Параметрична взаємодія магнітостатичних хвиль з електромагнітною накачкою - Автореферат

Варто сказати, що в магнітних кристалах спостерігались практично всі відомі науці нелінійні явища - починаючи від генерації другої гармоніки і закінчуючи формуванням двовимірних нелінійних пакетів хвиль (булетів). Використовуючи параметричну взаємодію електромагнітного поля з лінійними та нелінійними спінхвильовими сигналами, можна розробити пристрої, що здатні виконувати підсилення, керовану затримку, стабілізацію амплітуди, обернення фронту і форми та кореляційну обробку вхідних НВЧ сигналів безпосередньо на несучій частоті. Водночас можна відмітити, що наявна теорія параметричної взаємодії спінових хвиль не може пояснити всі особливості взаємодії за умови нестаціонарності накачки (скінченної тривалості імпульсу накачки) та її локалізації (обмеженості накачки в просторі). Цілком очевидно, що нелінійна стадія параметричного підсилення сигналу, коли в початковий момент часу в системі є потужний (набагато більший за рівень шуму) скорельований хвильовий пакет, може принципово відрізнятись від нелінійної стадії збудження хвиль. Для досягнення зазначеної мети було сформульовано такі основні задачі дослідження: дослідити параметричну взаємодію лінійних хвиль зі слабколокалізованою (адіабатичною) накачкою.У другому розділі подано результати дослідження параметричної взаємодії лінійних хвиль, що розповсюджуються в протилежних напрямках, зі слабколокалізованою накачкою в рамках системи рівнянь для повільних огинаючих прямої a1 та зворотньої a2 хвиль, де v1,2 і G1,2 - модулі швидкостей та параметри релаксації хвиль; V - матричний коефіцєнт звязку хвиль з накачкою hp; f1,2(t,z) - зовнішні розподілені сили, які діють в області накачки (вони можуть описувати, зокрема, випадкові термодинамічні джерела). Отримано наближену формулу для часового профілю оберненого сигналу при коротких тривалостях накачки (7), де ain(t) - часовий профіль вхідного сигналу; ain та ¶2ain/¶t2 беруться в момент часу 2tp tp-t; tp - момент включення накачки по відношенню до сигналу. Звуження сигналів в даному випадку повязане з тим, що якщо довжина області накачки менша за просторовий розмір сигналу, а тривалість накачки дуже коротка, то підсилюватись буде не весь сигнал, а лише його частина. Розвинута теорія параметричної взаємодії дозволила пояснити практично всі експериментальні ефекти, наприклад, збільшення часу затримки підсиленого сигналу, залежність коефіцієнтів підсилення тв обернення від моменту вмикання накачки, тощо. У третьому розділі досліджено параметричну взаємодію лінійних хвиль з сильнолокалізованою, або неадіабатичною, накачкою, коли довжина області накачки L менша за довжину хвилі ЗОМСХ l=2p/k1: L?lЗа допомогою методу функцій Гріна розвязано загальну задачу про параметричну взаємодію зустрічних хвиль з нестаціонарною локально-однорідною накачкою за умови її адіабатичності (слабкої локалізації). Отримано узагальнення виразу для порогу параметричної нестійкості хвиль на випадок довільних швидкостей та параметрів релаксації взаємодіючих хвиль. Встановлено існування двох режимів параметричної взаємодії: квазістаціонарного та нестаціонарного, що відрізняються співвідношенням тривалості накачки та часу проходу хвилями області накачки. Побудовано кількісну теорію ефекту обернення часового ходу сигналу при параметричній взаємодії з квазіоднорідною накачкою, отримано вираз для коефіцієнту обернення сигналу, проаналізовано спотворення форми оберненого сигналу, викликані скінченною тривалістю накачки та затуханням хвиль. Встановлено можливість значного звуження підсилених та обернених імпульсів в порівнянні з вхідним сигналом при взаємодії з локалізованою нестаціонарною накачкою за рахунок підсилення лише тієї частини сигналу, що знаходиться всередині області локалізації накачки.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

В дисертаційній роботі проведено теоретичне дослідження параметричної взаємодії лінійних та нелінійних пакетів ЗОМСХ в епітаксійних плівках ЗІГ з нестаціонарною електромагнітною накачкою подвійної частоти при різних ступенях її локалізації.

За допомогою методу функцій Гріна розвязано загальну задачу про параметричну взаємодію зустрічних хвиль з нестаціонарною локально-однорідною накачкою за умови її адіабатичності (слабкої локалізації). Отримано узагальнення виразу для порогу параметричної нестійкості хвиль на випадок довільних швидкостей та параметрів релаксації взаємодіючих хвиль. Встановлено існування двох режимів параметричної взаємодії: квазістаціонарного та нестаціонарного, що відрізняються співвідношенням тривалості накачки та часу проходу хвилями області накачки. Побудовано кількісну теорію ефекту обернення часового ходу сигналу при параметричній взаємодії з квазіоднорідною накачкою, отримано вираз для коефіцієнту обернення сигналу, проаналізовано спотворення форми оберненого сигналу, викликані скінченною тривалістю накачки та затуханням хвиль. Встановлено можливість значного звуження підсилених та обернених імпульсів в порівнянні з вхідним сигналом при взаємодії з локалізованою нестаціонарною накачкою за рахунок підсилення лише тієї частини сигналу, що знаходиться всередині області локалізації накачки.

Вперше проведено теоретичний аналіз неадіабатичного режиму параметричної взаємодії, при якому довжина області накачки менша за довжину хвилі параметрично взаємодіючих хвиль. Встановлено, що основною особливістю неадіабатичного режиму взаємодії є одночасна взаємодія не двох, як в адіабатичному випадку, а чотирьох парціальних хвильових пакетів, інтерференція яких приводить до залежності коефіцієнту підсилення та обернення хвиль від співвідношення фаз сигналу та накачки. Отримано наближену систему узагальнених вкорочених рівнянь для повільних огинаючих сигнальної та оберненої хвиль. Передбачено зниження порогу параметричної нестійкості, обумовлене неадіабатичністю накачки. Отримано вирази для коефіцієнтів підсилення, обернення та модуляції вихідних сигналів.

Теоретично досліджено процес підсилення нелінійних хвильових пакетів - солітонів огинаючої. Показано, що універсальним механізмом обмеження ефективності підсилення солітонів є перехід в багатосолітонний механізм розповсюдження, який в випадку ідеального лінійного підсилювача обмежує максимальний коефіцієнт підсилення солітону на рівні 6 ДБ. Запропоновано загальний метод ефективного підсилення солітонів огинаючої - підсилення зі стистенням сигналу. Цей метод дозволяє отримати коефіцієнти підсилення солітонів, значно вищі за теоретичну межу підсилення для ідеального лінійного підсилювача. Показано, що за рахунок звуження підсилених та обернених імпульсів в нестаціонарному режимі параметричної взаємодії з локалізованою накачкою, параметричний підсилювач є досить перспективним з точки зору підсилення та обернення хвильового фронту солітонів огинаючої.

1. Гордон А.Л., Мелков Г.А., Серга А.А., Славин А.Н. Тиберкевич В.С., Багада А.В. Обращение волнового фронта линейных сигналов и солитонов магнитостатических волн // Письма в ЖЭТФ. - 1998. - Т.67, №11. - С. 869-873.

2. Мелков Г.А., Серга A.A., Тиберкевич В.С., Олійник О.М. Параметричне підсилення та обернення хвильового фронту пакетів магнітостатичних хвиль // Вісник Київського університету (Серія: фізико-математичні науки). - 1998. - №3. - С. 327-333.

3. Melkov G.A., Serga A.A., Tiberkevich V.S., Oliynyk A.N., Bagada A.V., Slavin A.N. Parametric Interaction of a Spin Wave Pulse with Localized NONSTATIONARY Pumping: Amplification and Phase Conjugation // IEEE Trans. on Magnetism. - 1999. - Vol.35, №5. - P.3157-3159.

4. Мелков Г.А., Серга А.А., Славин А.Н., Тиберкевич В.С., Олейник А.Н., Багада А.В. Параметрическое взаимодействие магнитостатических волн с нестационарной локальной накачкой // ЖЭТФ. - 1999. - Т.116, №6 (12). - С. 2192-2211.

5. Melkov G.A., Oliynyk A.N., Serga A.A., Tiberkevich V.S., Slavin A.N. Extremely High Amplification Factor of Spin Wave Envelope Solitons // Journal of Signal Processing. - 2000. - Vol.4, №2. - P.201-205.

6. Melkov G.A., Serga A.A., Tiberkevich V.S., Oliynyk A.N., Slavin A.N. Wave Front Reversal of a Dipolar Spin Wave Pulse in a NONSTATIONARY Three-Wave Parametric Interaction // Phys. Rev. Lett. - 2000. - Vol.84, №15. - P.3438-3441.

7. Melkov. G.A., Kobljanskij Yu.V., Serga A.A., Tiberkevich V.S., Slavin A.N. Nonlinear Amplification and Compression of Envelope Solitons by Localized NONSTATIONARY Parametric Pumping // J. Appl. Phys. - 2001. - Vol.89, №11. - P.6689-6691.

8. Melkov G.A., Serga A.A., Tiberkevich V.S., Kobljanskij Yu.V., Slavin A.N. Non-Adiabatic Interaction of a Propagating Wave Packet with Localized Parametric Pumping. - Phys. Rev. E. - 2001. - Vol.63, №6. - #066607 (8 pages).

9. Гордон А.Л., Мелков Г.А., Серга А.А., Славин А.Н., Тиберкевич В.С., Багада А.В. Обращение волнового фронта линейных сигналов и солитонов магнитостатических волн // Тезисы докладов XVI международной школы-семинара "Новые магнитные материалы микроэлектроники" (НМММ XVI). - Том 3 (дополнительный). - Москва (Россия). - 1998. - С. 5-6.

10. Gordon A.L., Melkov G.A., Serga A.A., Slavin A.N., Tiberkevich V.S., Bagada A.V. Phase Conjugation of Linear Magnetostatic Wave Pulses and Envelope Solitons // Programme and Abstracts of 7th European Magnetic Materials and Applications Conference (EMMA 98). - Zaragoza (Spain). - 1998. - P.332.

11. Slavin A.N., Melkov G.A., Serga A.A., Tiberkevich V.S., Oliynyk A.N., Bagada A.V. Phase Conjgation and Wave Front Reversal of Spin Wave Pulses in Magnetic Films // Bulletin of the American Physical Society. - 1999. - Vol.44, №1, Part 1. - P.711.

12. Melkov G.A., Serga A.A., Tiberkevich V.S., Oliynyk A.N., Bagada A.V., Slavin A.N. Parametric Interaction of a Spin Wave Pulse with Localized NONSTATIONARY Pumping: Amplification and Phase Conjugation // Digest of The 1999 IEEE International Magnetic Conference (INTERMAG 99). - Kyongju (Korea). - 1999. - AR-04 (2 pages).

13. Melkov G.A., Olijnyk A.N., Serga A.A., Slavin A.N., Tiberkevich V.S Inversion of Shape of Dipole Spin Wave Signal // Abstracts of 8th European Magnetic Materials and Applications Conference (EMMA 2000). - Kyiv. - 2000. - P.146.

14. Melkov G.A., Olijnyk A.N., Serga A.A., Slavin A.N., Tiberkevich V.S Possibility of Large Soliton Amplification by Localized Nonstationary Parametric Pumping // Abstracts of 8th European Magnetic Materials and Applications Conference (EMMA 2000). - Kyiv. - 2000. - P.148.

15. Melkov G.A., Olijnyk A.N., Serga A.A., Slavin A.N., Tiberkevich V.S. Phase Conjugation of Linear and Nonlinear Signals of Magnetostatic Waves // Abstracts of 8th European Magnetic Materials and Applications Conference (EMMA 2000). - Kyiv. - 2000. - P.318.

16. Melkov G.A., Serga A.A., Tiberkevich V.S., Olijnyk A.N., Slavin A.N. Non-Adiabatic Interaction of Spin Wave Packets with Localized Parametric Pumping // Abstracts of International Conference on Magnetism (ICM 2000). - Recife (Brazil). - 2000. - P.185.

17. Melkov G.A., Olijnyk A.N., Serga A.A., Tiberkevich V.S., Slavin A.N. Amplification, Phase Conjugation, and Wave Front Reversal of Microwave Spin Wave Pulses in Yttrium Iron Garnet Films // Digest of The 8th International Conference on Ferrites (ICF 8). - Kyoto (Japan). - 2000. - P.16.

18. Slavin A.N., Melkov G.A., Serga A.A., Olijnyk A.N., Tiberkevich V.S. Amplification and compression of envelope solitons by localized nonstationary parametric pumping // Abstracts of The 8th Joint MMM-Intermag Conference. - San Antonio (USA). - 2001. - P.34.

19. Melkov G.A., Kobljanskyj Yu.V., Serga A.A., Slavin A.N., Tiberkevich V.S. Effective method of envelope soliton amplification: amplification with compression // Proceedings of the 1st International Young Scientists’ Conference on Applied Physics. - Kyiv (Ukraine). - 2001. - P.53-54.