Модуляционные характеристики вектора Стокса оптического излучения при деформациях сжатия–растяжения пленок иттриевых феррит-гранатов на немагнитной подложке
На примере пленок иттриевых феррит-гранатов на немагнитной подложке с ориентацией в плоскости (111) представлены результаты расчетов изменения компонент вектора Стокса поляризованного излучения, распространяющегося в планарном световоде при деформациях сжатия–растяжения образца. При этом направлени...
Збережено в:
| Дата: | 2015 |
|---|---|
| Автори: | , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Russian |
| Опубліковано: |
Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
2015
|
| Назва видання: | Доповіді НАН України |
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/97948 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Модуляционные характеристики вектора Стокса оптического излучения при деформациях сжатия–растяжения пленок иттриевых феррит-гранатов на немагнитной подложке / Т.И. Шевченко, И.В. Линчевский // Доповiдi Нацiональної академiї наук України. — 2015. — № 11. — С. 61-65. — Бібліогр.: 9 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
irk-123456789-97948 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
irk-123456789-979482017-11-06T20:24:32Z Модуляционные характеристики вектора Стокса оптического излучения при деформациях сжатия–растяжения пленок иттриевых феррит-гранатов на немагнитной подложке Шевченко, Т.И. Линчевский, И.В. Фізика На примере пленок иттриевых феррит-гранатов на немагнитной подложке с ориентацией в плоскости (111) представлены результаты расчетов изменения компонент вектора Стокса поляризованного излучения, распространяющегося в планарном световоде при деформациях сжатия–растяжения образца. При этом направление волнового вектора оптического излучения, механические напряжения, а также поле подмагничивания направлены вдоль оси [1⥘0]. Получена чувствительность компонент вектора Стокса dC/dσ и dS/dσ на уровне 10⁸ Па⁻¹ в диапазоне напряжений ±50 MPa. Расчеты проведены при напряженности поля подмагничивания 600 A/m. На прикладi плiвок iтрiєвих ферит-гранатiв на немагнiтнiй пiдкладцi з орiєнтацiєю в площинi (111) наведено результати розрахункiв змiни компонент вектора Стокса поляризованого випромiнювання, що поширюється у планарному свiтловодi при деформацiях стиску-розтягу зразка. При цьому напрямок хвильового вектора оптичного випромiнювання, механiчнi напруги, а також поле пiдмагнiчування спрямованi вздовж осi [1⥘0]. Отримано чутливiсть компонент вектора Стокса dC/dσ i dS/dσна рiвнi 10⁸ Па⁻¹ у дiапазонi напруг ±50 MPa. Розрахунки проведено при напруженостi поля пiдмагнiчування 600 A/m. By the example of yttrium ferrite garnet films on a nonmagnetic substrate with the plane orientation (111), the results of calculations of the changes in Stokes vector components of a polarized radiation propagating in the planar light guide at the tension-compression deformations of a sample are given. The wave vector of optical radiation, mechanical stress, and bias field are directed along the [1⥘0] axis. The obtained sensitivity of Stokes vector components dC/dσ and dS/dσ is 10⁸ Па⁻¹ in the stress range of ±50 MPa. The calculations are made at a bias field of 600 A/m. 2015 Article Модуляционные характеристики вектора Стокса оптического излучения при деформациях сжатия–растяжения пленок иттриевых феррит-гранатов на немагнитной подложке / Т.И. Шевченко, И.В. Линчевский // Доповiдi Нацiональної академiї наук України. — 2015. — № 11. — С. 61-65. — Бібліогр.: 9 назв. — рос. 1025-6415 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/97948 537.632.4+535.565 ru Доповіді НАН України Видавничий дім "Академперіодика" НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Russian |
| topic |
Фізика Фізика |
| spellingShingle |
Фізика Фізика Шевченко, Т.И. Линчевский, И.В. Модуляционные характеристики вектора Стокса оптического излучения при деформациях сжатия–растяжения пленок иттриевых феррит-гранатов на немагнитной подложке Доповіді НАН України |
| description |
На примере пленок иттриевых феррит-гранатов на немагнитной подложке с ориентацией в плоскости (111) представлены результаты расчетов изменения компонент
вектора Стокса поляризованного излучения, распространяющегося в планарном световоде при деформациях сжатия–растяжения образца. При этом направление волнового
вектора оптического излучения, механические напряжения, а также поле подмагничивания направлены вдоль оси [1⥘0]. Получена чувствительность компонент вектора
Стокса dC/dσ и dS/dσ на уровне 10⁸ Па⁻¹ в диапазоне напряжений ±50 MPa. Расчеты
проведены при напряженности поля подмагничивания 600 A/m. |
| format |
Article |
| author |
Шевченко, Т.И. Линчевский, И.В. |
| author_facet |
Шевченко, Т.И. Линчевский, И.В. |
| author_sort |
Шевченко, Т.И. |
| title |
Модуляционные характеристики вектора Стокса оптического излучения при деформациях сжатия–растяжения пленок иттриевых феррит-гранатов на немагнитной подложке |
| title_short |
Модуляционные характеристики вектора Стокса оптического излучения при деформациях сжатия–растяжения пленок иттриевых феррит-гранатов на немагнитной подложке |
| title_full |
Модуляционные характеристики вектора Стокса оптического излучения при деформациях сжатия–растяжения пленок иттриевых феррит-гранатов на немагнитной подложке |
| title_fullStr |
Модуляционные характеристики вектора Стокса оптического излучения при деформациях сжатия–растяжения пленок иттриевых феррит-гранатов на немагнитной подложке |
| title_full_unstemmed |
Модуляционные характеристики вектора Стокса оптического излучения при деформациях сжатия–растяжения пленок иттриевых феррит-гранатов на немагнитной подложке |
| title_sort |
модуляционные характеристики вектора стокса оптического излучения при деформациях сжатия–растяжения пленок иттриевых феррит-гранатов на немагнитной подложке |
| publisher |
Видавничий дім "Академперіодика" НАН України |
| publishDate |
2015 |
| topic_facet |
Фізика |
| url |
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/97948 |
| citation_txt |
Модуляционные характеристики вектора Стокса оптического излучения при деформациях сжатия–растяжения пленок иттриевых феррит-гранатов на немагнитной подложке / Т.И. Шевченко, И.В. Линчевский // Доповiдi Нацiональної академiї наук України. — 2015. — № 11. — С. 61-65. — Бібліогр.: 9 назв. — рос. |
| series |
Доповіді НАН України |
| work_keys_str_mv |
AT ševčenkoti modulâcionnyeharakteristikivektorastoksaoptičeskogoizlučeniâprideformaciâhsžatiârastâženiâplenokittrievyhferritgranatovnanemagnitnojpodložke AT linčevskijiv modulâcionnyeharakteristikivektorastoksaoptičeskogoizlučeniâprideformaciâhsžatiârastâženiâplenokittrievyhferritgranatovnanemagnitnojpodložke |
| first_indexed |
2025-07-07T05:49:31Z |
| last_indexed |
2025-07-07T05:49:31Z |
| _version_ |
1836966085202542592 |
| fulltext |
оповiдi
НАЦIОНАЛЬНОЇ
АКАДЕМIЇ НАУК
УКРАЇНИ
11 • 2015
ФIЗИКА
УДК 537.632.4+535.565
Т.И. Шевченко, И. В. Линчевский
Модуляционные характеристики вектора Стокса
оптического излучения при деформациях
сжатия–растяжения пленок иттриевых феррит-гранатов
на немагнитной подложке
(Представлено академиком НАН Украины В. М. Локтевым)
На примере пленок иттриевых феррит-гранатов на немагнитной подложке с ориен-
тацией в плоскости (111) представлены результаты расчетов изменения компонент
вектора Стокса поляризованного излучения, распространяющегося в планарном свето-
воде при деформациях сжатия–растяжения образца. При этом направление волнового
вектора оптического излучения, механические напряжения, а также поле подмагни-
чивания направлены вдоль оси [110]. Получена чувствительность компонент вектора
Стокса dC/dσ и dS/dσ на уровне 108 Па−1 в диапазоне напряжений ±50 MPa. Расчеты
проведены при напряженности поля подмагничивания 600 A/m.
Ключевые слова: магнитооптический кристалл, обратный магнитомеханический эф-
фект, вектор Стокса.
Одной из важных характеристик магнитооптических пленочных материалов является
удельное фарадеевское вращение [1]. Одновременно в кубических ферримагнетиках су-
ществует большой по величине квадратичный магнитооптический эффект [2]. В сочета-
нии с высокочувствительными поляриметрическими методами измерения угла поворота
плоскости поляризации становится возможным измерение незначительных изменений на-
магниченности магнитооптических кристаллов при обратном магнитомеханическом эффе-
кте (эффект Виллари).
Практическую реализацию обратного магнитомеханического эффекта в магнитоопти-
ческих пленках можно встретить при создании пространственных модуляторов света [3],
где для модуляции положения вектора намагниченности используется постоянное магни-
тное поле подмагничивания в сочетании с механическими деформациями, создаваемыми
пленочными пьезопреобразователями в пределах одного пикселя.
В работе [4] исследовано изменение нормальной компоненты вектора намагниченности
и доменной структуры от механических напряжений, создаваемых пьезопреобразователем.
© Т.И. Шевченко, И.В. Линчевский, 2015
ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2015, №11 61
Рис. 1. Геометрия решаемой задачи: θH , θM , φH , φM — угловые координаты вектора напряженности поля
подмагничивания (H) и вектора намагниченности (M); k, E — волновой вектор и вектор напряженности
электрического поля
В [5] исследовано влияние механических деформаций на полосковую доменную структу-
ру, образованную в пленке иттриевого феррит-граната (YIG) при направлении поля по-
дмагничивания H0 в плоскости пленки. Известно также применение продольного эффекта
Керра [6] для исследования влияния механических деформаций на намагниченность поли-
кристаллических ферромагнитных пленок. Для пленок магнитооптических кристаллов на
галлий-гадолиниевой подложке (GGG) в работе [7] для измерения магнитострикционных
констант применен метод деформаций изгиба подложки. При этом компоненты намагни-
ченности, перпендикулярной к плоскости пленки, измерялись с помощью эффекта Фарадея.
Благодаря значительному отличию относительных показателей преломления подложки
из GGG (n = 1,94) и феррит-гранатов (n ≈ 2,2) последние при использовании в виде
пленок являются отличным материалом для создания волноводных структур для элементов
интегральной оптики [8].
В данной работе рассмотрен вопрос влияния обратного магнитомеханического эффекта
на элементы вектора Стокса излучения, проходящего через планарную волноводную струк-
туру, образованную пленкой YIG и GGG подложкой при деформациях сжатия–растяжения.
При рассмотрении будем считать, что пленка из YIG (рис. 1) выращена методом жид-
кофазной эпитаксии на подложке с ориентацией в плоскости (111).
При создании подмагничивающего поля H0 величиной (300–400) А/м, направленного
в плоскости пленки, образец приобретает полосковую доменную структуру [5]. Положение
вектора намагниченности M в домене характеризуется углами θM и ϕM (см. рис. 1).
Исходные выражения для энергии в термодинамическом потенциале с учетом зееманов-
ской и магнитоупругой энергий, кубической кристаллографической анизотропии, а также
поверхностной магнитной анизотропии можно представить в сферической системе коорди-
нат следующим образом:
E = K1
(
1
4
cos4 θm +
1
3
sin4 θm −
√
2
3
sin3(θm) cos(θm) sin(3ϕm)
)
−
−HM(sin(θH) sin(θM ) cos(ϕH − ϕM ) + cos(θH) cos(θM )) +
+ σλ100 − σλ111(sin
2(θM ) sin(ϕM ) cos(ϕM ) +
+ sin(θM ) cos(θM )(sin(ϕM ) + cos(ϕM ))) + 2πM cos2 θM , (1)
где K1 — константа анизотропии; λ100, λ111 — константы магнитострикции.
62 ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2015, №11
Равновесное положение вектора намагниченности определим из минимума функции (1).
Изменение напряжений при деформациях сжатия-растяжения пленки YIG вдоль направ-
ления [110], возникающих, например, при деформациях изгиба подложки, приводит к до-
полнительному повороту вектора M.
Для измерения изменений намагниченности используется поляризованное излучение.
Направление волнового вектора k совпадает с осью [110] (см. рис. 1). Величина эффекта
Фарадея определяется параллельной к оси распространения света компонентой намагни-
ченности:
M∥ =M sin(θM ) cos(ϕM ). (2)
Задержка для ортогональных волн на единицу длины оптического пути:
β = 2π
n30M
2p44
λ
cos2 θM , (3)
где p44 — компонент магнитоупругого оптического тензора; n0 — показатель преломления;
λ — длина волны света.
Прохождение света через пленку YIG длиной l исследуем с помощью матрицы Мюл-
лера [9]:
[M(l)] =
1 0 0 0
0
4α2 cos(
√
4α2 + β2l) + β2
4α2 + β2
−2α sin(
√
4α2 + β2l)√
4α2 + β2
2αβ(1− cos(
√
4α2 + β2l))
4α2 + β2
0
2α sin(
√
4α2 + β2l)√
4α2 + b2
cos(
√
4α2 + β2l) −β sin(
√
4α2 + β2l)√
4α2 + β2
0
2aβ(1− cos(
√
4α2 + β2l))
4α2 + β2
β sin(
√
4α2 + β2l)√
4α2 + b2
4α2 + β2 cos(
√
4α2 + β2l)
4α2 + β2
,
где α = αF sin(θM ) cos(ϕM ), αF — удельный угол поворота плоскости поляризации для
эффекта Фарадея.
Вектор Стокса (V2) на выходе магнитооптического кристалла составит:
(V2) = [M ](V1), (4)
где (V1) — вектор Стокса входного излучения. В дальнейшем обозначения компонент ве-
ктора (V ) = (I,M,C, S) соответствуют принятым в работе [9].
Изменения положения вектора намагниченности за счет обратного магнитомеханическо-
го эффекта приводят к изменению составляющих линейного и квадратичного по полю ма-
гнитооптических эффектов. Результатом воздействия механических напряжений является
изменение M , C, S компонент вектора Стокса. На рис. 2 приведены расчетные зависимо-
сти чувствительности компонент вектора Стокса (dC/dσ, dS/dσ) от величины механических
напряжений сжатия–растяжения пленки YIG вдоль оси [110].
При расчетах входное излучение с длиной волны λ = 1,15 мкм принималось плоскопо-
ляризованным, с азимутом плоскости колебаний электрического вектора, равным 45◦, для
которого вектор Стокса (V1) = (1, 0, 1, 0). Длина оптического пути в пленке l = 1 см.
Компоненты вектора Стокса излучения на выходе из пленки YIG при уровне механиче-
ских напряжений |σ| 6 10 МПа составили (V2) = (1; 0,0024; 0,96; 0,26).
ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2015, №11 63
Рис. 2. Расчетные зависимости чувствительности компонент вектора (V2) dC/dσ (сплошная кривая), dS/dσ
(штриховая кривая), напряжений, приложенных по оси [110]
Из рис. 2 следует, что при уровне механических напряжений, превышающих ±50 МПа,
наблюдается резкое уменьшение чувствительности соответствующих компонент вектора
(V2) к напряжениям. Объяснить такой спад чувствительности можно увеличением значе-
ний углов разворота θM и ϕM относительно направления волнового вектора. Учитывая,
что поляриметрическими методами возможно измерять малые (порядка 10−4) углы пово-
рота плоскости поляризации, соответствующая чувствительность к измерению напряжений
может составить 102 Па. Таким образом, обратный магнитомеханический эффект, возни-
кающий в пленке кристалла YIG на немагнитной подложке, может быть использован при
создании датчиков механических величин.
Цитированная литература
1. Helseth L. E., Hansen R.W., Il’yashenko E. I. Faraday rotation spectra of bismuth-substituted ferrite
garnet films with in-plane magnetization // Phys. Rev. B. — 2001. — 64, No 17. — P. 174406.
2. Pisarev R.V., I. G. Sinii, N.N. Kolpakova, Yakovlev Yu.M. Magnetic Birefringence Of Light In Iron
Garnets // Soviet Physics JETP. — 1971. — 33, No 6. — P. 1175–1182.
3. Takagi H., Tsuzuki A., Iwasaki K., Suzuki Y., Imura T., Umezawa H., Uchida H., Shin K.H., Inoue M.
Multiferroic Magneto Optic Spatial Light Modulator with Sputtered PZT Film // J. Magn. Soc. JPN. —
2006. — 30. — P. 581–583.
4. Kubota M., Shibuya K., Tokunaga Y., Kagawa F., Tsukazaki A., Tokura Y., Kawasaki M. Systematic
control of stress-induced anisotropy in pseudomorphic iron garnet thin films // J. of Magnetism and
Magnetic Materials. — 2013. — 339. — P. 63–70.
5. Zavislyak I. V., Sohatsky V.P., Popov M.A., Srinivasan G. Electric-field-induced reorientation and flip
in domain magnetization and light diffraction in an yttrium-iron-garnet/lead-zirconate-titanate bilayer //
Phys. Rev. — B 87. — P. 134417.
6. Callegaro L., Puppin E., Vannucchi A. Magneto-optical measurements on mechanically stressed thin ferro-
magnetic films // Rev. Sci. Instrum. — 1995. — 66 (2). — P. 1065–1967.
7. Nistor L., Krafft C., Rojas R., Mayergoyz I. D. Measurement of the Magnetostriction Constant of Bi-Doped
Garnets by Optical Observation of Stress-Induced Stripe Domains // Appl. Phys. B. — 1985. — 40, No 4. —
P. 2832–2834.
8. Wolfe R., Fratello V. J., Glashan-Powell M.Mc. // Thin film garnet materials with zero linear birefri-
ngence for magneto-optic waveguide devices // J. Appl. Phys. — 1988. — 63. — P. 3099–3103; doi:
10.1063/1.340881.
9. Тронько В.Д. Прохождение светового потока через среду, обладающую линейным и квадратичным
магнитоооптическими эффектами // Оптика и спектр. 1970. — 29. Вып. 2. — С. 354–359.
64 ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2015, №11
References
1. Helseth L. E., Hansen R.W., Il’yashenko E. I. Phys. Rev. B, 2001. – 64, No 17. – 174406.
2. Pisarev R.V., I. G. Sinii, N.N. Kolpakova, Yakovlev Yu.M. Soviet Physics JETP, 1971. – 33, No 6. –
1175–1182.
3. Takagi H., Tsuzuki A., Iwasaki K., Suzuki Y., Imura T., Umezawa H., Uchida H., Shin K.H., Inoue M.
J. Magn. Soc. JPN., 2006. – 30: 581–583.
4. Kubota M., Shibuya K., Tokunaga Y., Kagawa F., Tsukazaki A., Tokura Y., Kawasaki M. J. of Magnetism
and Magnetic Materials., 2013. – 339: 63–70.
5. Zavislyak I. V., Sohatsky V. P., Popov M.A., Srinivasan G. Phys. Rev., B 87: 134417.
6. Callegaro L., Puppin E., Vannucchi A. Rev. Sci. Instrum., 1995. – 66 (2): 1065–1967.
7. Nistor L., Krafft C., Rojas R., Mayergoyz I. D. Appl. Phys. B, 1985. – 40, No 4. – 2832–2834.
8. Wolfe R., Fratello V. J., Glashan-Powell M. Mc. J. Appl. Phys., 1988. – 63: 3099–3103; doi: 10.1063/
1.340881.
9. Tronko V.D. Opt. and spectrum, 1970. – 29, No 2. – 354–359.
Поступило в редакцию 09.07.2015НТУ Украины “Киевский политехнический институт”
Т. I. Шевченко, I. В. Лiнчевський
Модуляцiйнi характеристики вектора Стокса оптичного
випромiнювання при деформацiях стиску-розтягу плiвок iтрiєвих
ферит гранатiв на немагнiтнiй пiдкладцi
НТУ України “Київський полiтехнiчний iнститут”
На прикладi плiвок iтрiєвих ферит-гранатiв на немагнiтнiй пiдкладцi з орiєнтацiєю в пло-
щинi (111) наведено результати розрахункiв змiни компонент вектора Стокса поляризо-
ваного випромiнювання, що поширюється у планарному свiтловодi при деформацiях сти-
ску-розтягу зразка. При цьому напрямок хвильового вектора оптичного випромiнювання,
механiчнi напруги, а також поле пiдмагнiчування спрямованi вздовж осi [110]. Отримано
чутливiсть компонент вектора Стокса dC/dσ i dS/dσна рiвнi 108 Па−1 у дiапазонi напруг
±50 MPa. Розрахунки проведено при напруженостi поля пiдмагнiчування 600 A/m.
Ключовi слова: магнiтооптичний кристал, обернений магнiтомеханiчний ефект, вектор Сто-
кса.
T. I. Shevchenko, I. V. Linchevskyi
Stokes vector modulation characteristics of optical radiation at the
compression-tension deformations of yttrium ferrite garnet films on a
nonmagnetic substrate
NTU of Ukraine “Kiev Polytechnic Institute”
By the example of yttrium ferrite garnet films on a nonmagnetic substrate with the plane ori-
entation (111), the results of calculations of the changes in Stokes vector components of a polarized
radiation propagating in the planar light guide at the tension-compression deformations of a sample
are given. The wave vector of optical radiation, mechanical stress, and bias field are directed along
the [110] axis. The obtained sensitivity of Stokes vector components dC/dσ and dS/dσ is 108 Pa−1
in the stress range of ±50 MPa. The calculations are made at a bias field of 600 A/m.
Keywords: magneto-optical crystal, reverse magnetomechanical effect, Stokes vector.
ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2015, №11 65
|