МАГНИТООПТИЧЕСКИЙ ТРАНСПАРАНТ Лабораторная работа по курсу ОПТИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ В МАГНИТНЫХ СРЕДАХ МАГНИТООПТИЧЕСКИЙ ТРАНСПАРАНТ Цель работы: изучение принципов действия многоэлементных магнитооптических модуляторов света и процессов перемагничивания на примере макета магнитооптического управляемого транспаранта, созданного на базе висмут-содержащего феррита со структурой граната. Оборудование и материалы: поляризационный микроскоп, стабилизатор тока электромагнита, генератор импульсов, соленоиды и система токовых проводников для создания магнитных полей, блок распределения сигналов, осциллограф, макет транспаранта – монокристаллическая пленка феррита-граната с системой ячеек. ВВЕДЕНИЕ Несмотря на то, что в оптоэлектронике к настоящему времени наибольшее распространение получили немагнитные среды: электро- и акустооптические кристаллы, сегнетокерамика, жидкокристаллические материалы, для ряда важных прикладных задач магнитооптические (МО) среды по совокупности параметров оказываются предпочтительнее. В первую очередь это относится к ближнему инфракрасному диапазону длин волн ( = 0,81,5 мкм). Одними из основных разработанных МО устройства являются управляемые транспаранты для оптических когерентных процессоров, оптоэлектронных логических устройств, оперативных голографических запоминающих устройств; Материалами, на базе которых разрабатываются МО устройства, чаще всего являются монокристаллические пленки ферритов-гранатов и аморфные пленки сплавов редкоземельных и переходных металлов. ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННОЙ МОДУЛЯТОР СВЕТА Магнитооптический управляемый транспарант (МОУТ), как основа МО пространственно-временного модулятора света, служит характерным примером многоэлементных магнитооптических устройств. Основное назначение многоэлементных одно- и двумерных МО устройств – управляемый ввод, хранение, обработка и отображение информации в оп2 тических системах в реальном масштабе времени. В процессе изготовления многоэлементных МО устройств в однородной по площади МО среде теми или иными технологическими способами создается система элементов (ячеек), независимое управление состоянием намагниченности которых осуществляется внешними локальными магнитными или тепловыми полями. Оптический контраст между информационными ячейками в открытом и закрытом состояниях достигается за счет встречного направления в них намагниченности и использования эффекта Фарадея (рис. 1). Плоскость поляризации проходящего линейно поляризованного света вращается в паре таких ячеек в противоположные стороны. Анализатор устанавливают так, чтобы свет при прохождении через закрытые ячейки практически полностью погасал, а через открытые проходил. Для МОУТ на базе ферритов-гранатов, содержащих висмут и обладающих гигантским эффектом Фарадея, при использовании монохроматиI ческого излучения контраст К может быть очень высоким – более I 20000:1. При использовании белого света вследствие дисперсии эффекта Фарадея трудно обеспечить контраст более 20:1. Однако в этом случае появляется также цветовой контраст, что может быть положено в основу создания цветных дисплеев (рис. 2), управляемых светофильтров и других систем отображения цветной информации. Рис. 1. Схема получения фарадеевского контраста между противоположно намагниченными ячейками МОУТ Многофункциональному использованию МОУТ способствуют следующие конструктивные особенности: возможность формирования информационных ячеек произвольного 3 размера, например от 10 до 500 мкм; возможность объединения ячеек в модули поперечником 80 мм с емкостью 4 миллиона ячеек и более; возможность создания мозаичных структур, состоящих из нескольких модулей, сопряженных ребрами. Рис. 2. Магнитооптические дисплеи: 1 – поляризатор, 2 – МО среда (а – доменная структура, б – система ячеек), 3 – анализатор, 4 – экран МОУТ отвечают требованиям, предъявляемым к бортовой радиоэлектронной аппаратуре и переносным терминалам, а именно: малые размеры и масса (при интегральном исполнении электронного обламления); низкое энергопотребление (собственная «память» позволяет производить электрическую адресацию только при необходимости замены информации); термостабильность (в широком диапазоне температур); высокая радиационная стойкость. Для осуществления возможности переключения состояния отдельной ячейки используется система проводников, которая, например, напыляется на МО материал в виде матрицы (рис. 3). Две системы параллельных проводников располагаются одна над другой и разделены изолирующим прозрачным слоем диэлектрика. Для перемагничивания произвольного элемента схемы (например, элемента с2, см. рис. 3) в петли с и 2 тре4 буется подать токовые импульсы, которые создают поле, не превышающее поле переключения на всех участках петель с и 2, кроме ячейки с2. Таким образом, работа большинства МОУТ с матричной организацией построена на принципе совпадения полутоков. Если в ячейке, находящейся на пересечении заданных строки и столбца, складываются поля, создаваемые управляющими токовыми импульсами, и суммарное поле превышает порог переключения ячейки, то произойдет ее перемагничивание – запись бита информации. Переключение соседних ячеек не произойдет, поскольку действующее на них поле недостаточно для перемагничивания ячейки. Для исключения паразитного переключения ячеек в строках и столбцах требуется высокая однородность порогового переключающегося поля. Использование постоянного поля смещения позволяет снизить управляющие импульсные токи, но, с другой стороны, ужесточает требование к однородности порога переключения ячеек. Рис. 3. Матричная схема управления МОУТ При выборе материала для МОУТ приходится сталкиваться с проблемой принятия компромиссного решения в отношении основных магнитных параметров. В частности, с одной стороны, для обеспечения монодоменного состояния ячеек и умеренных импульсных токов переключения необходима низкая намагниченность МО среды. С другой стороны, для достижения высоких динамических параметров и, следовательно, быстродействия МОУТ, а также для исключения флуктуаций порога переключения ячеек (в окрестности точки компенсации магнитного момента МО материала малые вариации его состава, практически неизбежные при синтезе, способны привести с флуктуациям магнитных параметров), необходимо достаточно высокая намагниченность МО среды. Существует несколько способов сохранения стабильного (монодоменного) состояния ячеек: а) выбор в качестве материала транспаранта магнитоодноосных пленок или пластин с повышенной коэрцитивностью, 5 б) магнитная изоляция ячеек транспаранта (вытравливание областей между ячейками вплоть до подложки), в) снижение намагниченности насыщения в ячейках (локальный отжиг или ионная имплантация). Примером высококоэрцитивного материала являются пленки ферритов-гранатов с точкой компенсации магнитного момента вблизи комнатной температуры. В окрестности этой температуры коэрцитивность имеет локальный максимум. Если с помощью локального повышения температуры уменьшить намагниченность и коэрцитивную силу в ячейке, то в слабых магнитных полях, прикладываемых ко всему образцу, можно локально перемагнитить ячейку транспаранта. Магнитное состояние при отключенном питании будет сохраняться в диапазоне температур 100 С. Периодического распределения намагниченности по площади транспаранта в виде отдельных ячеек можно добиться, искусственно индуцируя монодоменные области (ячейки) с пониженной намагниченностью Мs. (рис. 4). Для этого на поверхность МПФГ состава R, Bi 3 Fe, Ga 5 O12 наносится тонкий слой восстанавливающего агента (например, аморфного кремния). Методом фотолитографии в этом слое вскрываются каналы, разделяющие будущие ячейки МОУТ. Отжиг при Тотж 500 С приводит к перераспределению ионов Ga3+ и Fe3+ между тетраэдрической и октаэдрической подрешетками в местах, покрытых Si (при отжиге происходит отток ионов О2– их МПФГ в Si, формируются кислородные вакансии и ускоряются диффузионные процессы в гранате). За счет увеличения концентрации ионов Ga3+ в тетраэдрической подрешетке уменьшается намагниченность насыщения. После отжига продукты окисления Si стравливают. Сформированные ячейки отличаются от областей между ними монодоменным состоянием. Между ячейками остаются области с исходной намагниченностью, где сохраняется исходная доменная структура. Функциональные возможности МО транспарантов определяются и конструкцией носителя информации. В первых теоретических и экспериментальных работах по использованию МО сред для создания устройств формирования изображений (МО дисплеев) в качестве носителя информации рассматривались подвижные цилиндрические магнитные домены (ЦМД). С помощью стандартных схем продвижения ЦМД на пермаллоевых аппликациях, вращающегося плоскостного поля и поля смещения, создаваемого постоянными магнитами кольцевой формы, удается формировать произвольное изображение. Массивами ЦМД, в частности, формировали изображение букв, цифр, символов. Такие носители информации, несмотря на отработанную технологию изготовления ЦМД-микросборок, обладают рядом недостатков: 6 Рис. 4. Структура с периодическими изменениями намагниченности насыщения необходимость получения ЦМД больших размеров для повышения яркости изображения; малая тактовая частота ввода информации за счет невысокой скорости насыщения ЦМД больших размеров; устойчивость работы достигается только с применением пермаллоевых (непрозрачных) аппликаций, затеняющих часть ЦМД. МЕХАНИЗМЫ ПЕРЕМАГНИЧИВАНИЯ И СПОСОБЫ ПЕРЕКЛЮЧЕНИЯ ЯЧЕЕК ТРАНСПАРАНТА Вращение вектора намагниченности в материале с намагниченностью насыщения Ms и полем одноосной анизотропии Hk имеет место, согласно критерию Стонера – Вольфарта, при выполнении условия H k 4M s 2 3 H 2 3 H ||2 3 , (10) где Н и Н|| – компоненты магнитного поля перпендикулярно и параллельно плоскости пленки соответственно. Для обеспечения устойчивого состояния намагниченности в ячейках поле анизотропии Hk обычно превышает 103 Э, поэтому энергетически невыгодно обеспечивать переключение всей ячейки за счет механизма вращения вектора намагниченности. Смещение доменных границ, как механизм перемагничивания ячеек транспаранта, является основным. Это накладывает дополнительные требования на выбор МО материала. Одним из условий выбора материала в качестве основы для МО транспаранта является сочетание высокой подвижности и высокой скорости насыщения Vs доменных границ, что по7 зволяет достигать скорости ввода информации до 1071010 бит/с. Для осуществления такого перемагничивания МО ячейки необходимо создать в ней область (домен) с противоположной намагниченностью. Снижение полей перемагничивания на локальном участке ячейки добиваются, например, с помощью его нагрева до 200 С, что примерно соответствует значению температуры Нееля. После этого на МО ячейку подают перемагничивающий импульс. Нагрев выделенного участка МО транспаранта можно осуществить с помощью лазерного луча или резистивных элементов, устанавливаемых между проводниками (рис. 5). Рис. 5. Конструкция информационной ячейки МОУТ После окончания вращения намагниченности на нагретом участке ячейки МОУТ на границе между этим участком и оставшейся частью ячейки формируется доменная граница (рис. 6). Завершается процесс перемагничивания ячейки путем движения доменной границы по площади ячейки до ее края. Магнитное поле может подаваться одновременно ко всем ячейкам линейки с помощью токовой петли. Селективность адресации достигается суперпозицией воздействия теплового и магнитного полей на выбранную ячейку. Стирание всей информации осуществляется с помощью соленоида, создающего постоянное поле смещения, напряженность которого превышает поле насыщения Нs ячеек. Рис. 6. Формирование доменной границы в ячейке МОУТ 8 МАГНИТООПТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА В настоящей работе для изучения принципов действия МО модуляторов света и процессов перемагничивания на примере макета МОУТ, использована магнитооптическая установка. Установка разработана на базе поляризационного микроскопа с использованием стабилизатора тока электромагнита, генератора импульсов, соленоидов и системы токовых проводников для создания магнитных полей, блока распределения электрических сигналов, осциллографа (рис. 7). Рис. 7. Внешний вид переносного модуля магнитооптической установки: поляризационный микроскоп с магнитной системой и блок распределения сигналов Поляризационный микроскоп – универсальный прибор для различных кристаллооптических измерений и наблюдений. Многочисленные вспомогательные приспособления позволяют исследовать все оптические свойства кристаллов и измерять почти все их оптические константы. Микроскоп состоит из двух оптических систем: объектива и окуляра. Объектив и окуляр укрепляется на концах трубки – тубуса. Объектив дает действительное, увеличенное и обратное изображение микрообъекта, который рассматривается через окуляр, как через лупу. Окуляр, соответственно, дает мнимое, увеличенное и прямое изображение предмета, являющегося изображением микрообъекта. Между объективом и окуляром располагается анализатор во вращающейся оправе. 9 Тубус укреплен на массивном штативе. Под тубусом микроскопа укреплен предметный столик, на котором установлен толстый соленоид и держатель исследуемого объекта с миниатюрным соленоидом (диаметром ~ 2 см), а также система поперечно расположенных пар токовых проводников (рис. 8). Объект исследования располагается непосредственно на системе проводников. Под столиком укреплена осветительная система, состоящая из светодиода с повышенной яркостью, являющегося источником белого света, поляризатора во вращающейся оправе, двух- или трехлинзового конденсора, концентрирующего свет на исследуемом объекте. а б Рис. 8. Оптическая и магнитная системы установки: (а) блок-схема установки: 1 – источник белого света, 2 – коллиматор, 3 – толстый соленоид, 4 – миниатюрный соленоид, 5 – система проводников, 6 – образец, 7 – объектив (окуляр не показан), П – поляризатор, А – анализатор; (б) блок-схема системы проводников для переключения состояния отдельных ячеек транспаранта: 1 и 2 – первая пара параллельных проводников, 3 и 4 – вторая пара параллельных проводников (в местах их пересечений нет электрических соединений). Показан пример переключения ячейки, расположенной в области пересечения системы проводников, при подаче в систему прямоугольного электрического импульса, а также указано направление тока в системе проводников Генератор импульсов – генератор, формирующий прямоугольные импульсы, длительность фронта и спада которых на порядок меньше длительности импульса. Прибор позволяет регулировать длительность, скважность и амплитуду импульса. Стабилизатор тока – прибор, позволяющий устанавливать и поддерживать заданное значение постоянного тока с точностью 0,1%. Соленоиды – предназначены для формирования магнитных полей (в 10 зависимости от индуктивности – постоянного или переменного полей). Для постоянного магнитного поля Нсм используется стабилизатор тока и толстый соленоид, для переменного низкочастотного магнитного поля Ннч (частотой f = 50 Гц) – понижающий сетевой трансформатор с регулятором амплитуды напряжения и миниатюрный соленоид. Блок распределения электрических сигналов – устройство (рис. 7), предназначенное для согласованной работы элементов настоящей МО установки (соленоидов, токовых проводников, подсветки) и коммутации подаваемых на эти элементы сигналов. Управление работой МО установки осуществляется с помощью панели управления (передняя панель блока распределения сигналов). Система токовых проводников – система поперечно расположенных пар токовых проводников для формирования импульсного магнитного поля Ни в заданной области образца, площадь которой незначительно превышает площадь ячейки транспаранта (рис. 8б), и предназначенного для переключения состояния отдельной ячейки. ПОДГОТОВКА К ПРОВЕДЕНИЮ ИЗМЕРЕНИЙ Перед измерениями необходимо включить в сеть стабилизатор тока, генератор импульсов и блок распределения сигналов. При этом амплитуды их выходных сигналов должны быть нулевыми. Включите осветитель поляризационного микроскопа. Вращением анализатора добейтесь скрещенного положения плоскостей пропускания поляризатора и анализатора ( = 90, где – угол между плоскостями пропускания поляризатора и анализатора; настройка производится по минимуму освещенности поля зрения, наблюдаемого в окуляр микроскопа). Установите макет магнитооптического управляемого транспаранта на предметный столик поляризационного микроскопа. Включите переменное низкочастотное (f = 50 Гц) магнитное поле тумблером на передней панели блока распределения сигналов. Плавно увеличивайте амплитуду этого поля регулятором до максимального значения, а затем сразу же плавно уменьшайте амплитуду поля до нуля, размагнитив тем самым макет. Выключите переменное магнитное поле. Наблюдая в окуляр микроскопа и перемещая тубус микроскопа с помощью регулировочного винта, получите сфокусированное изображение ячеек транспаранта и лабиринтной доменной структуры в области между ячейками. Убедитесь в том, что произошло просветление в области зрения1, а образец в области между ячейками перешел в размагниченное состояние. Критерием такого состояния может являться равенство расстояний между доменными границами. 1 Проявление магнитооптического эффекта Фарадея. 11 ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ 1. Дисперсия эффекта Фарадея. Изучение цветового контраста 1. Вращая анализатор, наблюдайте изменение цветового контраста изображения доменнов. Зарисуйте изображение ячеек и доменной структуры в области между ячейками. Определите направление намагниченности в соседних доменах, учитывая направление поворота анализатора2. 2. Составьте таблицу зависимости цвета доменов с разным направлением намагниченности от угла = 90 – , определяющего угол отклонения плоскости пропускания анализатора от скрещенного положения поляризатора и анализатора. Результаты занесите в таблицу 1. Таблица 1 № цвет доменов ↑↑ ↑↓ К 1 … 8 ↑↑ – намагниченность Мs в домене сонаправлена с волновым вектором k; ↑↓ – намагниченность Мs в домене противоположна волновому вектору k. 3. Определите угол , при котором визуально наблюдается максиI мальный контраст K max , где Imax и Imin – интенсивности света, проI min шедшего через соседние домены. Проведите анализ результатов. 2. Измерение геометрических параметров доменной структуры 1. Наблюдайте контрастную доменную структуру. Используя шкалу мкм окуляра с ценой деления , проведите измерения размеров ячеек дел. транспаранта d1, расстояния между ячейками d2, периода доменной структуры в области между ячейками Р0. Результаты занесите в таблицу 2. 2 При распространении в намагниченной среде линейно поляризованного света, волновой вектор k которого сонаправлен с вектором намагниченности Мs этой среды, плоскость его поляризации поворачивается влево (положительный знак эффекта Фарадея) для наблюдателя, смотрящего против направления k. 12 № d1, мкм d2, мкм Р0, мкм Рм, мкм Таблица 2 Мбит , см 2 1 2 3 среднее 2. Определите период матричной системы ячеек Рм и оцените воз Мбит можную плотность записи информации в такой системе. 2 см 3. Проведите анализ полученных результатов. 3. Оценка намагниченности в ячейках транспаранта 1. Принимая во внимание то, что ячейки транспаранта получены методом отжига в присутствии слоя восстанавливающего агента (см. выше), и предполагая неизменность по площади монокристаллической пленки феррита-граната таких магнитных параметров, как константа обменного взаимодействия А и константа одноосной анизотропии Кодн, можно связать изменение характеристической длины lяч в ячейках и изменением в них намагниченности Мsяч. 2. Используя теорию полосовых доменов, по измеренному периоду равновесной доменной структуры Р0 в области между ячейками и известному значению толщины пленки магнитного материала h (значение задаl ется преподавателем), определите отношение (см. рис. 9). h 3. По измеренной ширине ячейки d1 и известному значению толщиl ны пленки магнитного материала h определите отношение яч (см. рис. 13, h 2d P подставив вместо значения 0 значение 1 ). h h 4. Используя соотношение для характеристической длины 4 AK одн l , можно получить следующее соотношение, принимая во 0 М s2 внимание изложенное выше: l l яч 2 M sяч . М s (18) 13 Рис. 13. Зависимость характеристической длины магнитоодноосного МО материала от равновесного периода его доменной структуры 5. Оцените намагниченность насыщения Мsяч в ячейках транспаранта по известному значению Мs. Проведите анализ полученных результатов. 4. Изучение динамических процессов переключения состояний ячеек магнитооптического транспаранта 1. Используя систему токовых проводников (рис. 12б), проведите исследование зависимости амплитуды импульса магнитного поля Ни, необходимого для переключения состояния ячеек, от длительности прямоугольного импульса поля и. Для этого необходимо позиционировать образец так, чтобы выбранная для исследования ячейка транспаранта находилась в центре области пересечения проводников (см. рис. 12б). 2. Установив на передней панели импульсного генератора значения длительности и и частоты следования fи импульсов, а также подключив к выходу генератора систему токовых проводников в постоянном режиме (тумблер на панели блока распределения сигналов), плавно увеличивайте амплитуду прямоугольных импульсов (регулятор на передней панели генератора) до момента переключения ячейки. Используя осциллограф для визуализации параметров импульса магнитного поля3, измерьте амплитуду и длительность импульса. 3. Проведите серию измерений амплитуды импульса магнитного поля в диапазоне длительностей импульса, указанного преподавателем (по3 Сигнал, амплитуда которого пропорциональна амплитуде импульса магнитного поля, можно зарегистрировать с помощью осциллографа при снятии сигнала с эталонного резистора, подключенного последовательно с перемагничивающим устройством. 14 сле каждого измерения перемагничивайте ячейку постоянным полем смещения в первоначальное состояние). Результаты занесите в таблицу 3. Таблица 3 № fи, Гц и, мкс Ни, Э 1 2 3 <Ни>, Э Ни, % 1 … 8 4. По полученным данным постройте график зависимости амплитуды импульса магнитного поля переключения ячейки, от длительности импульса: Ни = f (и). Проведите анализ полученных результатов. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 1. Механизмы оптического поглощения в кристаллах. Оптическое поглощение в ферритах-гранатах. 2. Эффект Фарадея в висмут-содержащих ферритах-гранатах, его природа. Магнитооптическая добротность. 3. Причины формирования и тип доменной структуры в тонких магнитных пленках. 4. Магнитные параметры, определяющие геометрические параметры доменов. 5. Многоэлементные магнитооптические устройства. Магнитооптический пространственно-временной модулятор света. 6. Методы формирования ячеек магнитооптического транспаранта. 7. Принцип работы магнитооптического транспаранта. Механизмы перемагничивания ячеек транспаранта. Методы создания магнитных и тепловых полей для переключения состояния ячеек. 8. Методы управления и быстродействие магнитооптических модуляторов. Одноэлементные и многоэлементные устройства. 9. Оптические процессоры, магнитооптические запоминающие устройства и магнитооптические датчики внешних воздействий на базе магнитооптического управляемого транспаранта. 10. Устройство и оптическая схема установки для исследования магнитооптического транспаранта. УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ Основная литература 1. Боков В. А. Физика магнетиков: Учеб. пособие для вузов / В. А. Боков. 15 СПб.: Невский диалект; БХВ-Петербург, 2002. 272 с. 2. Рандошкин В. В. Прикладная магнитооптика / В. В. Рандошкин, А. Я. Червоненкис. М.: Энергоатомиздат, 1990. 320 с. 3. Звездин А. К. Магнитооптика тонких пленок / А. К. Звездин, В. А. Котов. М.: Наука, 1988. 189 с. 4. Балбашов А. М. Магнитные материалы для микроэлектроники / А. М. Балбашов, А. Я. Червоненкис. М.: Энергия, 1979. 216 с. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. Дополнительная литература Кринчик Г. С. Физика магнитных явлений / Г. С. Кринчик. М.: Изд-во МГУ, 1985. 370 с. Матвеев А. Н. Оптика: Учеб. пособие для физ. спец. вузов / А. Н. Матвеев. М.: Высш. шк., 1985. 216 с. Ландсберг Г. С. Оптика / Г. С. Ландсберг. М.: Наука, 1976. 928 с. Балбашов А. М. Элементы и устройства на цилиндрических магнитных доменах: Справочник / А. М. Балбашов, Ф. В. Лисовский, В. К. Раев и др. М.: Радио и связь, 1987. 488 с. Кравченко А. Ф. Магнитная электроника / Кравченко А. Ф. М.: СО РАН, 2002. 400 с. Малоземов А. Доменные стенки в материалах с цилиндрическими магнитными доменами / А. Малоземов, Дж. Слонзуски. М.: Мир, 1982. 384 с. Червинский М. М. Методы и средства измерений магнитных характеристик пленок / М. М. Червинский, С. Ф. Глаголев, В. Б. Архангельский. Л.: Энергоатомиздат, 1991. - 208 с. Тикадзуми С. Физика ферромагнетизма / С. Тикадзуми. М.: 1984. Тикадзуми С. Физика ферромагнетизма / С. Тикадзуми. М.: 1987. Другие информационные источники 14. Магнитооптические пленки феррит-гранатов и их применение: Труды ИОФАН, Т. 35. М.: Наука, 1992. 166 с. 15. Магнетизм и магнитные материалы: терминологический справочник. М.: Вагриус, 1997. 240 с. 16. Дифракционная компьютерная оптика / под ред. В. А. Сойфера. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2007. 736 с. 16