Введение к работе
Актуальность работы. Как известно, в большинстве случаев существенный прогресс в науке и технике достигается за счет построения элементов и устройств, в основе работы которых лежат нелинейные явления. Наиболее ярким подтверждением этого являются транзисторы, лазеры, нелинейные оптические элементы, устройства записи и обработки информации. Нелинейность является общим свойством, характерным для различных систем. Определяющими факторами для возникновения в любой среде нелинейных процессов выступают энергия внешнего воздействия, а также динамические особенности и внутренние свойства системы. Практически все нелинейные процессы связаны с волновыми явлениями, имеющими разнообразную физическую природу: оптическую, акустическую, магнитную или другую. При этом важную роль играет динамическое взаимодействие между различными подсистемами, которое в реальных элементах происходит при влиянии ограничивающих поверхностей.
На основании экспериментальных и теоретических исследований многоволновых взаимодействий, сопровождающих динамические нелинейные процессы в ограниченных средах с различными фазовыми состояниями при внешнем воздействии разного уровня интенсивности, могут создаваться нелинейные элементы и устройства, отличающиеся повышенными эксплуатационными и функциональными характеристиками, что подтверждает не только научное и прикладное значение таких работ, но и их безусловную актуальность.
Целью работы является исследование многоволновых взаимодействий при участии акустической подсистемы в ограниченных конечными размерами средах: лазерного излучения в поглощающем слое и магнитоакустических волн в пластине слабого ферромагнетика.
Основные задачи исследования:
-
Теоретическое исследование многоволнового взаимодействия когерентного электромагнитного излучения в неупорядоченной среде на тепловом механизме нелинейности с учетом распространения звуковых волн по всей области взаимодействия.
-
Экспериментальное исследование явлений, сопровождающих многоволновое взаимодействие на тепловой нелинейности в слое поглощающей среды.
-
Моделирование процессов взаимодействия магнитоакустических волн с доменной границей в пластинах слабых ферромагнетиков ортоферритов.
-
Экспериментальное исследование магнитоакустических волн, возбуждаемых движением одиночной доменной границы в пластинах YFeCb.
-
Экспериментальное исследование нелинейных явлений, сопровождающих движение доменных границ в пластинах ортоферрита иттрия.
Научная новизна работы следует из экспериментально и теоретически полученных результатов по исследованиям динамических многоволновых процессов в нелинейных средах с разными агрегатными состояниями и упорядо-ченностями структур, в которых:
-
Методами четырехволновых и шестиволновых взаимодействий лазерного излучения среднего ИК диапазона в системах с разными фазовыми состояниями в режимах от непрерывного до импульсного исследован механизм нелинейности, обусловленный тепловым оптоакустическим эффектом. Показана возможность преобразования длительности импульсов и длины волны излучения. Впервые реализовано вынужденное рассеяние излучения СС^-лазера на тепловом механизме нелинейности с коэффициентом отражения до 20% по энергии.
-
Впервые экспериментально исследована и измерена упругая деформация, вызванная движением доменной границы в пластине слабого ферромагнетика -YFeCb в виде стоячих волн Лэмба.
-
Впервые экспериментально обнаружена перекачка энергии между различными модами магнитоакустических волн Лэмба в пластинах YFeCb, что указывает на нелинейный характер взаимодействия между магнитной и акустической подсистемами при малых энергиях взаимодействующих волн.
-
Теоретически исследованы механизмы формирования тепловой нелинейности в поглощающих жидкостях с учетом образования тепловой линзы и теплового расширения среды за счет распространения звуковых волн по всей зоне лазерного воздействия в условиях нестационарного нагрева, а также диффузионных потоков тепла через границы среды в стационарном режиме. Определены основные факторы, ограничивающие взаимодействие волн и влияющие на их структуру.
-
Показано, что магнитоакустическое взаимодействие может компенсировать отрицательную дисперсию нормальных сдвиговых волн пластины образца ортоферрита. Установлено, что образцы ортоферритов в форме пластин представляют двумерный резонатор для магнитоакустических волн Лэмба, возбуждаемых при периодическом движении доменной границы.
6. Показано, что в монокристаллических образцах ортоферрита иттрия с магнитными неоднородностями процесс перемагничивания, обусловленный движением доменной границы, сопровождается нелинейными многоволновыми возбуждениями в акустической и магнитной подсистемах и вызывает торможение доменной границы.
Практическая ценность работы:
-
Механизм четырехволнового взаимодействия, обусловленный тепловой нелинейностью, положен в основу работы элементов и устройств для улучшения направленности излучения мощных лазеров среднего ИК диапазона, преобразования параметров импульсов, построения лазерных систем и комплексов с перестраиваемой обратной связью, визуализации ИК излучения.
-
Разработаны методы исследования и контроля магнитодинамических параметров прозрачных магнетиков - магнитооптический метод с временным разрешением 25 пс и метод темнопольной дифракции, позволяющий исследовать деформации с амплитудой менее 0.5 нм.
-
Результаты исследований сдвиговых магнитоакустических волн в пластинах ортоферритов могут быть использованы для создания перестраиваемых источников гиперзвуковых колебаний вплоть до терагерцового диапазона.
-
Результаты исследований взаимодействия доменной границы с магнитоа-кустическими волнами в ортоферритах могут быть использованы для создания перестраиваемых источников волн Лэмба.
-
На основе упруго-индуцированного механизма перемагничивания разработаны магнитооптические устройства: управляемый прецизионный пространственно-временной транспарант и модулятор электромагнитного излучения с субпикосекундным временем переключения.
Основные положения, выносимые на защиту.
-
Модель многоволновых (четырех- и шести-) взаимодействий электромагнитного излучения на тепловой нелинейности в поглощающих средах, которая учитывает ограничивающие влияния крупномасштабных образований, тепло-переноса, теплового расширения среды и определяет оптимальные условия максимально эффективного преобразования волн.
-
Доминирующая роль теплового механизма нелинейности при многоволновых взаимодействиях в среднем ИК диапазоне позволяет визуализировать ИК излучение с линейным динамическим диапазоном 10 при пороговой чувствительности 10" Дж/см , приводит к вынужденному рассеянию света в сжатых га-
зах при пороговом значении энергии менее 50 мДж и обеспечивает коэффициент отражения излучения для жидкостей до 20% с увеличением длительности импульсов вплоть до непрерывного режима.
-
Модель низшей изгибной волны Лэмба, возбуждаемой движением одиночной доменной границы в пластине ортоферрита иттрия, учитывающая зависимость амплитуды волны от размеров пластины и скорости движения границы.
-
Модель нормальных сдвиговых магнитоакустических волн в однородно намагниченных пластинах слабых ферромагнетиков (ортоферритов), из которых получены дисперсионные зависимости этих волн.
-
Движение доменной границы под действием периодического магнитного поля вызывает поперечную деформацию ограниченной пластины ортоферрита иттрия с резонансным характером частотной зависимости ее амплитуды и фазы. По данным интерференционных измерений величина амплитуды деформации достигает 7 нм.
-
Нелинейное взаимодействие доменной границы с акустической и магнитной подсистемами, включая магнитные неоднородности пластины ортоферрита, в условиях фазового синхронизма приводит к одновременному возбуждению и взаимодействию нескольких мод нормальных магнитоакустических волн.
Апробация работы. Основные результаты работы представлялись и докладывались на IV Всесоюзной конференции "Фотометрия и ее метрологическое обеспечение" (г. Москва, 1982); Всесоюзной конференции "Использование современных физических методов в неразрушающих исследованиях и контроле" (г. Хабаровск, 1984); Всесоюзных конференциях "Обращение волнового фронта лазерного излучения в нелинейных средах." (г. Минск, ОВФ-86, ОВФ-89); V Всесоюзной конференции "Оптика лазеров" (г. Ленинград, ГОИ, 1986); XIV международной конференции по когерентной и нелинейной оптике (г. Ленинград, КиНО'91); Международных симпозиумах "Принципы и процессы создания неорганических материалов" (г. Хабаровск, I Самсоновские чтения - 1998, II Самсоновские чтения - 2002, III Самсоновские чтения - 2006); Региональных научных конференциях "Физика: фундаментальные исследования, образование"^. Хабаровск -1998, 2005, г.Владивосток - 2007); III Международном симпозиуме «Применение результатов исследований по конверсии для международной кооперации» (SIBCONVERS'99", г. Томск); Международных школах-семинарах «Новые магнитные материалы микроэлек-
троники», (г. Москва, 2000, 2006); VIII Международной Европейской конференции по магнитным материалам и применениям («ЕММА-2000», г. Киев, Украина); Международных Евразийских симпозиумах "Прогресс в магнетизме" («EASTMAG-2001», г. Екатеринбург), "Магнетизм на наноразмерах" («EASTMAG-2007», г. Казань); Дальневосточном инновационном форуме, с международным участием "Роль науки, новой техники и технологий в экономическом развитии регионов" (г. Хабаровск, 2003); XXXIII Всероссийском совещании по физике низких температур (г. Екатеринбург, 2003); Выездной секции по проблемам магнетизма в магнитных пленках, малых частицах; и нано-структурных объектах (г. Астрахань, 2003); Международной научной конференции к 40-летию ИФТТП НАЛ Беларуси и 90-летию его основателя акад. Н.Н. Сироты "Актуальные проблемы физики твердого тела" (г. Минск, 2003); Международной конференции по физике и контролю (PhysCon-2005, г. С. Петербург); VII, VIII Международных российско-китайских симпозиумах «Актуальные проблемы науки и технологии» (г. Харбин, Китай, 2006; г. Хабаровск, Россия, 2007); Общеевропейском магнитном симпозиуме JEMS 06 (г. Сан-Себастьян, Испания, 2006); Международной конференции по магнетизму ICM 2006 (г. Киото, Япония); Корейско - Российский объединенный симпозиум по распространению и обработке сигналов, сенсорам, и системам мониторинга (г. Хабаровск, 2006); Первый международный междисциплинарный симпозиум "Среды со структурным и магнитным упорядочением" (Multiferroics-2007, г. Ростов-на-Дону), III Байкальской международной конференции "Магнитные материалы. Новые технологии" (BICMM-2008, г. Иркутск).
Публикации. Результаты диссертационной работы опубликованы в 78 статьях, тезисах докладов и патентах. Список основных публикаций приведен в конце автореферата [А1-А32].
Работа по теме диссертации проводилась в рамках единого заказ-наряда (проекты № 1.6.95, № 1.1.04, № 1.2.06, № 1.2.08), гранта № 97-0-7.0-29 МОиПО РФ, предоставленного Санкт-Петербургским конкурсным центром в области естественных наук, ФЦП НВШ МО РФ «Развитие научного потенциала высшей школы» (код 71 345, 2005 г.), субвенции «Субмикронные исследования процессов формирования и динамики наномасштабных структур в спиновых, атомных и молекулярных системах», работ выполняемых в рамках научного мероприятия Агентства Роснаука (ФЦП 01.168.24.035, 2006 г.), ФЦНТП по созданию Центра коллективного пользования «Лазерные и оптические технологии» со-
вместно с ЦНИИ «Робототехники и технической кибернетики», г. Санкт-Петербург (№ 2007-7-5.2-00-02-092, 2007/08 гг.).
Личный вклад соискателя. Все выносимые на защиту результаты и положения, составляющие основное содержание диссертации, получены лично автором.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и списка литературы. Работа содержит 284 страницы, включая 63 рисунка и 8 таблиц. Список цитируемой литературы состоит из 370 наименований, включая 78 публикаций автора по теме диссертации.
