модуляции............................ 79
§4.6. Модуляторы, использующие дифракцию света на полосовой
доменной структуре......................................... 80
Выводы по четвертой главе...................................... 84
ЗАКЛЮЧЕНИЕ..................................................... 85
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК....................................... 87
ПРИЛОЖЕНИЕ..................................................... 97
ВВЕДЕН РТЕ
Развитие информационных технологий влечет за собой развитие компонентной базы, основывающейся на новых физических принципах работы. В этом отношении магнитооптика является одним из ведущих направлений развития современной физики. Наиболее перспективной является область оптической обработки информации, основанная на управлении сигналами в оптическом и субоптическом диапазонах длин волн.
Оптическая обработка сигналов имеет ряд преимуществ, в частности, большую скорость распространения сигналов, более вместительную полосу частот, независимость нескольких сигналов на одной линии и легкость сопряжения с устройствами, выполненными на основе волоконно-оптической технологии. Основной недостаток оптического метода заключается в более сложных способах генерации и усиления излучения, принципиально отличных от тех, что используются в электронных устройствах.
Актуальность. В настоящее время созданы различные типы магнитооптических приборов, позволяющих управлять интенсивностью светового пучка, его направлением распространения, поляризацией, спектральным составом и пространственной структурой. Одной из перспективных задач применения магнитооптических устройств является создание магнитооптических систем обработки информации.
Основные направления развития оптической технологии сегодня - это создание и усовершенствование основных элементов компонентной базы: оптических проводников, оптических матричных и оптических нелинейных элементов. Особый интерес представляют нелинейные оптические устройства - аналоги транзисторов в полупроводниковой электронике. Одно из наиболее перспективных явлений, на основе которого можно создать такие устройства, - оптическая бистабильность.
Исследования оптической бистабильности начались в конце 50-х гг. XX в. и интенсивно продолжаются в настоящее время. В данном направлении работали Г. Сул и В.Н. Луговой (1979) (предсказавшие существование
3
оптической бистабильности), С. Мак-Колл с коллегами (1975) (впервые ее наблюдавшие), Копель и Лохман (1986) (результаты их исследований представлены в работе «Поляризация и оптическая бистабильность»),
A.A. Кастальский (1973) (первым описавший бистабильность в гибридных устройствах с внешней связью), P.W. Smith и Е.Н. Turner (1980-1983) (продолжившие сс изучение). Типы и направления применений оптической бистабильности описали S.F. Collins и R.S. Wasmundt (1980). Л.А. Лугиато (1984) представил несколько специфических видов бистабильности, Х.М. Гиббс (1988) посвятил оптической бистабильности монографию, в которой представил основные разработки и исследования в этой области, а также рассмотрел перспективы и пути оптимизации оптических нелинейных устройств. Из последних исследований стоит выделить работы Ю.К. Фетисова (2001) и
B.C. Днепровского (1999), изложивших все основы данного направления.
Магнитооптические явления, открытые еще в XIX веке, были объяснены только к середине XX века, а особый всплеск интереса к ним произошел в 60-е годы прошлого столетия. Физика магнитооптических явлений стала бурно развиваться в связи с открытием уникальных прозрачных ферритов и появлением лазеров. С этого времени начинает интенсивно развиваться прикладная магнитооптика, - создаются магнитооптические приборы, управляющие различными параметрами СВЧ и оптических пучков. В основе магнитооптических устройств с использованием магнитных решеток лежит эффект дифракции света на фазовой дифракционной решетке, созданной полосовой доменной структурой в ферромагнетике. Использование магнитных решеток началось в начале 70-х годов XX века. Вышел ряд работ, посвященных исследованию и использованию полосовой доменной структуры и ее рефлексов. Созданы различные дефлекторы, транспаранты и другие устройства управления оптическим лучом. Однако с конца 80-х годов не было значительных публикаций на эту тему.
Особая роль в современной физике магнитооптических взаимодействий, а также в магнитооптической технике принадлежит тонким пленкам и
4
тонким монокристаллическим пластинам, поскольку гораздо легче создать и управлять оптическим сигналом с помощью магнитного поля и температуры сложных оптических неоднородностей (например, полосовой доменной структуры).
Однако, за последние два десятилетия никаких разработок (теоретических и экспериментальных) по созданию и усовершенствованию систем оптической обработки информации на основе магнитных решеток не было.
Таким образом, актуальность исследования обусловлена противоречием между высокими требованиями современного информационного общества, диктующего внедрение новых систем оптической обработки информации, -с одной стороны, и отсутствием разработанной и готовой к широкому применению компонентной базы для их создания - с другой.
Для разрешения данного противоречия необходимо разработать принципиальные схемы указанных компонентов, учитывая принципы и особенности их работы; определить спектр материалов, необходимых для их создания; в соответствии со схемами создать экспериментальные образцы и исследовать их работу, а также определить основные пути реализации указанных разработок.
Целыо диссертационной работы является экспериментальное и теоретическое исследование схем оптических устройств на основе магнитных дифракционных решеток, их реализация и исследование режимов работы.
Задачи исследования:
1. Анализ научной, технической и нормативной литературы по теме исследования.
2. Математическое моделирование дифракции на полосовой доменной структуре.
3. Определение условий существования полосовой доменной структуры в монокристалле феррита, исследование параметров фазовой дифракционной решетки и дифракционной картины, полученной с помощью полосовой доменной структуры.
5
4. Разработка и реализация схемы магнитооптических устройств, использующих магнитную дифракционную решетку. Экспериментальная реализация магнитооптических устройств амплитудного и поляризационного управления оптическим сигналом. Изучение их практических возможностей.
5. Разработка на основе предложенных оптических бистабильных элементов принципиальных схем следующих устройств: логических оптических элементов, оптических модуляторов, оптических модуляторов добротности.
6. Сравнительный анализ полученных оптических устройств с уже существующими устройствами такого же назначения.
В соответствии с поставленными задачами исследование проводилось в несколько этапов.
1-й этап включал изучение и анализ литературы по проблеме исследования, а также изучение устройств, разрабатываемых для реализации сис тем оптической обработки информации. В результате были выявлены основные направления развития магнитооптики в сфере ее применения в современных технологиях, а также отсутствие основных элементов компонентной базы систем оптической обработки информации, пригодных для массового внедрения в производство современной техники.
2-й этап был посвящен теоретической разработке и экспериментальной реализации оптических нелинейных устройств. Выли разработаны схемы магнитооптических устройств, использующих магнитную дифракционную решетку, исследованы режимы бистабильного амплитудного и поляризационного управления оптическим сигналом.
3-й этап связан с систематизацией полученных в ходе экспериментов результатов и проведением сравнительного анализа полученных оптических устройств с уже существующими устройствами такого же назначения.
Методы исследования:
Математическое моделирование дифракции на доменах осуществлялось методом разложения по параметру гирации. Полученные уравнения решались методом Фурье. Вычисления производились численными методами.
6
Изучение доменной структуры ферритов производилось магнитооптическими методами. Изучение оптической бистабильности проводилось с помощью селективного микровольтметра и фотодиодов.
Основные положении, выносимые на защиту:
1. При значениях магнитного поля от 3 до 10 кА/м, действующего на образцы феррит-граната, вырезанные в плоскостях {110} и {111}, образуется полосовая доменная структура, служащая фазовой дифракционной решеткой, которая при использовании излучения с длиной волны 1,15 мкм и электронной обратной связи приводит к режиму нелинейного бистабильного оптического пропускания устройств. Основные параметры ферритов, влияющие на работу устройств, это - толщина образца, близкая к оптимальной, фактор качества < 1 и магнитооптическая добротность выше 100.
2. Внутрирезонаторный магнитооптический модулятор трехзеркального Не-Ле лазера на основе магнитной дифракционной решетки в железоиттрие-вом гранате, осуществляет при малых намагничивающих полях амплитудную модуляцию до частот 180 кГц с глубиной модуляции 50% и частотную модуляцию с девиацией в несколько мегагерц при намагничивающих полях, превышающих пороговые.
3. Трехзеркальный Не-Ые лазер с внутрирезонаторной модуляцией на основе магнитной дифракционной решетки на 1=1,15 мкм, генерирует, в отличие от известных, вместо 7-8 частот две с долговременной стабильностью, в связи с введением внутрь резонатора дисперсионного элемента в виде магнитной решетки.
Достоверность первого положения подтверждается согласием полученных теоретических и экспериментальных данных с фундаментальными положениями теории оптической бистабильности. Обнаруженный режим нелинейного пропускания устройств на основе магнитных решеток соответствует гибридной оптической бистабильности, описанной Х.М. Гиббсом (1988 г.) и др. Так, исследованные нами образцы имеют толщину 0,4 мм и диаметр 6 мм. При мощности излучения -10 мВт характерное время переключения составляет -10'-10*' с, а энергия переключения - 0,1 мДж.
7
- Київ+380960830922