Распространение магнитостатической волны в нерегулярном сужающемся ферритовом волноводе бакалаврская работа (стр. 1 )

Министерство образования и науки Российской Федерации

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ

ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«САРАТОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ИМЕНИ Н. Г.ЧЕРНЫШЕВСКОГО»

Кафедра  электроники, колебаний и волн

Распространение магнитостатической волны в нерегулярном сужающемся ферритовом волноводе

БАКАЛАВРСКАЯ  РАБОТА

студента  4  курса  421  группы

направления 03.03.03 "Радиофизика"

факультета нелинейных процессов

Игангалиева Антона Насыпкиреевича

Научный руководитель

Ассистент кафедры электроники,
колебаний и волн, к. ф.-м. н.                 ______________ 

                                                       

Зав. кафедрой электроники, колебаний и волн

член.-кор РАН, профессор, д. ф.-м. н                ______________ 

                                               

Саратов 2015 г.

Содержание

Обозначения и сокращения        3

Введение        4

1 Распространение магнитостатических волн в различных структурах, созданных на основе ЖИГ        7

1.1 Магнитостатические волны  в линиях задержки, созданных на основе неоднородно намагниченных пленок ЖИГ        7

1.2 Магнитные волны, распространяемые в конической пленке ЖИГ        9

1.3 Распространение поверхностных магнитостатических волн в образцах конечной ширины        16

2 Сведения о программном продукте MuMax3        19

3 Метод конечных разностей        21

4 Исследование распространения магнитостатической волны в сужающемся ЖИГ волноводе        25

Заключение        35

Список использованных источников        37

Приложение А        38

Обозначения и сокращения

В работе принята следующая осо­бая система сокращений и наименований:

МСВ    магнитостатические волны. ЖИГ    железо-иттриевый гранат. СВЧ    сверхвысокие частоты. МКР    метод конечных разностей.

Введение

Исследование нерегулярных планарных ферритовых волноводов представляет большой интерес в настоящее время, поскольку такая топология волноведущих структур обеспечивает как управление фазовыми характеристиками МСВ, так и локализацию энергии волны по мере ее распространения вдоль структуры, а также наличие в них различных линейных и нелинейных явлений [1,2,3,4]. Последняя особенность представляет интерес для нелинейных приложений на основе нерегулярных структур, изготовленных из тонких пленок ЖИГ. Такие структуры могут быть использованы как базовые элементы для создания различных устройств функциональной магнитоэлектроники: волноводов, фазовращателей, мультиплексоров, фильтров и ответвителей.

Актуальность фундаментальных и прикладных исследований магнитных явлений и волновых процессов в различных магнитоупорядоченных средах и структурах на основе ферритов обусловлена следующими причинами.

Во-первых, анизотропия ферритовых структур дает возможность возбуждать в них спиновые волны с неколлинеарным характером (когда векторы фазовой и групповой скорости неколлинеарны), характеризующиеся отличными от законов геометрической оптики изотропных сред закономерностями распространения, отражения и преломления.

Во-вторых, наличие в самих ферритовых кристаллах различных типов взаимодействий (таких как дипольное, обменное, магнитоупругое, магнитооптическое)  позволяет реализовать в этих кристаллах такие эффекты и явления, которые принципиально невозможно реализовать в изотропных средах.

В-третьих, поскольку в последние годы заметное развитие получила технология изготовления мета-материалов, с помощью которых пытаются искусственно создать среды, имитирующие, например, «магнитную стенку» или отрицательные значения диэлектрической и магнитной проницаемостей, то, естественно ожидать, что использование магнитоупорядоченных сред в составе мета - материалов позволит получить искусственные среды и структуры с совершенно новыми, необычными свойствами, которые могут найти применение в твердотельной электронике, радиолокации и при создании новых радиопоглощающих материалов.

В-четвертых, в связи с тем, что недавно рабочие частоты компьютеров, приборов связи и телекоммуникаций достигли СВЧ диапазона, возникают как реальные перспективы использования в указанной технике ряда устройств спинволновой электроники, так и необходимость исследования электромагнитной совместимости отдельных устройств в составе различных приборов (к примеру, любой жесткий диск компьютера упрощенно представляет собой плоский ферритовый слой с доменной структурой, в котором вполне могут возникать различные спинволновые возбуждения в диапазоне частот 100 – 3000 МГц, то есть именно на рабочих частотах процессора). Из изложенного выше очевидна актуальность исследования различных эффектов, явлений и характеристик волновых процессов в ферритовых пленках и структурах при распространении в них дипольных спиновых волн, называемых обычно магнитостатическими волнами.

Основными направлениями магнитоэлектроники являются :

миниатюризация устройств (переход к субмикронным размерам); создание нелинейных магнитоэлектронных устройств; создание периодических и квазипериодических магнонных кристаллов.

При этом необходимо учитывать многомодовый характер распространения волн в волноводах конечной ширины, а также исследовать процессы распространения, ответвления спиновых волн в нерегулярных ферритовых волноводах.

В данной работе будет исследована динамика распространения МСВ в нерегулярном сужающемся ЖИГ волноводе микронных размеров. На рисунке 1 изображена структура нерегулярного сужающегося ЖИГ волновода микронных размеров1.

Рисунок 1    Структура нерегулярного сужающегося ЖИГ волновода

Будет рассмотрено влияние анизотропии формы на направление распространения МСВ. Будет проведено численное моделирование путем решения уравнения движения намагниченности методом конечных разностей во временной области. Будет продемонстрирована возможность трансформации модового состава МСВ, распространяющейся в волноводе. С помощью экспериментального исследования методом Мандельштам-Бриллюэновской спектроскопии будет построено распределение квадрата намагниченности для нерегулярного сужающегося ферритового волновода.

1 Распространение магнитостатических волн в различных структурах, созданных на основе ЖИГ

1.1 Магнитостатические волны  в линиях задержки, созданных на основе неоднородно намагниченных пленок ЖИГ

В работе [5] рассматриваются характеристики групповой задержки МСВ в неоднородно намагниченной пленке ЖИГ. Представлена модель линии передач на основе неоднородно намагниченной пленки ЖИГ.

Дисперсионное соотношение для МСВ :

где в – постоянная распространения волны ;

s – толщина пленки ;

г – гиромагнитное соотношение ;

–  собственная частота ;

–  частота ферромагнитного резонанса ;

M – намагниченность насыщения ;

H – внутреннее магнитное поле при постоянном токе, которое равно :

Подставляя (2) в (1), получим соотношение для времени групповой задержки :

Зависимость времени групповой задержки от магнитного поля при частоте f = 3.678 ГГц изображена на рисунке 2 [5].

Рисунок 2    Зависимость времени групповой задержки от магнитного поля при частоте f=3.678 ГГц. Здесь  ∆Н – разница напряженности магнитного поля с краев и центра пленки ЖИГ.