Введение к работе
Актуальность темы.
Параметрипеские процессы, сопровождающие распространение магнито-статипеских волн (МСВ) в пленках железоиттриевого граната (ЖИГ), с прикладной топки зрения представляют интерес в связи с возможностью построения на их основе нелинейных СВЧ устройств для телекоммуникационных систем (шумоподавителей, огранипителей мощности, импульсных линий задержки на спиновом эхе, параметрипеских усилителей, генераторов шума, бистабильных устройств). С фундаментальной топки зрения интерес к исследованиям процессов параметрипеского возбуждения спиновых волн (СВ) бегущими МСВ обусловлен как многообразием наблюдаемых нелинейных эффектов, так и уникальной возможностью исследовать свойства параметрипеских 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 (ЗМ), либо петырехмагнонные (4М) параметрипеские процессы, для которых законы сохранения энергии и импульса, соответственно, имеют вид
u)p = u)\+ UJ2, kp = ki + к2} (1)
2шр = uj\ + U02, 2кр = к\ + hi- (2)
Здесь спитается [1], пто МСВ накапки с пастотой ир и волновым вектором кр возбуждает неравновесные магноны с пастотами ио\^, и волновыми векторами &i;2 преимущественно в коротковолновых упастках спектра СВ
\кр\ « |fci)2|.
Процесс параметрипеского возбуждения спиновых волн бегущими МСВ характеризуется рядом существенных отлипий от слупаев однородной или локально-однородной накапек [2]. Во-первых, в зависимости от направления
поля подмагнипивания Щ по отношению к нормали к пленке и направления кр накапка может осуществляться поверхностными (ПМСВ), обратными (ООМСВ) или прямыми (ПОМСВ) объемными МСВ [2]. Во-вторых, возбуждение и прием МСВ микрополосками могут эффективно осуществляться в достатопно широкой полосе пастот, пто позволяет, в пастности, наблюдать беспороговые процессы слияния ПСВ с образованием бегущих вторич-ных МСВ [3,4], а также исследовать параметрипеские процессы в условиях нескольких волновых накапек [5,6]. Кроме того, из-за потерь эффективность возбуждения ПСВ падает по мере распространения МСВ, пто приводит к конепной протяженности неравновесного упастка пленки (Ln/), в котором существуют ПСВ, и неоднородному распределению ПСВ по длине Ln\.
К моменту напала работы над диссертацией влияние ПСВ на дисперсию МСВ, а также подходы к оценке степени этого влияния не исследовались. Между тем, такая задана интересна в связи с проблемой обработки сложных сигналов в нелинейных устройствах на МСВ, например, в шумоподавителе и огранипителе мощности [7], а также в связи с разработкой нелинейных
СВЧ управляемых устройств, когда в качестве управляющего параметра СВЧ сигнала используется дополнительная накачка СВЧ [8]. При этом степень 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 волны на распределение ПСВ в спектре за порогом их возбуждения.
Кроме того, не были обнаружены и исследованы процессы ЗМ распада для случаев ООМСВ и ПОМСВ, что представляет интерес с точки зрения перспектив построения нелинейных устройств на объемных МСВ. Не исследовалось влияние волнового импульса МСВ накачки (кр ф 0) на механизм образования вторичных МСВ при процессах (1) и на связь частот образования вторичных МСВ с частотами ослабления зондирующего сигнала. Для нелинейных МСВ в пленках ЖИГ не были обнаружены и исследованы 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 распространении в пленках ЖИГ;
влияния процессов параметрической неустойчивости на распространение импульсов МСВ в пленках ЖИГ.
Научная новизна работы состоит в том, что:
измерены вклады ПСВ в дисперсию и затухание МСВ в касательно намагниченных 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 ЗМ распада, и частотами полос поглощения слабого зондирующего сигнала ПМСВ;
обнаружена кинетическая неустойчивость МСВ, вызванная ЗМ 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 длительности входного прямоугольного импульса СВЧ;
обнаружена связь условий наблюдения эхо-импульса, формирующегося за срезом импульса ПМСВ в условиях ЗМ распада, с положением приемной антенны относительно неравновесного участка пленки ЖИГ.
Достоверность полученных экспериментальных результатов определя-
ется их воспроизводимостью и соответствием известным теоретическим результатам, а также согласуемостью с известными экспериментальными данными.
Положения, выносимые на защиту.
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, основной вклад вносят процессы трехмагнонного и четырехмагнонного взаимодействия с участием параметрических спиновых волн, возбуждаемых накачкой. При одинаковых уровнях относительного превышения порога неустойчивости накачки изменение дисперсии и затухания поверхностной МСВ в условиях трехмагнонного взаимодействия оказывается на порядок больше, чем при четырехмагнонном взаимодействии.
В условиях трехмагнонной неустойчивости накачки и зондирующей волны в пленке ЖИГ, одновременно с изменением дисперсии и затухания зондирующей волны, может существенно изменяться распределение параметрических спиновых волн в фазовом (со, к) пространстве под действием зондирующей волны.
При уровнях накачки на 1...10 дБ превышающих порог трехмагнонных распадов в спектре сигнала МСВ, распространяющейся в касательно намагниченной пленке, возможно рождение сателлитов с частотами 10...1000 кГц, которые с дальнейшим ростом уровня входного сигнала формируют шумовой спектр. Показано, что частота сателлитов не связана с геометрическими размерами пленки или протяженностью неравновесного участка, созданного действием волны накачки.
При мощности МСВ выше порога неустойчивости на 22...25 дБ в пленке ЖИГ происходит рождение шумового сигнала, причем в условиях трехмагнонного 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.
Ширина импульса МСВ в линейном режиме распространения в пленке ЖИГ достигает 50...60 % от длительности входного прямоугольного импульса СВЧ на расстоянии, близком к половине дисперсионной длины импульса.
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 преобразователя 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
преобразователями;
предложен способ увеличения чувствительности метода измерения полей кристаллографической кубической анизотропии ферритовых пленок, основанный на измерении ориентационных зависимостей положения шумового сигнала в спектре МСВ при высоких уровнях надкритичности;
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;
предложен метод построения бездисперсионных ЛЗ на МСВ на основе каскада из двух анизотропных пленок;
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 результаты экспериментов получены лично соискателем. Интерпретация результатов экспериментов и их сопоставление с теорией проводились в соавторстве.
Апробация работы и публикации. Материалы диссертации докладывались на научных семинарах ИРЭ РАН, СФ ИРЭ РАН и СГУ, представлялись на П-ом Всесоюзном семинаре по Функциональной электронике (Красноярск, 1986); на Всесоюзных школах-семинарах "Спинволновая электроника 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 электродинамика" (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); 1-ой и П-ой объедин. конф. по магнитоэлектронике (Москва, 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, 1 таблицу и список литературы на 16 страницах, состоящий из 275 наименований.
