автореферат диссертации по электронике, 05.27.03, диссертация на тему:Генерация и управление параметрами электромагнитного излучения в нестационарных и неоднородных средах

До ^ §

, ё

псковский государственный институт радиотехники, Электроники и автоматики ( технический университет )

На правах рукописи

УДК 538.30

Романов Игорь Владимирович

Генерация и управление параметрами электромагнитного излучения в нестационарных и неоднородных средах

05.27.03 - квантовая электроника

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

московский государственный институт радиотехники, электроники и автоматики (технический университет )

На правах рукописи

УДК 538.30

Романов Игорь Владимирович

Генерация и управление параметрами электромагнитного излучения в нестационарных и неоднородных средах

05.27.03 - квантовая электроника

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Работа выполнена в Московском государственном институте радиотехники, электроники и автоматики (техническом университете).

Научные руководители: доктор физико-математических наук,

профессор Давыдов В.А. кандидат физико-математических наук, доцент Коробкин Ю.В.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических

наук Ривлин Л.А. доктор физико-математических наук Столяров С.Н. Ведущая организация: ГП Особое Конструкторское Бюро "Гранат".

Защита состоится _" _1996 г. в

часов

на заседании диссертационного Совета Д 063. 54.03 при МИРЭА.

Адрес: 117454, г. Москва, пр-т Вернадского, 78. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МИРЭА.

Автореферат разослан " "_1996 г.

Ученый секретарь диссертационного Совета кандидат химических наук .

Свитов В. И.

I. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы Исследование взаимодействия мощного лазерного излучения с веществом является одним из интенсивно развивающихся направлений науки и техники. В этой связи весьма важным представляется поиск новых лазерных методов генерации электромагнитных волн и управления ими в средах с переменными параметрами. Экспериментальное исследование радиационных эффектов, рассматриваемых теорией излучения и распространения электромагнитных волн в нестационарных и неоднородных средах, влечет за собой множество различных приложений - от параметрических генераторов, до детекторов элементарных частиц. Среди этих эффектов особый интерес представляет переходное рассеяние (ПР). Явление ПР было предсказано Гинзбургом В.Л. и Цытовичем В.Н. в 1973 г. и заключается в следующем: при падении на заряженный источник волны диэлектрической проницаемости (ДП), создаваемой, например, мощным лазерным излучением, должно возникать электромагнитное излучение (ЭМИ). Наиболее важно с точки зрения физики то, что излучать может и неподвижный заряд. Несмотря на значительный научный интерес, явление ПР экспериментально практически не исследовалось. Поэтому задача обнаружения и исследования ПР, по нашему мнению, важна и актуальна.

Причиной испускания электромагнитных волн может являться как создание нестационарности, например, волны ДП в среде (таковым является процесс ПР), так и изменение во времени параметров неоднородных сред (поляризации, намагниченности и т.д.). Так, сравнительно недавно было зарегистрировано ЭМИ СВЧ, возникающее при изменении дипольного момента сегнетоэлектрического образца при его импульсном лазерном нагреве. Однако, полученные экспериментальные данные имели достаточно серьезное расхождение с теоретическими оценками. Так как области применения данного эффекта достаточно широки, - от исследования физических свойств сегнетоэлектриков, до методов регистрации коротких световых импульсов, - особый интерес представляет получение объективных экспериментальных данных. В связи с этим было целесообразно продолжить исследования эффекта.

В последнее время большое внимание уделяется исследованию волновых процессов в магнитоупорядоченных средах, в частности, распространению магнитостатических волн (МСВ) в пленках феррита. Исследования МСВ преимущественно ведутся в области создания пассивных устройств СВЧ, предназначенных для управления параметрами проходящего сигнала СВЧ. Основным функциональным узлом такого устройства - линии передачи на МСВ является пленка железо-иттриевого граната (ЖИГ)- Создавая нестационарность или неоднородность в пленке, можно управлять характеристиками МСВ и. следовательно, параметрами сигнала СВЧ. Несмотря на большое количе-

ство работ в этой области, нигде не затрагивался вопрос о возможности высокоскоростного управления характеристиками МСВ за счет изменения намагниченности пленки ЖИГ линии передачи путем ее импульсного лазерного нагрева, что немаловажно при разработке современных электронных устройств. В связи с этим, задача лазерного управления параметрами сигнала СВЧ в линии передачи на МСВ является также актуальной.

Исходя из вышесказанного, можно сформулировать основные задачи диссертационной работы.

Цель работы

1. Зафиксировать ПР лазерного излучения на источнике электрического поля в нестационарной среде. Исследовать его свойства.

2. Разработать методику измерений и исследовать свойства электромагнитного излучения СВЧ, возникающего при импульсном лазерном нагреве пироэлектриков.

3. Исследовать влияние воздействия лазерного излучения на пленку ЖИГ линии передачи на МСВ. Осуществить быстрое управление параметрами сигнала СВЧ путем импульсного лазерного нагрева пленки ЖИГ линии передачи на МСВ.

Защищаемые положения

1. Экспериментальное подтверждение теоретического утверждения о возможности излучения электромагнитных волн неподвижными зарядами в нестационарных и неоднородных средах. Методика регистрации и результаты экспериментальных исследований ПР волны ДП, создаваемой мощным лазерным излучением на протяженном источнике электрического поля в керровской среде.

2. Методика регистрации и результаты исследований магнитной составляющей излучения СВЧ диапазона в средней зоне, возникающего при импульсном лазерном нагреве сегнетоэлектрика ЫМЬОз.

3. Метод высокоскоростного управления параметрами сигнала СВЧ путем нагрева пленки ЖИГ линии передачи на МСВ.

Научная новизна

В результате проведенных исследований была разработана методика и впервые зарегистрировано ПР волны ДП, создаваемой мощным лазерным импульсом, на неподвижном источнике электрического поля. Исследованы свойства ПР. Исследован процесс испускания электромагнитных волн монодоменными сегнетоэлектрическими кристаллами при их нагреве импульсным лазерным излучением. Разработана методика регистрации ЭМИ СВЧ в средней зоне, экспериментально исследованы свойства магнитной компоненты излучения. Впервые методом

лазерного нагрева пленки ЖИГ линии передачи на МСВ осуществлено быстрое управление параметрами сигнала СВЧ. Экспериментально исследованы изменения характеристик линии передачи при термическом воздействии на пленку феррита (ЖИГ).

Научная и практическая ценность

Результаты выполненных исследований по регистрации и изучению свойств ПР являются экспериментальным доказательством возможности излучения неподвижными зарядами в нестационарных и неоднородных средах. Процесс ПР лазерного излучения на протяженном источнике электрического поля в керровской жидкости является примером принципиально нового в экспериментальном отношении вида излучения электромагнитных волн в оптическом диапазоне. Представляется, что полученные в ходе экспериментов результаты важны для понимания физических процессов, протекающих в плазме, могут быть использованы при решении задач электродинамики, акустики, теории упругости в области излучения и распространения волн в системах с переменными параметрами.

Разработанная методика получения и регистрации ЭМИ СВЧ се-гнетоэлектрическими материалами при их импульсном лазерном нагреве позволяет исследовать свойства монодоменных пироэлектриков (например, времена релаксации поляризации), кинетику, протекающих в них процессах. Результаты проведенных исследований показывают возможность использования рассматриваемого эффекта и методику измерений в качестве основы приемника мощных световых импульсов с повышенным временным разрешением.

Экспериментальные исследования в области управления параметрами СВЧ сигнала путем изменения характеристик линии передачи на МСВ показали эффективность метода изменения намагниченности феррита (пленки ЖИГ линии передачи) импульсным лазерным нагревом, что позволяет использовать линию передачи в сочетании с малогабаритными источниками светового излучения в качестве высокоскоростного управляемого элемента твердотельной электроники.

Апробация работы

Основные результаты работы и отдельные ее разделы докладывались на 15-ой Международной конференции по нелинейной и когерентной оптике (Ст.-Петербург, 1995), XIV-ой Всероссийской конференции по физике сегнетоэлектриков (Иваново, 1995), Первой объединенной конференции по магнитоэлектронике (Москва, 1995), 6-th European Magnetic Material and Applications Conference (Austria, 1995), на заседании Общемосковского семинара по теоретической физике под

руководством акад. ГинзбургаВ.Л., на научном семинаре под руководством профессора Сигова A.C. и опубликованы в работах (1-9 ).

Вклад автора

Изложенные в работе результаты исследований получены лично автором и в соавторстве, при непосредственном его участии.

Объем и структура диссертации

Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения; изложена на 155 страницах машинописного текста, включая 38 рисунков и библиографию, содержащую 113 наименований.

II. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность проведенных исследований, поставлены задачи работы, кратко изложено содержание всех глав диссертации.

Глава I. Переходное рассеяние лазерного излучения на неподвижном заряженном источнике в нелинейной среде

Настоящая глава посвящена экспериментальному исследованию процесса ПР волны ДП в керровской жидкости, возбуждаемой мощным лазерным импульсом, на протяженном заряженном источнике электрического поля.

В §1 дается общее представление о явлениях ПИзлумения и ПР; приводятся результаты теоретических работ, посвященных методу возмущений для расчета энергии излучения неподвижных источников электрического поля в нестационарных и неоднородных средах, а также ПР волны ДП, в частности, создаваемой мощным лазерным импульсом, на неподвижной заряженной нити, например, треке, оставляемом частицей при ее движении в керровской жидкости.

В рассмотренном случае ПР обладает рядом особенностей:

1. Оно монохроматично и происходит на удвоенной частоте лазерной волны.

2. Оно поляризовано. Вектор поляризации лежит в плоскости, образуемой векторами к и лг0, где к - волновой вектор ПР, к0- волновой вектор волны ДП.

3. В случае распространения волны ДП вдоль нити, волновые векторы излученных волн ПР лежат на образующих крувого конуса с осью, совпадающей с нитью и углом раствора, определяемым из соотношения:

где - фазовая скорость волны проницаемости (условие (1) аналогично условию "черенковского" излучения).

4. Мощность ПР является функцией квадратов наведенного световым полем изменения ДП среды Л<? = , где Е - напряженность поля лазерной волны, а также плотности заряда на нити.

Для экспериментальных исследований - проверки возможности излучения неподвижными зарядами в нестационарных и неоднородных средах и вышеперечисленных свойств ПР предложено смоделировать систему "заряженная ннть - нелинейная среда" кюветой в виде цилиндрического конденсатора, обкладками которого является металлический цилиндр с прозрачными торцами - окнами для лазерного излучения и протянутый внутри него тонкий проводник, заполненной кер-ровской жидкостью. Выбор такой модели связан с обстоятельствами: легко достигаются большие линейная плотность заряда на проволоке и градиент электрического поля вблизи нее, возможностью управления этими параметрами, простота численных оценок. Показано, что при использовании данной модели интегральная энергия ПР определяется выражением:

<иЛ

(2пР

аь ^ф'1"?' (2)

(11ц

где ^ - мощность ПР с единицы длины нити (с учетом поправки на

радиус проволоки), ЬЭф - эффективная длина взаимодействия светового импульса с заряженной нитью, определяемая пространственной длиной светового импульса, ^р - длительность ПР, определяемая длиной нити, которую "пробегает" лазерный импульс.

В §2 приводится литературный обзор по физическим эффектам, наблюдаемым в жидких средах под действием электростатического поля и поля световой волны. В нем затронуты вопросы: а) Самовоздействие лазерного излучения в нелинейных средах: самофокусировка, уширение спектра лазерного излучения. На основе теоретических и экспериментальных работ делается вывод о том, что, используя при экспериментальном исследовании ПР лазерного излучения модель, предложенную в §1 и применяя для эффективного возбуждения волны ДП лазер, работающий в режиме пассивной синхронизации мод, с плотностью мощности излучения ~10 ГВт/см2, избежать самофокусировки лазерного пучка практически невозможно. Однако, можно принять следующие меры по ее уменьшению: - пространственная фильтрация лазерного пучка,

- выбор оптимальной длины кюветы.

Далее отмечается, что при фазовой самомодуляции лазерного импульса наносекундной длительности в нелинейной среде происходит уши-рение спектра излучения (вплоть до его второй гармоники). Это может затруднить проведение спектральных измерений ПР и свидетельствует о необходимости принятия мер по снижению влияния самофокусировки, как фактора, определяющего степень уширения спектра лазерного излучения.

б) Упругие и неупругие двухфотонные и многофотонные процессы рассеяния света.

Приводится качественное описание механизмов рассеяния лазерного излучения пикосекундной длительности в жидкостях, которые в той или иной мере могут оказать влияние на процесс возникновения ПР и затруднить его наблюдение. Показано, что к таким процессам относятся: неупругое вынужденное комбинационное рассеяние (ВКР), ВКР высших порядков, упругое рассеяние Релея во вторую гармонику, кооперативное рассеяние света. Также показано, что при спектральном исследовании ПР может происходить наложение спектра ПР и спектров излучения вышеперечисленных явлений, но возможно пространственно разделить эффекты, вследствие их разной угловой расходимости.

в) Электрострикция и электрокалорический эффект.

Приводится качественное описание эффектов. Отмечено, что по сравнению с эффектом Керра, электрострикция и электрокалорический эффект являются инерционными процессами. Поэтому существует возможность уменьшения влияния рассматриваемых эффектов на ПР путем импульсного приложения электрического поля к кювете с нелинейной средой и синхронизацией высоковольтного импульса с лазерным.

г) Фокусировка лазерного луча под действием электростатической линзы.

Приводится расчет электростатической линзы, возникающей в кювете с нелинейной средой под действием прилагаемого к ней электрического поля. На конкретном примере, соответствующем легко достижимым экспериментальным условиям, показано, что "схлопывания" лазерного пучка в кювете не происходит. Электростатическая линза - длиннофокусная и в ходе эксперимента ее влиянием можно пренебречь.

§3 посвящен спектральным измерениям ПР лазерного излучения на заряженной нити.

Для возбуждения волны ДП в нелинейной среде использовался одномодовый лазер на основе аллюмината УА10з:Йс1+3 , состоящий из задающего генератора с кольцевым резонатором бегущей волны и двухпроходного усилителя. Пассивная синхронизация мод задающего генератора осуществлялась с помощью насыщающегося фильтра на основе раствора красителя №3274 У в этиловом спирте. Цуг из 14 импульсов лазера регистрировался элементом ФЭК-29 в сочетании с

осциллографом С7-19. Длительность импульсов в цуге составляла ~50 пс. Энергия цуга составляла 0,25 Дж. Воздействию лазерного излучения подвергалась кювета (см. §1) диаметром 0 60 мм, длиной 150 мм, с натянутой внутри проволокой с 0100 мкм, заполненная бензолом. Длина, "пробегаемая" световым импульсом вдоль проволоки, составляла 80 мм. Высоковольтным разрядником обеспечивалась импульсная подача напряжения 20 кВ на кювету. Время задержки лазерного излучения относительно высоковольтного составляло ~2 мкс. Спектральные характеристики излучения на выходе из кюветы наблюдались на монохроматоре УМ-2 и регистрировались на фотопленку. При отсутствии потенциала на проволоке в выходном излучении наблюдались антистоксовая компонента ВКР в красной области спектра и излучение в зеленой области, которое может быть объяснено наличием таких процессов, как: трехфо-тонное упругое рассеяние света во вторую гармонику, гиперкомбинационное и кооперативное рассеяния. При приложении электрического поля к кювете, интенсивность в зеленой области спектра выходного излучения, соответствующего длине волны X =0,53 мкм ( 2-ая гармоника лазерного излучения), увеличивалась (рис.1), что дает основание предположить наличие ПР лазерного излучения на заряженной проволоке, но не является бесспорным тому доказательством. В связи с этим, были внесены изменения в конструкцию экспериментальной установки и исследовались Рис.1, а) Реперные спектры: Не-Ме пространственные и энергетические лазера (Л= 0.63 мкм ); ртутной характеристики ПР. лампы (Я, =0,5769 мкм, Л,=

В §4 приводится описание =0,5400 мкм) экспериментов по измерению энер- ' б) Спектр излучения на вы-гетических и пространственных ха- ходе из кюветы с бензолом без рактеристик ПР. Для улучшения приложения напряжения к об-"чисготы " эксперимента была из- кладкам конденсатора- кюветы

менена конструкция установки. в)..............................с

I. Из цуга световых импульсов вы- приложением импульсного наделялся одиночный импульс, пряжения и= 20 кВ. производилась пространствен-

ная фильтрация излучения, для повышения мощности излучения был добавлен усилительный каскад. Энергия светового импульса С>л составляла <0,15 Дж; длительность импульса определялась методом измерения корреляционной функции третьего порядка при трехфотонной люминисценции лазерного излучения в кристалле СёБ и соответствовала ~30 пс; апертура пучка составляла ~4 мм.

2. Для уменьшения влияния эффектов самовоздействия и рассеяний лазерного излучения в нелинейной среде длина кюветы была уменьшена до 60 мм. В качестве нелинейной среды использовалась керровская жидкость - нитробензол. Длина "пробега" светового импульса вдоль нити составляла 2,5 см. Линейная плотность заряда <х на проволоке диаметром 70 мкм, при напряжении, подаваемом на кювету, и= 11 кВ, составляла ~2,6-10-7 Кл/м.

3. Для уменьшения влияния электрострикции, подача напряжения на кювету осуществлялась с помощью газонаполненного разрядника с лазерным поджигом. Время задержки светового импульса относительно высоковольного составляло 2-3 не. Энергетические и пространственные измерения проводились с помощью фотоумножителя ФЭУ-30, калиброванного второй гармоникой неодимового лазера. Для исследования угловых характеристик ПР использовался набор экранов и диафрагм разного диаметра, перекрывающих фотоумножитель, что позволяло пространственно разделить ПР с "сопутствующими" эффектами и проверить справедливость "черенковского" условия для углового распределения ПР. В случае использования в качестве нелинейной среды нитробензола, угол 0 = 12,6 0 в среде и 19,98 ° на выходе из кюветы. В экспериментах исследовалась зависимость энергии ПР от линейной плотности заряда на нити и энергии лазерного излучения. На рис. 2 приведены энергетические зависимости ПР от Х1и

Результаты проведенных экспериментов можно сформулировать в следующем виде.

1. При приложении электрического поля возникает компонента из ПР на частоте второй гармоники с направленностью, определяемой выражением (1).

2. Энергия ПР квадратично зависит от плотности заряда на нити. В частности, при напряжении в 11 кВ и энергии лазерного излучения в 0,1 Дж интегральная энергия ПР составляла ~2-10-9 Дж.

3. Энергия ПР пропорциональна квадрату энергии лазерного излучения, создающего волну ДП.

Необходимо отметить, что энергия ПР примерно в два раза превосходила теоретические оценки, что можно, в частности, объяснить наличием самофокусировки лазерного излучения, приводящей к возрастанию интенсивности и увеличению нелинейности среды.

2„р Ю"10, Дж

50 60 70 80 90 100 110120 „2 „2 и, кВ

2пр' 2.0 1.8 1.6 1.4 1.2 1.0 0.8 0.6 0.4

10 , Дж

20

40

60

80

100

(й,10-2)2, Дж2

Рве. 2а. Зависимость энергии переходного рассеяния от квадрата потенциала нити при Ял = 0.0717 Дж (М), 0.0696 Дж (а), 0.0635 Дж (т) и 0.0584 Дж (.)

Рнс. 26. Зависимость энергии переходного рассеяния от квадрата энергии лазерного излучения при С/ = 11 кВ

Таким образом, результаты экспериментов не оставляют сомнения в том, что впервые подтверждена возможность ПР на произвольном заряженном источнике.

Глава П. Испускание электромагнитных волн при импульсном лазерном нагреве пироэлектриков

В §1 приводится краткий обзор по методам генерации и детектирования ЭМИ в различных областях частотного диапазона. Указывается, что энергия излучения может черпаться как из источника, обеспечивающего нестационарность среды, так и вследствие изменения дипольного или магнитного моментов в веществе. ЭМИ было зарегистрировано при фазовых переходах в сегнетоэлектриках, химических процессах, протекающих в горных породах и т.д. Отмечается, что в ранее выполненных работах была разработана физическая модель процесса испускания ЭМИ, возникающего при изменении дипольного момента сегнетоэлектрика, обусловленного наличием спонтанной поляризации, при воздействии на него короткого светового импульса, и зарегистрирована электрическая

компонента радиоизлучения сегнетоэлектрика при его нагреве лазерным импульсом субнаносекундной длительности —100 пс. При этом наблюдалось значительное расхождение эксперимента с теоретической моделью (появление дополнительного экстремума во временной характеристике электрической компоненты радиоимпульса). Для того, чтобы выявить причины этого расхождения, эксперименты были продолжены. В настоящей главе описываются дальнейшие исследования по генерации ЭМИ СВЧ сегнетоэлектриками.

В §2 в рамках физической модели (в дипольном приближении) решается задача об электромагнитом излучении, возникающем при тепловом изменении дипольного момента сегнетоэлектрика. При этом предполагается: температура в образце меняется однородно; нагрев незначителен; линейные размеры образца много меньше длины волны излучения и расстояния до точки наблюдения; изменение температуры происходит значительно медленнее, чем релаксаця поляризации к ее равновестному (при данной температуре) значению. Рассмотрены случаи, когда образец находится при температуре вблизи и вдали от Тк (критическая температура) в полярной фазе и в присутствии внешнего поля в неполярной. Показано, что когда образец нагревается мощным световым импульсом, полная излученная энергия оказывается обратно

пропорциональной длительности импульса ти (при той же мощности нагрева). Спектр излучения имеет максимум на частотах порядка

тн 1 и экспоненциально спадает на частотах, больших по сравнению с

ти 1. Рассмотрен случай, когда длительность импульса сравнима или меньше времени релаксации поляризации к ее равновестному значению. Приводится численная оценка мощности ЭМИ, возникающего при нагреве кристалла ЫИЬОз с размерами 10 х 10 х 10 мм3, находящегося при комнатной температуре Т=300 К лазерным импульсом с энергией ~0,1 Дж и длительностью 100 пс, с диаметром пучка 10 мм. В этом случае средняя мощность излучения составляет Ю-2 Вт/ср, при этом основная энергия излучения сосредоточена в дециметровом диапазоне длин волн со~ти ^Ю-^с-1.

§3 посвящен экспериментальному исследованию процесса испускания ЭМИ сегнетоэлектрическим образцом. Указываются факторы, определяющие возможность регистрации и изучения явления. Приведен анализ предшествующих экспериментов по регистрации и исследованию электрической составляющей радиоимпульса, возникающего при нагреве кристалла ЫМЬОз лазерным импульсом субнаносекундной длительности. Показано, что расхождение эксперимента с теорией в определяющей степени было связано с погрешностями измерений, такими, как:

1. Несоответствием номинального режима работы, регистрирующего сигнал осциллографа С7-19 с временем нарастания переходной характеристики 0,8 нс/дел, с временными характеристиками светового и радиоимпульса СВЧ с временами фронтов ^0,1 не.

2. Несогласованностью приемной дипольной антенны с приемным трактом.

3. Возможностью ошибок, допущенных в аналитическом представлении временной характеристики светового импульса, вследствие искажения формы импульса осциллографом. Для того, чтобы уменьшить ошибки в измерениях, проследить зависимость мощности радиоимпульса от скорости нагрева, исследовать временную характеристику ЭМИ и другие свойства излучения, нагрев сегнетоэлектрика производился лазерным импульсом наносекундной длительности. При этом регистрировалась магнитная компонента радиоизлучения в средней зоне. Для этого использовалась экспериментальная лазерная установка средней мощности на основе фосфатного стекла ГЛС-22П (Я = 1,06 мкм)с резонатором Фабри-Перо, работающая в режиме пассивной модуляции добротности, осуществляемой насыщающимся поглотителем ЫИ с центрами окраски. Длительность светового импульса задающего генератора составляла 30 не, из которого с помощью электрооптического затвора ЛЭЗ-1, управляемого высоковольтным разрядником РГЛ-2 с лазерным поджигом, вырезался световой импульс длительностью =6 не, с фронтами гф ~1 не. После чего световой импульс направлялся в систему усиления на базе лазерных головок ГОС-ЗОО. Энергия светового импульса на выходе системы составляла 4,5 Дж с диаметром пучка 15 мм. Временные характеристики лазерного импульса измерялись фотоприемником ФК-16, работающим совместно с осциллографом С7-19. Для исследования процесса генерации волны СВЧ материалами, имеющими высокий коэффициент поглощения в видимой области спектра, предусматривалось преобразование основного излучения лазера во вторую гармонику (Я =0,53 мкм) кристаллом КОР. Для анализа временной характеристики ЭМИ приводится расчет его магнитной компоненты в дипольном приближении (размеры образца много меньше длины волны ЭМИ Я =30 см при не). Расчет показал, что форма радиосигнала, снимаемого небольшой петлей связи с точностью до коэффициента, определяется выражением:

где 1(1) - временная характеристика интенсивности лазерного импульса, Яо - расстояние от образца до центра петли связи, при этом в средней

зоне форма ЭМИ определяется 1, в дальней - Ш.0 / с . В экспериментах кристаллы 1л1ЧЬОз и иТЧЬОз, допированный РегОз, устанавливался

(3)

так, чтобы направление оси спонтанной поляризации было перпендикулярно направлению распространения светового пучка. Регистрация магнитной составляющей волны СВЧ производилась петлей связи площадью Б=2 см2, установленной на расстоянии 2,5 см от кристалла, сигнал с которой усиливался усилителем У7-19. Для защиты системы регистрации от электромагнитных помех использовалась внешняя экранировка кристалла - петли связи металлической цилиндрической полостью с размерами 11=4,5 см, Н=8 см. При облучении кристаллов лазерным импульсом был зафиксирован сигнал СВЧ, временная характеристика которого практически соответствовала расчетной (см. рис.3). Отношение сигнал/шум по напряжению составляло ~5. При изменении направления дипольного момента кристалла на противоположное, полярность сигнала менялась на противоположную при неизменной амплитуде. Измерения амплитуды сигнала показали ее линейную зависимость от энергии светового импульса, что соответствует теоретическим представлениям. Для исследования влияния экранирования на форму и величину импульса СВЧ, экранировка также проводилась цилиндрической (с размерами 11=3,25 см, Н=6 см) и прямоугольной (с размерами 21x28 х 30 см3) полостями. Оценки наименьшей собственной частоты колебательной моды цилиндрического резонатора ТМою и прямоугольного ТМпо показали, что в случае цилиндрических экранов эти частоты имеют порядок ~3,5 ГГц, в случае прямоугольного ~1 ГГц, что соответствует характерной длине волны радиосигнала. Таким образом, прямоугольная полость является резонатором центральной частоты колебаний ЭМИ, что было экспериментально зарегистрировано: наблюдалась последовательность затухающих импульсов общей длительностью ~35 не. При использовании меньшего по габаритам цилиндрического экрана, амплитуда сигнала увеличивалась в 1,5 раза, при сохранении его формы, что объясняется при помощи метода изображений - "изображение" излучающего диполя создает в петле связи электродвижущую силу того же знака, что и сам образец. Оценки амплитуды радиосигнала показали практическое совпадение с зарегистрированной.

В §4 указываются возможные методы оптимизации и факторы, влияющие на процесс генерации ЭМИ СВЧ сегнетоэлектриками.

1. Увеличение мощности излучения возможно в случае приближения рабочей температуры кристалла к Тк . При этом времена релаксации поляризации также могут возрастать, что приводит к снижению излучаемой мощности. Поэтому необходим выбор оптимальной рабочей температуры кристалла.

2. Мощность сигнала от ЫМЬОз с ИегОз, либо от другого сегнетоэлек-трического кристалла, имеющего высокий коэффициент поглощения на длине волны второй гармоники греющего излучения с А = 1,06 мкм, может увеличиваться вследствие удвоения частоты образцом.

а

1,нс

Л, 5 не

I |—.—■—.—\—|

Рис.З. а) Временная характеристика лазерного импульса.

б) Рассчитанные в относительных единицах зависимости

( 1110 / с ) +1. Сплошная линия соответствует Яо =2,5 см, штрихпунктирная - Яо =20 см.

в) Экспериментально полученная временная характеристика магнитной компоненты сигнала СВЧ при Яо =2,5 см.

3. Используя пироэлектрические материалы со значительным коэффициентом поглощения греющего излучения, можно уменьшить габариты излучающего образца при неизменной мощности нагрева.

4.Указывается, что нагрев кристалла приводит к скачку стрикционного давления, что может увеличить, либо ослабить эффект.

Также в §4 сформулированы выводы экспериментальной работы, рассмотрены области возможного практического применения эффекта.

Глава Ш. Лазерное управление параметрами сигнала СВЧ в линии передачи на МСВ

В данном разделе рассматривается возможность управления параметрами сигнала СВЧ линией передачи на МСВ, посредством воздействия на нее световым лазерным имульсом.

В §1 рассматриваются некоторые вопросы теории волновых явлений в магнитоупорядоченных средах. Дается общее представление о методах возбуждения и распространения МСВ в слое феррита. Показано, что дисперсионные уравнения различных типов МСВ находятся в результате решения уравнения Уокера для магнитостатического потенциала при разных краевых условиях. Указывается на возможность распространения в слое феррита прямых объемных МСВ (ПОМСВ), обратных объемных МСВ (ООМСВ), поверхностных МСВ (ПМСВ), рассматриваются их свойства, методы возбуждения и приема. §2 посвящен методам управления параметрами сигнала СВЧ в линии передачи на МСВ. Для управления характеристиками МСВ в планарной структуре типа феррит-диэлектрик-проводник искусственно создается нестационарность или неоднородность, влияющие на параметры, входящие в дисперсионное уравнение МСВ и зависящие от намагничивающего поля, свойств пленки феррита и вида граничных условий на поверхности пленки. Несмотря на довольно обширные исследования в этой области, практически нигде не затрагивается вопрос о возможности управления характеристиками МСВ за счет изменения намагниченности пленки ЖИГ путем ее нагрева. При нагреве железо-иттриевого граната величина его намагниченности M линейно уменьшается с коэффициентом ¿?(4я"М)/дТ «3,8 Гс/К (при начальной температуре То=300 К и АТ«Т0). Таким образом, температурное воздействие на пленку феррита должно приводить к изменению характеристик МСВ в процессе ее нагрева и остывания (см. рис.4). При разработке электронных устройств часто возникает необходимость в быстрой перестройке параметров сигнала СВЧ. В связи с этим, предлагается осуществить быстрый нагрев пленки ЖИГ линии передачи с помощью короткого лазерного импульса.

Рис.4. Изменение амплитудно-частотной (а) и дисперсионной (б) характеристик линии передачи на МСВ при уменьшении намагниченности пленки ЖИГ ( 4/г М, -» 4яМ2).

В §3 приводится описание экспериментальных исследований (экспериментальная установка, методика измерений); сообщаются результаты, указывается на возможность их практического применения.

Используемая в экспериментах линия передачи на МСВ, представляла собой пленку ЖИГ толщиной с1=14,4 мкм, нанесенную на подложку из галлий-гадолиниевого граната толщиной 0,5 мм, с размерами 15х 3,5 мм2, с намагниченностью насыщения 4я"М=]750 Гс

и шириной линии однородного ферромагнитного резонанса АН к ~ 0,6 Э, прижатую к поликоровой пластинке с двумя микрополосковыми преобразователями шириной 50 мкм, нанесенными на расстоянии 0,4 см друг от друга. Структура помещалась во внешнее однородное магнитное поле напряженностью Н=1280 Э, направленное по касательной к поверхности пленки вдоль преобразователей. На вход линии подавали электромагнитный сигнал от генератора СВЧ Г4-82 с частотой в диапазоне 5-6 ГГц, мощностью 10 мВт. Одновременно участок пленки между преобразователями облучали импульсом света

на длине волны Л =0,53 мкм, длительностью =6 не, энергией 2-80 мДж. В экспериментах использовалась лазерная установка на основе стекла с неодимом (Я = 1,06 мкм) с преобразованием основного излучения во вторую гармонику, описание которой приведено во

второй главе диссертации. При этом, для уменьшения мощности излучения (во избежание оптического повреждения пленки ) из схемы были исключены усилительные каскады на основе лазерных головок ГОС-ЗОО. Для равномерности засветки пленки, перед ней устанавливалась матовая стеклянная пластина. Изменение параметров сигнала СВЧ на выходе линии передачи регистрировали интерференционным методом. Облучение пленки лазерным импульсом приводило к увеличению фазового сдвига Ф(Ч) = к (О Ь и уменьшению групповой скорости / дк) МСВ, а также к изменению амплитуды СВЧ сигнала на выходе линии передачи. Фазовый сдвиг сигнала с частотой /=5713 МГц увеличивался после нагрева пленки лазерным импульсом с энергией 30 мДж с Ф]=Юл-рад до Фг=17 ^рад и возвращался к исходному значению за характерное время 0,5 мс. Используя известное дисперсионное уравнение / (к ) для ПМСВ и экспериментально полученную зависимость к (I), была рассчитана зависимость намагниченности пленки от времени 4яМ (Ч). Максимальное уменьшение намагниченности достигало Д 4яМ и 64 Гс, что соответствует нагреву

пленки на ЛТ « 17° С. Измерение времени изменения фазы сигнала на выходе линии передачи показали, что оно преимущественно определяется временем задержки сигнала в линии и составляет ^ 0,1 мкс. Зная дисперсионное уравнение / ( к), амплитудно-частотную характеристику линии передачи и зависимость намагниченности феррита от времени 4я"М (ц, можно рассчитать все характеристики сигнала СВЧ на выходе МСВ линии передачи при ее облучении лазерным импульсом. Так было рассчитано время задержки сигнала от времени тз =1 / Уё(1;) при остывании пленки. В данном случае задержка сигнала в линии изменялась от 95 не до 70 не, при этом происходило ослабление прошедшего сигнала на 5 дБ. Таким образом, проведенные исследования показывают, что облучая пленку ЖИГ лазерным импульсом, можно за время в десятки наносекунд существенно изменять фазу, задержку и амплитуду сигнала в линии передачи на МСВ, что может быть использовано для создания оптически управляемых устройств СВЧ.

III. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Для проведения исследований по генерации и управлению параметрами электромагнитного излучения в нестационарных и неоднородных средах созданы экспериментальные лазерные установки: - на основе аллюмината УАЮз:Нс1+3, работающая в режиме пассивной синхронизации мод с выходными параметрами: длина волны

Я = 1,06 мкм, длительность импульса тя =30 пс, энергия импульса (2=0,15 Дж (возбуждение волны диэлектрической проницаемости (ДП) в керровской жидкости);

- средней мощности на основе стекла с неодимом, работающая в режиме пассивной модуляции добротности с выходными параметрами:

длина волны Я = 1,06 мкм, длительность импульса ?и=6 не, энергия импульса <3=4,5 Дж (импульсный нагрев сегнетоэлектрического образца, нагрев пленки ЖИГ линии передачи на магнитостатических волнах (МСВ)).

2. Впервые экспериментально обнаружено переходное рассеяние (ПР) волны ДП на неподвижном заряженном источнике в нестационарной среде. Исследованы энергетические, пространственные характеристики ПР лазерного излучения. Показано, что при инициировании волны ДП в керровской жидкости мощным лазерным импульсом, падающей на протяжений заряженный источник, возникает ПР на частоте второй гармоники лазерного излучения с "черенковским" пространственным распределением интенсивности, а энергия переходного рассеяния квадратично зависит от линейной плотности заряда источника и энергии лазерного излучения.

3. Исследован процесс испускания волны СВЧ сегнетоэлектриче-ским образцом при его импульсном лазерном нагреве. Разработана методика регистрации сигнала СВЧ диапазона, исследована его магнитная составляющая в средней зоне излучения при нагреве сегнетоэлек-трических кристаллов 1ЛМЬОз и ЫИЬОз с 0,03% содержанием Ре20з. Показано, что в хорошем соответствии с теорией, импульсный нагрев сегнетоэлектрика приводит к появлению электромагнитного излучения. Временная характеристика магнитной составляющей радиоимпульса с достаточной степенью точности воспроизводит первую производную временной характеристики светового импульса. Энергия радиоимпульса возрастает при уменьшении длительности фронта импульса нагрева. Показаны возможные методы оптимизации процесса испускания электромагнитных волн сегнетоэлектриками. Указано на возможность практического применения эффекта. Предложено рассматриваемый эффект и методику его регистрации использовать для исследования кинетики процессов, протекающих в сегнетоэлектриче-ских кристаллах, положить в основу приемника мощных световых импульсов с повышенным временным разрешением.

4. Методом лазерного нагрева пленки ЖИГ линии передачи на МСВ осуществлено управление параметрами сигнала СВЧ. На примере облучения пленки ЖИГ лазерным импульсом на длине волны

Я =0,53 мкм с длительностью =6 не, энергией \У=30 мДж показано, что можно эффективно управлять параметрами магнитостатических волн и, следовательно, характеристиками СВЧ сигнала.

5. Экспериментально исследовано изменение характеристик линии передачи: дисперсионной характеристики, амплитудно-частотной характеристики; получены временные зависимости фазового сдвига, намагниченности пленки ЖИГ, времени задержки сигнала СВЧ при остывании пленки. Показано, что скорость перестройки характеристик СВЧ сигнала при лазерном нагреве пленки ЖИГ определяется временем задержки сигнала в линии передачи. Предложено использовать линию передачи на МСВ в сочетании с малогабаритными источниками светового излучения в качестве управляемого элемента твердотельной электроники.

Все результаты диссертационной работы с достаточной полнотой отражены в следующих публикациях:

1. Коробкин Ю.В., Романов И.В., Студенов В.Б.

Переходное рассеяние лазерного излучения в нелинейной среде. Письма в ЖТФ, 1991, т. 17, в.19, стр.21-23.

2. Давыдов В.А., Коробкин Ю.В., Романов И.В.

Переходное рассеяние на заряженной нити и эксперименты по его наблюдению. ЖЭТФ, 1994, т.105, в.6, стр. 1566-1573.

3. Davydov V.A., Korobkin Yu.V., Romanov I.V.

Radiation of fixed charges in a non-linear medium under the influence of a strong laser radiation field. Phys. Lett. A, 1995, v. 199, p.375-382.

4. Romanov I.V., Davydov V.A., Korobkin Yu.V.

Transition scattering observation in isotrophic non-linear medium. 15-th International Conference on Coherent and Nonlinear Optics. St.Petersburg,1995, Technical Digest, v.I, p.85-86.

5. V.V. Kolesov, I.V. Romanov, V.B. Studenov, V.A. Davydov. Electromagnetic wave emission at pulse piroelectric effect in ferroelectric materials. Ferroelectrics, 1996, v. 156, №2, p.231-247.

6. Романов И.В., Давыдов B.A., Студенов В.Б.

Генерация электромагнитного импульса при лазерном нагреве сегнето-электрика. XIV Всероссийская конференция по физике сегнетоэлектри-ков. Иваново, 1995, Тезисы докладов стр.316.

7. Fetisov Y.К., Romanov I.V., Studenov V.B.

Optical control of microwave signals in magnetostatic wave transmission lines. Electron. Lett, an international publication, 1995, v.31, №14, p.1168-1169.

8. Романов И.В., Студенов В.Б., Фетисов Ю.К.

Лазерное управление параметрами СВЧ сигнала в линии передачи на магнитостатических волнах. Первая объединенная конференция по магнитоэлектронике. Москва, 1995, Тезисы докладов, стр.238-239.

9. Fetisov Y., Romanov I., Studenov V.

Propagation of magnetostatic spin waves in garnet film under pulsed irradiation. 6-th European Magnetic Material and Applications Conference Austria. 1995, Programm and Abstracts, p. 275.

Лицензия :г 020456 от 04.03,92 Подписано в печать 11.03.96. Формат 60 х 84 1/16. Бумага писчая» Печать офсетная« Усл.печ.л. 1,16. Усл.кр.-отт. 4,64. Уч.-изд.л. 1,25. Тиран 65 экз. Заказ 148. Бесплатно.

Московский государственный институт радиотехники, электроники и автоматики (технический университет)

117454 Москва, просп.Вернадского,78