Пороговая амплитуда высокочастотного магнитного поля

Предыдущее рассмотрение резонансных явлений в ферритовом резонаторе основывалось на предположении, что амплитуда высокочастотного магнитного поля много меньше величины постоянного магнитного поля, соответствующей условию резонанса (1.10). При этом допущении уравнение Ландау-Лифшица (1.32), описывающее процессы при ферромагнитном резонансе, можно линеаризовать. Если же допущение выполняется плохо, то в теории ферромагнитного резонанса нелинейность этого уравнения обязательно должна учитываться [14]. Одним из следствий этой теории является уменьшение резонансной магнитной восприимчивости феррита при больших амплитудах высокочастотного магнитного поля. Однако опытная проверка нелинейной теории дала неожиданные результаты. Деймон [15], а также Бломберген и Уанг [16] обнаружили два аномальных эффекта, которые нельзя было объяснить существовавшей нелинейной теорией: уменьшение резонансной магнитной восприимчивости при амплитудах высокочастотного магнитного поля много меньших, чем это должно быть по нелинейной теории, и появление дополнительного широкого пика поглощения, наблюдавшегося при значениях напряженности постоянного магнитного поля на несколько сотен ампер на сантиметр ниже напряженности магнитного поля, соответствующей основному резонансу.

Оба этих эффекта объяснил [17], построивший приближенную теорию, основанную на предположении о нестабильности ферромагнитного резонанса, связанной с параметрическим возбуждением спиновых волн. По Сулу, спиновые волны, всегда присутствующие в ферромагнетике из-за тепловых колебаний кристаллической решетки и рассеяния однородной прецессии на объемных и поверхностных неоднородностях, связаны во втором и высших приближениях с однородной прецессией через размагничивающие поля и, в меньшей степени, через обменные поля. При малых высокочастотных сигналах эта связь проявляется слабо, поэтому все спиновые волны и однородную прецессию можно рассматривать изолированно друг от друга. Однако при больших сигналах связь становится существенной и приводит к возрастанию амплитуды спиновых волн за счет энергии однородной прецессии. Возрастание амплитуды спиновых волн задерживается из-за передачи энергии этих волн в решетку. При превышении определенного порогового уровня сигнала инкремент нарастания амплитуды спиновых воли превосходит декремент их

затухания, и возникает нестабильность, т. е. происходит экспоненциальное возрастание по времени амплитуд спиновых волн, наиболее сильно связанных с однородной прецессией. Поскольку возрастание амплитуд происходит за счет энергии однородной прецессии, угол этой прецессии уменьшается, что внешне выражается в увеличении ширины линии резонансного поглощения однородной прецессии и в уменьшении магнитной восприимчивости при резонансе. При этом говорят, что наступает преждевременное насыщение ферромагнитного резонанса.

Преждевременным оно называется потому, что уменьшение магнитной восприимчивости, связанное с рассмотренными выше эффектами, происходит при уровнях сигнала, значительно ниже того уровня, при котором начинается уменьшение магнитной восприимчивости по нелинейной теории, не учитывающей спиновые волны.

Следует еще отметить, что явления, предсказываемые нелинейной теорией без учета спиновых волн — удвоение частоты, смешение частот, детектирование и т. д.,— без сомнения, имеют место и называются стабильными нелинейными явлениями, в отличие от нестабильных нелинейных явлений, связанных с рассмотренными выше эффектами [14].

При вычислении условий нестабильности ферромагнитного резонанса исходил из решения уравнения Ландау-Лифшица с учетом спиновых волн и исследовал два случая: когда связь между однородной прецессией и спиновой волной обусловлена членом первого порядка относительно амплитуды однородной прецессии и когда связь обусловлена членом второго порядка относительно а о (соответственно различают нелинейные явления первого и второго порядка).

Исследование первого случая показывает, что в области частот, удовлетворяющих неравенству

и при амплитудах высокочастотного магнитного поля, превышающих пороговую величину [6]

(где полуширина резонансной кривой спиновых волн), возникает нестабильность, вызванная нарастанием амплитуд спиновых волн с половинной частотой по отношению к частоте однородной прецессии. Это проявляется в появлении дополнительного пика поглощения мощности, который наблюдали Бломберген и Уанг.

Особенно низкая пороговая амплитуда высокочастотного магнитного поля наблюдается при совпадении основного резонанса и Дополнительного поглощения в области частот, удовлетворяющих

условию

При этом значение пороговой амплитуды поля вычисляется по формуле [6]

ДЯКДЯ

Совпадение основного резонанса с дополнительным поглощением проявляется как резкое уменьшение магнитной восприимчивости на частоте основного резонанса при амплитудах поля, превышающих пороговую.

Исследование второго случая показывает, что если амплитуда высокочастотного магнитного поля превысит пороговую величину [6]

то возникает нестабильность ферромагнитного резонанса, обусловленная нарастанием амплитуд спиновых волн, вырожденных с частотой однородной прецессии. Этот случай называют насыщением основного резонанса.

Следует сделать общее замечание относительно выражений (1.61), (1.63) и (1.64), определяющих величину пороговой амплитуды высокочастотного магнитного поля соответственно для случаев дополнительного резонанса, совпадения основного и дополнительного резонансов и для насыщения основного резонанса. Указанные выражения определяют амплитуду переменного магнитного поля с круговой поляризацией правого вращения в точке, где размещен ферритовый резонатор. Если же поле в этой точке имеет линейную поляризацию, то значения пороговых амплитуд нужно увеличить в два раза, так как только составляющая поля с правым вращением, равная в случае линейной поляризации половине амплитуды высокочастотного магнитного поля, взаимодействует с ферритовым резонатором.