Диссертация (1097826), страница 28

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 28)

С друггой стороны, чувсттвителььность S оопределяется выражжением [2208]:191 Sd  I out / I in dBnBn 0FhBs(4.66)Таким образом, чем выше чувствительность датчика, тем меньше его динамический диапазон, и наоборот. Для получения высокой чувствительности пленкадолжна иметь малое значение индукции Bs и большой удельный угол ФарадеяФ.Другим важным параметром датчика является пространственное разрешение пленки, которое определяется ее магнитными свойствами, толщиной, а также расстоянием между отражающим зеркалом и поверхностью исследуемогообразца. Величина пространственного разрешение определяется суммарнойтолщиной пленки, зеркала, защитного слоя и воздушного зазора между защитным слоем и объектом исследования.Использование МФК дает возможность увеличить угол фарадеевского вращения поворота примерно на порядок в видимой области спектра даже при достаточно высоком уровне поглощения около 1000 см-1, которое наблюдается впленках ферритов-гранатов на длинах волн от 540 до 650 нм.

В инфракрасномдиапазоне длин волн, где коэффициент поглощения падает до уровня 10-3 см-1 иниже, рост чувствительности сенсора должен быть гораздо выше, но при этомпространственное разрешение значительно сокращается, так как оптимальнаятолщина чувствительной пленки существенно увеличивается.Рассмотрим применение МФК в режиме отражения для увеличения чувствительности сенсоров магнитного поля, работающих в видимой области спектра, в которой необходимо обеспечивать хорошую точность измерений дажепри больших оптических потерях внутри магнитных слоев.Как было отмечено выше, зачастую на практике используются магнитныепленки с лабиринтной доменной структурой. Это связано с удобством их использования для обнаружения локализованных на малых масштабах магнитныхдефектов (например, полостей внутри ферромагнитных объектов).

Сенсор на192 МФК с доменной структурой может обеспечить увеличение чувствительностимагнитооптических сенсоров на два порядка. Это увеличение зависит от коэффициента поглощения магнитных и немагнитных материалов в требуемой области спектра и их магнитных и магнитооптических свойств. Как следует из уравнения (4.67), чувствительность однослойной пленки определяется ее удельнымуглом фарадеевского вращения и величиной поля насыщения, при которой исчезает доменная структура пленки. Можно выделить два вклада в чувствительность датчика: первый связан с фарадеевским вращением, а второй - с полемнасыщения Bs.Вклад фарадеевского вращения в полную чувствительность датчика можетбыть увеличен примерно в 2 раза по сравнению со случаем использования стандартных пленок с оптимизированным составом.

Этот вклад также может бытьувеличен при использовании МФК: до 10 раз в видимой области спектра и более 10 раз в инфракрасном диапазоне.Поле насыщения может быть существенно уменьшено путем подбора толщины отдельных магнитных слоев МФК. В случае однослойного магнитооптического датчика, возможные значения угла Фарадея ФF и поля насыщения Bsсвязаны между собой и зависят от состава и магнитных свойств магнитооптического материала.

Для увеличения удельного угла Фарадея необходимо использовать пленки висмут содержащих ферритов-гранатов с добавлением ионов Smи Lu для обеспечения необходимого значения одноосной магнитной анизотропии и достижения полосовой или лабиринтной доменной структуры.В обычном случае однослойного сенсора для получения оптимальной толщины пленки сенсора поле насыщения должно лежать в диапазоне 50-100 мТл,в зависимости от толщины и состава пленки.

В результате достижение оптимальных магнитооптических свойств приводит к значительному снижениюмагнитной чувствительности.193 В МФК, предназначенном для использования в зеленой области видимогоспектра, типичная толщина отдельных магнитооптических слоев составляетоколо 50 нм. При этом существует возможность изменять эту толщину для оптимизации поля насыщения и размеров доменов в отдельных слоях МФКструктуры. Конечно, при этом также должны быть изменены толщины окружающих (немагнитных) слоев для получения необходимого периода МФКструктуры, который определяет рабочую длину волны.Пространственное разрешение датчика, основанного на использовании доменной структуры, определяется шириной магнитных доменов сенсорной пленки и расстоянием между источником магнитного поля и пленкой.Типичные зависимости ширины доменов и поля насыщения для однослойной пленки от относительной толщины h/l пленки представлены на рис.

4.16а[209]. Так называемая характеристическая длина одноосного анизотропного2магнитного материала l   w 4 M s (где w – плотность энергии доменнойстенки) широко используется для описания магнитных свойств анизотропныхмагнитных пленок, обладающих полосовой или лабиринтной доменной структурой.Для состава (BiSmLu)3Fe5O12 с 4Ms=1600 Г и полем одноосной анизотропии Hk=2Ku/Ms=200 мТл, характеристическая длина l составляет 40 нм. В реальных приложениях МФК представляет собой структуру, состоящую из около десятка магнитостатически связанных между собой тонких магнитных пленок, чередующихся с немагнитными слоями.194 (а)Г(б)Рис.

4.16: Зависимости безразмерной ширины доменов (а) и магнитного полянасыщения (б) от безразмерной толщины пленки [209].Взаимосвязь поля насыщения для полосовой доменной структуры, существующей в одноосных магнитных пленках, и магнитных свойств материаларассмотрена в работе [209]. Типичная зависимость магнитного поля насыщенияот безразмерной толщины для пленок с вышеуказанными магнитными свойствами представлена на рис.

4.16б.Известно, что в системе магнитостатически связанных пленок наблюдаетсянекоторый рост магнитного поля насыщения по сравнению со случаем однослойной пленки [210]. Поле насыщения МФК может быть уменьшено до уровняпорядка 1 мТл благодаря тому, что в МФК есть два регулируемых параметра:толщины отдельных магнитных слоев и значение характерной длины магнитно195 го материала. Стоит отметить, что минимально возможное значение регистрируемого поля тонких одноосно-анизотропных магнитных пленок с толщинойпорядка характерной длины материала ограничено наличием коэрцитивной силы.

Типичные значения коэрцитивной силы для феррит-гранатовых пленок,толщина которых сравнима с характерной длиной материала, составляют около4 мТл [210].Структура МФК определяется рядом параметров, таких как общее количество слоев, тип и толщина каждого слоя, количество слоев в структуре и количество локальных дефектов периодичности МФК. Количество варьируемых параметров может быть очень большим даже для структур с малым числом слоев.Можно рассматривать как симметричные МФК, состоящие из строго периодически расположенных слоев, так и несимметричные МФК, состоящие из произвольно расположенных квазипериодических подслоев. Можно выделить три основных типа структур МФК (рис.

4.17), два из которых (а, б) к настоящему времени детально исследованы. Исследование третьего, общего типа являетсянаиболее перспективным с точки зрения оптимизации структуры МФК дляпрактических применений [211].Рассмотрим особенности оптических и магнитооптических свойств каждогоиз трех типов МФК, изображенных на рис. 4.17. Структура с магнитной полостью (рис. 4.17а) позволяет значительно увеличить угол Фарадея, сохраняя приэтом высокую прозрачность. Но из-за многократного переотражения луча поглощение внутри структуры значительно возрастает, и эффективность использования таких структур падает. Спектры оптимизированного МФК первого типа, как правило, имеют резко выраженные резонансные линии пропускания иугла Фарадея. Однако, для практического наблюдения численно рассчитанныхпиков необходимо очень точно (на субнанометровых масштабах) контролировать толщину каждого слоя в процессе осаждения.

Также необходимо избегать196 любого термического изменения показателей преломления внутри слоев, чтобыузкие резонансы не смещались от заданных длин волн.Рис. 4.17: Различные типы МФК: симметричный МФК с полостью из толстогомагнитного слоя, окруженного либо диэлектрическими зеркалами, либо последовательностью магнитных (M) и немагнитных (N) слоев толщиной в четвертьдлины волны (a); симметричный МФК со множеством дефектов, состоящий изпоследовательности подструктур, каждая из которых содержит четвертьволновые магнитные и немагнитные слои (б); произвольным образом расположенные (в общем случае ассиметрично) подструктуры со множеством дефектов,содержащие магнитные и немагнитные слои произвольной толщины (в) [212].197 Симметричный МФК со множеством структурных дефектов обычно состоит из чередующихся магнитных и немагнитных слоев толщиной в четверть длины волны (рис.

Характеристики

Список файлов диссертации