Магнитооптические устройства хранения, обработки и отображения информации

Таблица 1.1. Фарадеевское вращение и МО коэффициенты

Состав	л, мкм	иF ,град/см	A, град/µв	D, град/µв	C, град/µв
Y3Fe5О12	1,152	245	50±3	29 ± 2	0
Eu3Fe5О12	1,152	202	55±3	33 ±2	0
Gd3Fe5О12	1,152	70	42,4 ±1,8	27,1 ±1,3	1 ±0,2
Tm3Fe5О12	1,152	110	23 ±7	12 ± 6	20±4
Tb3Fe5О12	1,152	440	9 ± 15	10± 11	84,4 ±2,5
Y3Fe5О12	0,633	835	493,9	321,3	0
Y3Fe3,07Ga1,93 О12	0,633	0	300,1	203,1	0
Y2,35Bi0,65Fe5 О12	0,633	12 600	419,5	799,5	0
Y1,97Bi1,03Fe5 О12	0,633	19 300	876,3	1394,1	0

Рис. 1.21. Спектры удельного фарадеевского вращения МПФГ системы R_3-хBi_хFe₅O₁₂ с различным содержанием висмута

Спектры и_F (л) для МПФГ (R, Bi)₃Fe₅O₁₂ при T = 295 К приведены на рис. 1.21, откуда видно, что в области л<0,450 мкм (где знак эффекта Фарадея положительный) в отличие от области л> 0,450 мкм значения и_F при большом содержании Bi достигают нескольких сотен тысяч градусов на сантиметр, т. е. сравнимы со значениями и_F в металлических ферромагнетиках. Спектры и_F для поликристаллических пленок, полученных катодным распылением, практически совпадают со спектрами МПФГ идентичного состава. Индуцированный висмутом вклад в и_F имеет независимо от его содержания одинаковую спектральную зависимость (рис. 1.22), описываемую соотношением и_F~л²л₀²/(л²-л₀²)², характерным для переходов с диамагнитной формой линии.



Рис. 1.22. Спектры удельного фарадеевского вращения Bi-содержащих МПФГ: 1 -Gd_1,35Bi_1,65Fe₅O₁₂(ч=10); 2 - Lu_1,29Bi_1,71Fe₄Ga₁O₁₂(ч=6,8); 3 - Lu_1,91Bi_1,09Fe_3,95Ga_1,05O₁₂ (ч=4).

1.4.1.4 Магнитооптическая добротность

Для большинства магнитооптических устройств требуются материалы одновременно с сильным фарадеевским вращением и низким оптическим поглощением, т. е. с высокой МО добротностью.

Спектральная зависимость Ш для Bi-содержащих МПФГ обнаруживает максимумы вблизи значений 0,560; 0,780 и 1,1 мкм в соответствии со спектральной зависимостью б на рис. 1.23. Введение в состав МПФГ диамагнитных ионов (Ga³⁺, Аl³⁺) приводит к одновременному снижению и_F и а, в результате чего параметр Ш слабо зависит от таких замещений. Присутствие примесей свинца ведет к появлению дополнительного поглощения в области коротких длин волн (л<0,8 мкм), в результате чего максимум Ш в области л = 0,56 мкм исчезает. С другой стороны, в ближней ИК области дополнительное поглощение Pb-содержащих пленок близко к нулю, в результате чего параметр достигает в этом диапазоне рекордно высоких значений (50 град/дБ при л = 0,8 мкм и более 300 град/дБ при л = 1,3 мкм).

Рис. 1.23. Спектры поглощения б, удельного фарадеевского вращения и_F и магнитооптической добротности Ш для МПФГ составов Lu₂Bi₁Fe₄Ga₁O₁₂ (а) и Lu_1,5Bi_1,5Fe₄Ga₁O₁₂ (б), содержащих (1, 3) и не содержащих (2, 4) свинец.

1.4.1.5 Намагниченность насыщения

Намагниченность насыщения M_s феррит-гранатов определяется магнитными моментами подрешегок. Магнитные моменты а- и d-подрешеток в первом приближении противоположно направлены, поэтому если в с-подрешетке нет магнитных ионов, то равна разности намагниченностей этих подрешеток, а если в с-подрешетку входят магнитные редкоземельные ионы, то к этой разности добавляется намагниченность с-подрешетки, направленная для всех ионов, кроме Nd³⁺ и Рr³⁺, противоположно намагниченности d-под- решетки. Значения M_s для ряда простых феррит-гранатов приведены в табл. 1.2.

Таблица 1.2. Параметры феррит-гранатов R₃Fe₅О₁₂ (T=300 К)

R	Ms, кА/м
Sm	133,3
Еu	93,3
Gd	4,5
Tb	15,6
Dy	29,9
Y	140,6
Но	70,2
Еr	98,8
Тm	111,1
Yb	123,7
Lu	144,4

1.4.1.6 Магнитная анизотропия

Константа одноосной анизотропии в МПФГ имеет ростовую K_одн.р и K_одн.м магнитострикционную компоненты. Магнитострикционный компонент определяется соотношением:

где Е -- модуль Юнга и н_П -- коэффициент Пуассона; -- рассогласование параметров решетки пленки и подложки в направлении нормали к пленке.

Ростовый компонент одноосной анизотропии МПФГ в общем случае возникает вследствие нестатистического упорядочения ионов в структуре граната:

- редкоземельных ионов в с-подрешетке (в Sm- и Еu-содержащих МПФГ) K_одн.р > 0, а в Рr- и Nd-содержащих МПФГ K_одн.р <0);

- немагнитных ионов в с-подрешетке, например Bi³⁺ и РЬ²⁺ , вызывающих упорядочение ионов Fe³⁺ в а- и d-подрешетках;

- ионов переходных металлов в а- и d-подрешетках (в Со- и Ir-содержащих МПФГ K_одн.р > 0, а в Ru-содержащих K_одн.р <0);

- немагнитных ионов в а- и d-подрешетках, вызывающих упорядочение ионов Fe3+.

В Bi-содержащих МПФГ доминирует второй из перечисленных механизмов наведенной ростовой анизотропии, причем K_одн.р может достигать 20 кДж/м³. Эти пленки характеризуются одновременно высокими подвижностью доменных стенок, скоростью насыщения и содержанием висмута, что позволяет рассматривать их как лучший материал для быстродействующих МО устройств.

1.4.2 Ортоферриты

Ортоферриты описываются общей формулой RFeО₃, где R -- редкоземельные элементы, и относятся к классу слабых ферромагнетиков. Эти материалы близки к антиферромагнетикам, т. е. магнитные моменты подрешеток в них почти полностью скомпенсированы. Намагниченность ортоферритов весьма мала и определяется только слабой неколлинеарностью магнитных моментов подрешеток. В связи с этим энергия полей размагничивания в ортоферритах на два-три порядка меньше энергии анизотропии. Ортоферриты являются орторомбическими кристаллами. Они являются оптически двуосными и обладают большим двупреломлением. Если падающая на продольно намагниченный кристалл ортоферрита волна линейно поляризована, то на выходе из кристалла волна становится эллиптически поляризованной, при этом большая ось эллипса повернута на угол и_Э по отношению к направлению линейной поляризации падающей волны. и_Э является осциллирующей функцией длины волны. Двупреломление ортоферритов существенно ограничивает углы поворота плоскости поляризации при распространении света вдоль оси слабого ферромагнетизма. При л = 0,63 мкм, где прозрачность ортоферрита достаточно высока, значение и не превышает 1,5--2°. Это приводит к невысокому оптическому контрасту наблюдаемых с помощью эффекта Фарадея доменных структур. Для ортоферритов оптические оси, при распространении света вдоль которых влияние двупреломления на и исчезает, лежат в плоскости (100) и на длинах волн 0,63 и 1,15 км составляют с осью (001) углы 52 и 47° соответственно. Вследствие этого имеется ненулевая проекция слабого ферромагнитного момента этих кристаллов на направление их оптических осей.

При рассмотрении спектров поглощения ортоферритов и их особенностей удобно проводить параллели с оптическими спектрами поглощения Y₃Fe₅O₁₂. На рис. 1.24 приведены спектры поглощения монокристаллов Y₃Fe₅O₁₂ (кривые 1) и YFe0₃ (кривые 2) в широком спектральном диапазоне. Для обоих материалов в области л<0,5 мкм поглощение весьма велико (б>10³ см^-1). Механизм такого поглощения связан с переходами с обменом зарядом между кислородом и ионами железа. В диапазоне 0,5--1,2 мкм у обоих материалов наблюдаются хорошо разрешенные полосы поглощения с интенсивностью 10²--10³ см^-1, соответствующие электродипольным переходам ионов Fe³⁺ в кристаллическом поле. В ортоферритах, в структуре которых есть лишь октаэдрический тин окружения ионов Fe³⁺ ионами кислорода, число этих полос меньше, а промежутки между ними выражены более ярко, чем в феррит-гранатах, имеющих окта- и тетраэдрический тип окружения ионов Fe³⁺ ионами кислорода. В области 1,2--6 мкм для ортоферритов, как и для феррит-гранатов, имеет место окно прозрачности, где поглощение мало (б<1 см^-1) и определяется примесями и разного рода несовершенством образцов. В области 10--100 мкм поглощение весьма интенсивно и связано с колебательным спектром молекул ортоферрита. Высокочастотный край этой области у ортоферритов несколько сдвинут в сторону длинных волн. В области >100 мкм вплоть до СВЧ диапазона ортоферриты, как и феррит-гранаты, обладают высокой прозрачностью, а уровень поглощения в них малочувствителен к дефектам кристаллической решетки.

Рис. 1.24. Спектры поглощения феррит-граната (1) и ортоферрита (2) иттрия

В диапазоне 0,55--1,2 мкм приТ = 300 К у всех ортоферритов наблюдаются две широкие полосы поглощения с максимумами при 10 000 и 14 200 см^-1, обусловленные электронными переходами ионов Fe³⁺ в октаэдрических позициях. На указанные широкие полосы поглощения во многих ортоферритах накладывается тонкая структура полос поглощения редкоземельных ионов.

Введение в ортоферриты немагнитных ионов Аl³⁺ и Ga³⁺ приводит к разбавлению железных подрешеток, снижению обменного взаимодействия и росту прозрачности в видимом диапазоне.

Введение в ортоферриты нетрехвалентных ионов (Са²⁺ , Si⁴⁺ ), как и следовало ожидать, резко снижает прозрачность за счет образования эквивалентных концентраций ионов Fe⁴⁺ и Fe²⁺. Таким образом, при синтезе ортоферритов следует избегать попадания в их структуру ионов с валентностью, отличной от трех.

Спектры поглощения ортоферритов имеют сильную зависимость от температуры. С ростом температуры край фундаментального поглощения резко сдвигается в область длинных волн. Наблюдается незначительное смещение пиков поглощения в область длинных волн. Уровень поглощения в центре полос с ростом температуры практически не меняется, что указывает на путь повышения термостабильности магнитооптических устройств на базе ортоферритов: для этого рабочую длину волны следует выбирать в окрестности центра полос.

Особенностью ортоферритов являются аномально большие по сравнению с Y3FesOi2 абсолютные значения и_F, несмотря на то что намагниченность насыщения ортоферритов приблизительно в 20 раз ниже.

В большинстве ортоферритов из-за большого естественного двупреломления фарадеевское вращение, пропорциональное толщине образца, наблюдается только при распространении света вдоль оптической оси, т. е. под углом 50° к оси (001). В YFeO₃ и_F, измеренное в такой геометрии, достигает 4000 град/см в районе л = 0,6 мкм и убывает с ростом длины волны по закону, близкому к л^-2 (рис. 1.25). В сложнозамещенных составах с близким к нулю двупреломлением (например, в Nd_0,8Pr_0,2FeO₃) при распространении света вдоль оси (001) и_F пропорционально толщине и достигает 8000 град/см в области л = 0,6 мкм. Спектральная зависимость и_F слабо зависит от состава ортоферритов. Значение Ш в Nd_0,8Pr_0,2FeO₃достигает 14 град/дБ при л = 0,62 мкм, что превышает значения Ш для всех известных магнетиков с Т_Н выше комнатной температуры.

Рис. 1.25. Спектры удельного фарадеевского вращения и_F (сплошные линии) и МО добротности Ш (штриховые линии) ортоферритов YFeO₃ И Nd_0,8Pr_0,2FeO₃

В связи с тем, что ортоферриты с близким к нулю двупреломлением содержат крупные ионы цериевой подгруппы, при выращивании из раствора-расплава РЬО--PbF₂ они растворяют в себе значительное количество свинца. Поглощение при этом в видимом свете становится недопустимо высоким.

Отличительной особенностью ортоферритов являются высокие подвижность и скорость движения доменных структур, являющиеся следствием ромбических искажений в структуре ортоферрита, делают ортоферриты привлекательными для использования в быстродействующих магнитооптических устройствах.

Возможности управления магнитными свойствами и параметрами доменной структуры в ортоферритах существенно более ограничены по сравнению с феррит-гранатами. Вследствие ограниченных пределов растворимости большинства ионов в ортоферритах не удается в заметных пределах изменять намагниченность, анизотропию, размеры доменов. Все это сужает спектр возможных применений ортоферритов в устройствах управления параметрами светового пучка [1].

1.4.3 Металлические аморфные пленки

1.4.3.1 Природа магнитного упорядочения и структура

Аморфные пленки сплавов редкоземельных и переходных металлов (РЗ-ПМ) обычно описывают общей формулой (R_1-хMe_х)_1-уZ_y, где R-- редкоземельный или немагнитный элемент, используемый для замещения; Me -- один из переходных металлов (Mn, Fe, Со, Ni); Z -- немагнитный элемент (Мо, Сu, Аu, Ск), вводимый для обеспечения разнообразия свойств. Для краткости эту форму часто записывают как R--Me--Z.

Возникновение самопроизвольной намагниченности в сплавах РЗ-ПМ обусловлено наличием 3d-орбиталей в атомах переходных металлов и 4f-орбиталей в атомах редкоземельных металлов, а также наличием сил обменного взаимодействия, вызывающих магнитное упорядочение элементарных магнитных моментов атомов. В этих материалах имеют место три типа обменных взаимодействий: редкоземельных атомов между собой, атомов переходных металлов между собой и редкоземельных атомов с атомами переходных металлов. Самым слабым вследствие своего косвенного характера является обменное взаимодействие между редкоземельными атомами, а самым сильным -- взаимодействие между атомами переходных металлов, превосходящее первое больше чем на порядок и определяющее значение температуры Нееля Т_н (часто эту температуру для аморфных пленок называют температурой Кюри Т_к). Сила обменного взаимодействия редкоземельных атомов с атомами переходных металлов является промежуточной, но она определяет значение температуры компенсации магнитного момента T_кмм. Каждое из этих обменных взаимодействий является в зависимости от расстояния между атомами положительным или отрицательным [1].

1.4.3.2 Одноосная анизотропия

Хотя массивные образцы аморфных сплавов редкоземельных элементов с железом не имеют заметной макроскопической анизотропии, тонкие аморфные пленки определенных составов обладают одноосной анизотропией с осью легкого намагничивания, перпендикулярной поверхности пленки. Одноосная анизотропия в аморфных пленках сильно зависит от условий их получения, поэтому, применяя различные режимы роста этих пленок, можно получать необходимую анизотропию.



Рис. 1.26. Константа одноосной анизотропии аморфных пленок до (сплошные линии) и после (штриховые линии) отделения от подложки: a Gd - Со; б- Tb - Fe; в - Gd - Fe

Максимум константы одноосной анизотропии К_одн в аформных пленках наблюдается для пленок Gd -- Со и Tb -- Fe, отделенных от подложки (рис. 1.26, а, б). Однако для пленок Gd -- Fe в этих условиях /К_одн имеет минимальное значение (рис. 1.26, в) . Более того, для пленок одного и того же состава, полученных разными методами, концентрационная зависимость константы одноосной анизотропии может быть различной. Так, для пленок Tb --Fe с очень малым содержанием аргона, полученных методом магнетронного распыления, максимум К_одн наблюдается вблизи компенсационного состава. Вместе с тем в пленках Tb -- Fe с содержанием аргона, полученных методом катодного распыления, вблизи компенсационного состава значение К_одн минимально.

1.4.3.3 Магнитооптические свойства

Для считывания информации, записанной на аморфную пленку, используют как эффект Фарадея, так и эффект Керра. Магнитооптические параметры аморфных пленок ряда составов приведены в табл. 1.4.

Коэффициент оптического поглощения аморфных пленок Tb -- Fe падает с длиной волны в диапазоне л<1 мкм, в то время как при л=1ч3мкм его значение почти не меняется и составляет (5ч6)х10⁵ см ^-1 .

Температурная зависимость удельного фарадеевского вращения в пленках Tb -- Fe с различным содержанием тербия имеет вид, характерный для зависимости M_s (Т), при этом и_F уменьшается с ростом содержания Тb.

Характер температурной зависимости керровского вращения в аморфных пленках такой же, как и для и_F (Т) . В частности, при увеличении температуры от комнатной до 350 К значение и_К в пленках Tb -- Fe уменьшается от 0,18° до 0,08°.

Поскольку для считывания информации с МО дисков обычно используют эффект Керра, увеличивают и_К за счет введения различных добавок в аморфные пленки Tb -- Fe, обладающие относительно низким и_К (рис. 1.27, табл. 1.4), но более предпочтительным по другим параметрам для практического использования.

Рис. 1.27. Концентрационные зависимости керровского вращения в некоторых аморфных пленках: 1 - Tb_x (Со_0,11Fe_0,89)_1-x; 2 -- (Tb_0,85Gd_0,15)_xFe_1-x; 3 - Tb_xFe_1-x

Проводя замещения в обеих подрешетках аморфных пленок Tb -- Fe, можно оптимизировать параметры этих материалов. Так, замещение атомов железа кобальтом должно увеличивать Т_н, Н_с и и_К, а добавки в редкоземельную подрешетку сдерживают рост Т_н, но сохраняют высокое значение и_К. Для системы Tb_u-xR_xFe_х-yCo;, (R = Dy, Но, Еr) можно получить большое и_К в интервалах u= 0,30ч0,33, х = 0,674ч0,70 и у = 0,05ч0,25. Другой путь повышения и_К состоит в нанесении диэлектрических покрытий и отражающих слоев [1].



Таблица 1.4. Параметры аморфных пленок РЗ-ПМ

Состав пленки	Способ получепия	h, нм	Покрытие	hпокр, нм	H, kA/m	ТН, К	иК, град	л, мкм
Tb0,12Fe0,88	Термическое испарение	15	Si02	100	44	--	1,2	--
Tb0,18Fe0,82	То же	60-80	Si02	100	--	383	--	--
Tb0,18Fe0,82	Катодное распыление		МПФГ+Tb -- Fe + SiO2+ 1200	--	--	--	0,5	0,5
Tb0,21Fe0,79	Термическое испарение	22	--	--	--	--	15	0,63
Tb0,21Fe0,79	Термическое испарение	22	Tb - Fe + +250SiO+ 40 Au	--	--	--	0,55	--
Tb0,21Fe0,79	Катодное сораспыление	1-10	SiO2	110	--	--	0,98	0,63
Tb0,21Fe0,79	Термическое испарение	100-250			140	363	0,18	0,63
Tb0,215Fe0,785	Катодное сораспыление	47	SiO	40--400	120	--	0,6	0,63
Tb0,225Fe0,775	То же	--	Al+750 SiO2 + +100 Tb-Fe + + 20 SiO2	--			0,22	0,63
Tb0,225Fe0,775	» »	--	AI + 750 Si02 + + 5Tb Fe + + 20 Si02				1,72	0,63
Tb0,23Fe0,77	Термическое испарение	150	SiO	250	180	393	0,3	0,63
Tb0,25Fe0,75	Катодное распыление	50	SiO2	90	190	--	0,25	0,63
Tb0,26Fe0,74	Термическое испарение	70	--	--	56	348	--	--
Tb0,29Fe0,71	То же	60 -80	SiO2	100		393		--



Вывод

Сравнивая методы регистрации магнитных полей рассеяния, можно определить, что наиболее подходящим методом является магнитооптический метод. Метод Биттера, или метод порошковых фигур, является разрушающим, имеет невысокое разрешение, по сравнению с магнитооптическим методом. Метод магнитной силовой микроскопии трудно реализуем, дорогостоящий, требует наличия габаритных подсистем. Приборы, основанные на магнитооптических эффектах Фарадея и Керра, имеют малые габариты, низкую стоимость, являются неразрушающими и потому широко могут использоваться для снятия магнитной информации и последующего контроля на подлинность ценных бумаг.

Основными параметрами качества магнитооптического прибора являются контраст, оптическая эффективность и разрешающая способность. Наибольшее влияние на значение контраста и эффективности оказывают угловое отклонение от положения погасания в системе поляризатор - анализатор и толщина пленки. В данной работе представлены выражения для оптимальных значений отклонения и толщины, обеспечивающие максимальный контраст.

Пространственное разрешение магнитооптического метода визуализации на пленках феррит-гранатов лежит в пределах от долей до единиц микрон и достигает максимума при минимальном расстоянии между кристаллом и поверхностью носителя, что объясняется быстрым затуханием поля рассеяния при увеличении этого расстояния.

В результате анализа существующих магнитооптических материалов, было установлено, что наиболее подходящим материалом для решения поставленной задачи являются висмутсодержащие пленки феррит-гранатов в силу ряда преимуществ: высокое фарадеевское вращение, позволяющее получить высокий контраст изображения, низкое оптическое поглощение и, как следствие, высокая магнитооптическая добротность.

2. Конструкторская часть

2.1 Выбор и обоснование конструкции оптико-электронного устройства регистрации магнитограмм

На рис.1 представлена твердотельная модель оптико-электронного устройства регистрации магнитных полей рассеяния (ОЭУРМ). Данное устройство состоит из нескольких ветвей: осветительная ветвь и измерительная ветвь. Обе ветви крепятся на общий корпус. К корпусу прикручивается крышка, на которую наклеен магнитооптический кристалл и установлен постоянный магнит.

Рис.2.1. Изображение трехмерной модели ОЭУРМ.

Рассмотрим основные методы крепления оптических элементов в оправы, с последующей сборкой и закреплением в тубусы и установкой тубусов в корпус. Для имеющихся в приборе оптических элементов предпочтительны следующие методы: крепление проволочным кольцом, крепление резьбовым кольцом.



2.2 Крепление оптических элементов

Крепление поляризатора, анализатора и коллиматорной линзы можно осуществить можно проволочным кольцом (рис.2.2). Этот способ конструктивно прост и технологичен, но используется только для крепления круглых оптических деталей в наименее ответственных случаях, когда не предъявляется высоких требований к точности, надежности и герметичности соединения. К таким деталям относятся: светофильтры, защитные стекла, рассеиватели, небольшие круглые экраны, конденсорные линзы, осветительные зеркала.

Оптическая деталь находится между уступом оправы и выступающей частью проволочного кольца, помещенного в специальную канавку. Канавка обычно выполняется прямоугольного сечения. Ее ширина равна диаметру проволоки, глубина - половина диаметра. Для облегчения сборки, развернутая длина кольца должна быть такой, чтобы между его концами после установки в канавку оставался промежуток в несколько миллиметров. Наружный диаметр свободного кольца (до сборки) должен быть больше внутреннего диаметра канавки. Кольца изготавливаются из пружинной проволоки; ее диаметр (обычно 0,5-1,5мм) зависит от размера оптической детали. Во избежание выколок, сопряжение оптической детали и кольца должно осуществляться по поверхности ее фаски. Ввиду наличий отклонений в размерах глубины расточки и ширины канавки в оправе, а также толщины детали по краю, это сопряжение возможно только с осевым зазором, в пределах которого оптическая деталь может смещаться и перекрашиваться [17].



Рис. 2.2. Крепление оптических деталей проволочным кольцом.

В соответствии с вышеизложенным выберем крепления в оправы данным методом для следующих элементов: коллиматорная линза, рассеиватель, поляризатор, анализатор (рис. 2.3).

Рис. 2.3 Крепление проволочным кольцом: а) - коллиматорной линзы, б) - рассеивателя, в) - поляризатора.

Крепление проекционного объектива является ответственной задачей, ввиду этого проволочное кольцо применять нельзя. В данном случае могут использоваться следующие методы: крепление завальцовкой, крепление резьбовым кольцом.

При креплении завальцовкой оптическая деталь удерживается в оправе тонкой ее кромкой, которая приобретает свою конечную форму в результате пластического деформирования металла во время завальцовки. Такое крепление является неразъемным. Крепежная кромка оправы после завальцовки находится в сопряжении с конусной поверхностью специальной фаски, сошлифованной на детали под углом 45^о, при этом она не должна выступать за пределы фаски.

Рис. 2.4. Размеры элементов оправы для крепления завальцовкой

Диаметр опорного уступа d₂ определяется величиной светового диаметра рабочей поверхности детали, базирущейся на него. Глубина расточки оправы h определяется геометрией края линзы с учетом толщины краев, ширины фаски, величины d₂ и табличных данных.

Крепление завальцовкой применяется для оптических деталей диаметром до 80 мм и для склеенных блоков до 50 мм. Такое ограничение объясняется тем, что крепежная кромка предельной толщины в 0,5 мм не в состоянии обеспечить необходимую надежность крепления для тяжелых деталей, в особенности при наличии перегрузок (вибрации, тряск, удары). Увеличить же толщину кромки невозможно, так как в процессе завальцовки могут появиться выколки по краю детали. Кроме того тонкая завальцованная кромка обладает пружинящими свойствами, обеспечивая необходимое силовое замыкание детали и оправы при отсутствии пережатий, а также хорошую компенсацию осевых температурных деформаций.

Материалы оправ при этом методе крепления должны обладать высокой пластичностью. Наилучшим является латунь ЛС59 1; применяются также: латунь Л62, дюралюминий марок Д1, Д6, Д16, низкоуглеродистые конструкционные стали (сталь 20, сталь 30) [18].

В случае крепления резьбовым кольцом оптическая деталь укрепляется в оправе кольцом, имеющим наружную или внутреннюю резьбу. Возможное смещение линзы в оправе определяется выбранной посадкой. Крепление резьбовым кольцом необходимо применять для деталей свыше 50-80 мм. Для деталей размером 10-50 мм этот способ крепления рекомендуется в тех случаях, когда завальцовка по каким-либо соображениям непригодна. Для деталей диаметром менее 10 мм резьбовые кольца применять не следует.

На рис. 2.5 показаны примеры крепления линз резьбовым кольцом. Кольца с внутренней резьбой нужно применять только в исключительных случаях ввиду сложности их изготовления.

Рис. 2.5. Крепление линз резьбовым кольцом.

Типы резьбовых колец приведены на рис. 2.6. Диаметр резьбы колец выбирают с таким расчетом, чтобы внутренний диаметр резьбы оправы был на 0,2-0,5 мм больше посадочного диаметра линзы. В случае недостаточного зазора между гребешками резьбы и диаметром линзы может произойти заклинивание последней в резьбе при случайном перекосе в процессе сборки, что придет к выколкам на линзе. Внутренний диаметр резьбовых колец должен быть больше светового диаметра линзы не менее чем на 0,2-0,5 мм или в крайнем случае равен ему. Кольца с расточной на конус применяются в те случаях, когда необходимо исключить срезание пучка лучей, а также в декоративных целях. Диаметр резьбы колец с внутренней резьбой должен быть больше диаметра линзы на 2-4 мм, наружный диаметр колец на 1,5-3 мм должен быть больше диаметра резьбы. Толщина упорного буртика 0,5-1,5 мм.

Рис. 2.6. Типы резьбовых колец.

В нашем случае крепление проекционного объектива завальцовкой затруднено конструктивно, поэтому выберем крепление резьбовым кольцом с наружной резьбой. Проекционный объектив, установленный в тубус и закрепленный резьбовым кольцом, представлен на рисунке 2.7.

Рис. 2.7. Объектив в тубусе: 1 - проекционный объектив, 2 - резьбовое кольцо, 3 - тубус.

2.3 Крепление светодиода

Светодиод КИПД21 К-Ж припаевается на плату (рис. 2.8).

Рис. 2.8. Светодиод на плате.

Затем плата крепится к оправе винтами(рис. 2.9).

Рис. 2.9. Оправа светодиода.

2.4 Крепление ФПЗС-матрицы

ФПЗС-матрица припаеватся на плату( рис. 2.10).

Рис. 2.10. ФПЗС-матрица на плате.

Затем плата с ФПЗС-матрицей прикручивается при помощи винтов и гаек на оправу (рис. 2.11).

Рис. 2.11. Оправа ФПЗС-матрицы.

2.5 Крепление магнитооптического кристалла и постоянного магнита

Кристалл приклеивается к крышке в соответствующую выемку (рис. 2.12). Магнит 2 прижимается кольцом 1, которая затем прикручивается к крышке.

Рис. 2.12. 1 - кольцо прижимное, 2 - постоянный магнит, 3 - крышка с магнитооптическим кристаллом.

2.6 Сборка осветительной ветви

На рис. 2.13 представлена осветительная ветвь оптико-электронного устройства регистрации магнитограмм в разрезе.

Рис. 2.13. Разрез осветительной ветви

В осветительной ветви реализована возможность вращения поляризатора посредством конической передачи с целью получения наибольшего контраста в процессе работы прибора.

Рис. 2.14. Геометрия конического колеса.

Рассчитаем геометрические параметры конической передачи (рис. 2.14). В качестве исходных данных возьмем модуль m=0,7мм, Для конической прямозубой передачи рекомендуется передаточное числов u = 2, 2,5; 3,15; 4. Выберем u=2. Количество зубьев для первого колеса 24, для второго 12.

Внешний диаметр d_e :

Внешнее конусное расстояние

Углы делительных конусов:

Среднее конусное расстояние

где b - ширина зубчатого венца колеса, К_де - коэффициент ширины зубчатого венца относительно внешнего конусного расстояния.

Средние делительные диаметры:

Внешние диаметры вершин зубьев

Внутренние диаметры вершин зубьев

Сборка осветительной ветви (рис. 2.15) осуществляется следующим образом: светодиод в оправе 1 прикручивается к оправе коллиматора 2. Во фланец осветительной ветви 4 устанавливается подшипник 9, в который вставляется коническое зубчатое колесо 3, являющееся оправой для поляризатора. Подшипник 8 вместе с колесом коническим 6 устанавливаются во фланец, обеспечивается зацепление конических колес. Во избежание вертикального смещения колеса с подшипником на фланец винтами крепится крышка 5. Затем оправы 1 и 2 вместе устанавливаются в фланец и привинчиваются винтами.

Рис. 2.15. Осветительная ветвь в сборе.

2.7 Сборка измерительной ветви

На рис. 2.16 представлена измерительная ветвь оптико-электронного устройства регистрации магнитограмм в разрезе.

Рис. 2.16. Разрез измерительной ветви.

Сборка измерительной ветви (рис.2.17) осуществляется следующим образом: оправа объектива 2 вкручивается во фланец с анализатором 1. Затем оправа ФПЗС-матрицы 3 через промежуточную пластину 4 крепится винтами к оправе объектива. Пластина нужна для регулировки положения плоскости ФПЗС. Подбором толщины определяется наиболее выгодное положение и, соответственно, лучшее изображение.

Рис. 2.17. Измерительная ветвь в сборе.

2.9 Установка в общий корпус

В корпус (рис. 2.18) устанавливается крышка с магнитооптическим кристаллом и постоянным магнитом 3 винтами 5. Осветительная ветвь 1 устанавливается в корпус и прикручивается винтами 6. Измерительная ветвь 2 крепится в корпус винтами 4.

Рис. 2.18. ОЭУРМ в сборе.



3. Оптическая часть

3.1 Выбор и обоснование оптической схемы

На основе вышеприведенного анализа, предложена оптическая схема устройства визуализации магнитограмм, которая должна содержать источник излучения, который должен осветить исследуемую область, коллиматор, собирающий лучи от источника света и направляющий их на исследуемый объект, рассеиватель, поляризатор для создания линейно поляризованного света, магнитооптическую головку, анализатор - для преобразования модуляции по плоскости поляризации в модуляцию света по интенсивности, оптический элемент для фокусировки изображения в плоскости ФПЗС-матрицы.

Рис. 3.1. Оптическая схема устройства визуализации магнитограмм

Магнитооптическая головка, как следует из проведенного выше анализа, должна содержать некую промежуточную среду, с которой дальше идет процесс считывания информации на основе эффекта Фарадея. Этой средой являются магнитные пленки феррит-гранатов, обладающих большим фарадеевским вращением. Способ магнитооптического считывания с помощью промежуточной среды целесообразно применять в том случае, когда оптические характеристики носителя информации не позволяют проводить считывание непосредственно с самого носителя (например, когда считывание информации с помощью эффекта Керра не обеспечивает требуемого отношения сигнал/шум).

Принцип работы устройства. Излучение от светодиода 1, проходит через коллиматорную линзу 2, рассеиватель 3, поляризатор 4 и становится линейно поляризованным. Линейно поляризованное излучение направляется на носитель записи 6 со скрытой магнитной информацией. Важным элементом при визуализации информации является магнитная пленка феррит-граната 5, которая вращает плоскость поляризации выходного излучения на основе магнитооптического эффекта Фарадея.

Магнитные поля рассеяния, создаваемые доменной структурой носителя информации 6, перестраивают доменную структуру пленки феррит-граната 5 с одноосной магнитной анизотропией. Поэтому линейно поляризованный свет, проходя через магнитную пленку феррит-граната, поворачивает свою плоскость поляризации в зависимости от того, через какой домен пленки 5 проходит излучение, на угол:

,

где - удельное фарадеевское вращение; - длина пути в магнитной пленке феррит-граната, б - угол между направлением распространения излучения и вектором намагниченности М.

После отражения от зеркальнозащитного слоя магнитной пленки феррит-граната, необходимого для увеличения коэффициента отражения и предохраняющий от химического взаимодействия поверхностей носителя и пленки, излучение снова проходит через пленку, и плоскость его поляризации опять поворачивается на тот же угол и в ту же сторону, что и при первом прохождении. Таким образом, двойное прохождение излучения через магнитную пленку феррит-граната удваивает угол поворота плоскости поляризации излучения, увеличивая тем самым чувствительность к магнитному полю. Отраженное излучение проходит через анализатор 7, преобразующий модуляцию излучения по плоскости поляризации в модуляцию излучения по интенсивности. Изображение с магнитной пленки феррит-граната объективом 8 проецируется на ФПЗС 9 и далее информация передается для обработки в компьютер, в котором по соответствующему алгоритму производится сравнение изображений или информации с эталоном.

Расстояния, приведенные на оптической схеме: между светодиодом 1 и коллиматором 2, между конденсором и рассеивателем 3, между рассеивателем и поляризатором 3, между поляризатором, плоскостью предмета и анализатором 6 выбираются из конструктивных соображений так, чтобы обеспечить минимальные габариты и удобство сборки и обслуживания устройства. Угол падения излучения на магнитную пленку феррит-граната примем равным 45°.

Сформулируем основные требования и осуществим выбор элементной базы устройства регистрации магнитных полей рассеяния.

Источник излучения. Высококачественные пленки феррит-гранатов используются в видимом и ближнем инфракрасном спектре. Требований к монохроматичности излучения в данном случае нет. В связи с этим в качестве источника излучения выбран светодиод КИПД 21 К-Ж. При освещении светодиодом необходимо ставить коллиматорную линзу для обеспечения параллельного пучка определенного диаметра. Для исключения эффекта засветки применяется рассеиватель (матовое стекло).



Рис.3.2. Светодиод КИПД 21 К-Ж

Светодиод имеет характеристики, представленные в таблице 1.

Таблица 3.1. Характеристики светодиода КИПД 21 К-Ж

Параметр	Значение
Сила света	500 мКд
Прямое напряжение	2,4 В
Длина волны	590 нм
Прямой ток	20 мА
Угол половинной яркости	20о

Приемник излучения. Разрешающая способность, согласно техническому заданию, должна составлять не менее 100 линий на миллиметр, т.к. большинство носителей магнитной информации имеют минимальные размеры элементов от 10 до 30 мкм. Минимальный элемент в данном случае 10 мкм. Разрешающая способность ФПЗС-матрицы определяется размером пикселя. Изображение, полученное проекционным объективом, на ФПЗС-матрице, передается для обработки в компьютер. В качестве ФПЗС-матрицы выбираем ICX285AQ (SONY) с параметрами, представленными в таблице 3.2.

Таблица 3.2. Параметры матрицы ICX285AQ

Параметр	Значение
Размер пикселя	6,45х6,45 мкм
Пороговая чувствительность	0,01 лк
Число активных пикселей	1360х1024
Рабочий размер матрицы	10,2х8,3 мм

Поляризационная оптика. Конструктивно поляризатор и анализатор - одно и то же. Поляризаторы основаны на явлениях: а) на отражении и преломлении на границе двух диэлетриков; б) двойном лучепреломлени; в) на дихроизме. Поляризация с помощью дихроизма в некотором участке спектра достигает 100%. Учитывая длину волны излучения светодиода (л=590нм), подберем подходящий поляризатор. Существуют герапатитовые и поливиниловые поляроиды. На указанной длине волны герапатитовый поляроид обеспечивает 99% поляризацию. Поливиниловый поляроид обеспечивает 100% поляризации. Таким образом, в нашем случае поляроид представляет собой поляризующую свет пленку, изготовленную из поливинилового спирта марки H и заклеенную между защитными стеклянными плоскопараллельными пластинами, марка стекла - К8, толщиной 3мм и диаметром 10 мм [14].

Коллиматорная линза. Коллиматором принято называть оптическую систему, концентрирующую часть светового потока источника света в узкий пучок как для освещения удаленных предметов, так и для передачи сигналов на большие расстояния [19].

Оптическими характеристиками коллиматора являются: сила света; коэффициент усиления; дистанция оформления пучка; угол охвата и угол рассеяния.

Из приведенных характеристик светодиода КИПД 21 К Ж известно, что угол половинной яркости составляет . Следовательно, примем угол охвата . Зная величину поля зрения (10мм х10 мм), определим диаметр пучка из геометрии

Рис.3.3. К расчету диаметра пучка

Исходя из этого, световой диаметр линзы должен быть не меньше, чем D=7,07. Примем D=8мм.

Найдем фокусное коллиматорной линзы, зная световой диаметр и апертурный угол:

Примем в качестве коллиматора плосковыпуклую линзу. Фокусное расстояние линзы равно 22мм. Толщину примем 5 мм.

Рис.3.4. Плосковыпуклая линза.

Т.к. линза будет находиться в воздухе (n₁=n₃=n), является плосковыпуклой (r₁=?, r₂<0), и принимая предварительно материал для линзы стекло К8 (для длины волны = 590нм n₂=1,51627), найдем параметры линзы:

Тогда имеем коллиматорную линзу со следующими параметрами:

Радиус

Толщина,

Марка материала

?

-11,358

5

К8

Проекционный объектив. Требуется объектив, обеспечивающий высокий контраст. Исходя из этого, выберем из набора двухлинзовых компонентов, обеспечивающих в спектральном диапазоне от 0,55 до 0,9 мкм высокие значения коэффициентов передачи контраста при относительных отверстиях вплоть до 1:3--1:2,5 [20].

Выбранный объектив имеет следующие конструктивные параметры:

r₁=18,05

n₁=1

r₂=-10,1

d₁=5

n₂=1,5223

r₃=-27,47

d₂=2

n₃=1,6744

n₄=1

Смоделируем полученный объектив в пакете программ оптического моделирования «Zemax» и оценим возможность правильной работы в заданных условиях.

Рис.3.5. Схема выбранного объектива

Построим графики аберраций смоделированного объектива и проведем оценку его работоспособности:



а)

б)

Рис.3.6. а) - поперечные аберрации осевого и наклонных пучков; б) - волновые аберрации

Оценим разрешающую способность данного объектива в плоскости ФПЗС-матрицы:



Рис.3.7. Модуляционная передаточная функция

Как видим, данная система обладает незначительные аберрациями, однако разрешающая способность ниже требуемой (контраст 0,27 на 100 линий/мм). С целью повышения данного параметра проведем оптимизацию объектива.

После оптимизации объектив будет иметь следующие конструктивные параметры:

Рис.3.8. Конструктивные параметры оптимизированного объектива

Построим графики аберраций оптимизированного объектива

а)

б)

Рис.3.9. а) - поперечные аберрации осевого и наклонных пучков; б) - волновые аберрации



Оценим разрешающую способность:

Рис.3.10. Модуляционная передаточная функция оптимизированного объектива

Как видно из рис. 3.10, полученный объектив обеспечивает контраст 0,55 при разрешении 100 линий/мм, что является хорошим показателем для работы системы.

3.2 Светоэнергетический расчет

На данном этапе определим освещенность, создаваемую оптической системой в плоскости приемника излучения и сделаем вывод о правильности выбора данного источника и приемника излучения.

Для начала рассчитаем коэффициент пропускания оптических элементов оптико-электронного устройства регистрации магнитных полей рассеяния (рис. 3.1). Отражение на преломляющих поверхностях можно учесть, воспользовавшись формулами Френеля:

Для границ раздела оптических сред в магнитооптическом устройстве коэффициенты пропускания будут равны:

стекло К8-воздух

стекло ОК1-воздух

стекло БФ16-воздух

Коэффициент пропускания магнитной пленки феррит-граната с учетом просветления подложки и нанесения зеркального покрытия.

Коэффициенты пропускания поляризатора и анализатора:

Потери в толще оптических материалов. Суммируя все толщины, получаем l = 0,034 м. Тогда .

Суммарный коэффициент пропускания находится перемножением вычисленных составляющих:

Из паспортных данных источника света известна его сила света

Определим потом излучения от источника на коллиматорную линзу:



Где Щ - телесный угол, определяется как

Рис.3.11. Определение телесного угла

.

Тогда поток

С учетом потерь на оптических элементах можно считать, что поток излучения, падающего на приемник излучения, составит

,

где = 300 см^-1 - коэффициент поглощения магнитной пленки феррит-граната; h = 4 мкм - толщина магнитной пленки феррит-граната; Д = 0.001 - коэффициент, учитывающий неполноту погасания в системе поляризатор - магнитной пленки феррит-граната - анализатор; - (закон Малюса) определяет интенсивность света, прошедшего через систему поляризатор - анализатор, развернутые на угол 2F ( F = 8 град - угол поворота плоскости поляризации).

.

Площадь рабочей области приемника излучения составляет

м²,

а=10,2 мм, b=8.3 мм - размер активной области матрицы ФПЗС.

Тогда освещенность, создаваемая на матрице ФПЗС, составит

лк.

По паспортным данным, минимальный порог освещенности для данного приемника излучения составляет 0,01 лк, поэтому выбранная элементная база обеспечивает работоспособность устройства регистрации магнитных полей рассеяния.



4. Технологическая часть

4.1 Требования к монокристаллической пленке феррит-граната

Выбор соответствующей технологии получения МПФГ главным образом зависит от требований к устройству считывания информации с магнитных носителей.

МПФГ должна обладать следующими параметрами:

- магнитооптическая добротность (ш, град/дб)	6-8
- оптическое поглощение (б, см-1)	200-350
- константа одноосной анизотропии (Кu, эрг/см3)	5·104
- удельное фарадеевское вращение (, град/мкм)	0,5-1,5
- коэрцитивная сила (Hс, Э)	0,1-0,2
- намагниченность насыщения (4рМs, Гс)	150-180

4.2 Изготовление магнитооптического кристалла

Основным элементом устройства визуализации магнитных полей рассеяния является магнитооптический кристалл, осуществляющий преобразование магнитных полей рассеяния носителя в световое распределение, соответствующее их величине и положению в пространстве, и имеющий сложный состав: эпитаксиальная Bi-содержащая феррит гранатовая пленка (МПФГ) (YBi)₃(FeGa)₅O₁₂ , выполненная на немагнитной подложке. Его структура приведена на рис. 4.1.

Рис. 4.1. Структура магнитооптического кристалла Технологический процесс получения МПФГ состоит из следующих основных этапов:

4.3 Выращивание кристалла подложки

В качестве подложек используются кристаллы немагнитных гранатов. Пленка и подложка должны иметь близкие параметры решетки, чтобы пленка росла без растрескивания. С другой стороны, несоответствие параметров решетки Да должно быть достаточным для создания в пленке одноосной анизотропии с легкой осью, нормальной к ее плоскости. Величина Да в эпитаксиальных пленках ферритов-гранатов с ЦМД составляет 0,01 --0,02. Лучшими подложками для наращивания железистых гранатов являются кристаллы гадолиний-галлиевого граната (ГГГ) Gd3Ga601 2 с постоянной решетки 12,383 . Подложки в виде пластин толщиной 0,3--1 мм и диаметром 5--38 мм, ориентированных, как правило, по направлению (111), вырезаются из кристаллов ГГГ, выращенных методом Чохральского в иридиевом тигле. Тигель нагревается высокочастотными токами, а выращивание происходит в герметичной камере, позволяющей контролировать газовую среду над расплавом. Для выравнивания температурного поля затравка и тигель вращаются в противоположных направлениях с частотой 20-60 об/мин [7].

Установка (рис.4.2) состоит из затравочного штока, устройство подъема и вращения 1; кожуха 2; изолирующего клапана 3; газового входа 4; держателя затравки и затравки 5; камеры высокотемпературной зоны 6; расплава 7; тигля 8; выхлопа 9; вакуумного насоса 10; устройства вращения и подъема тигля 11; системы контроля и источника энергии 12; датчика температуры 13; пьедестала 14; нагревателя 15; изоляции 16; трубы для продувки 17; смотрового окна 18; датчика для контроля диаметра растущего слитка 19. Монокристалл-затравка кристаллодержателем вводят в конгруэнтный расплав Ga₂O₃ и Gd₂O₃. Выращивание подложки ведут в плоскости (111). Нагрев тигля производится токами высокой частоты.

Для выравнивания температурного поля затравка и тигель вращаются в противоположные стороны с частотой 20--60 об/мин при скорости роста 5-7 мм/час. При этом выращивают монокристаллы ГГГ диаметром до 75-100 мм и длиной более 200 мм.



Рис. 4.2. Схема установки для выращивания кристаллов по методу Чохральского.

Основным требованием к аппаратуре является обеспечение высокой термической и механической стабильности с целью поддержания оптимальных ростовых условий в течение всего процесса выращивания.

Наиболее важным вопросим в технологии кристаллов ГГГ для подложек эпитаксиальных пленок является обеспечение надлежащего качества, характеризующеюся отсутствием дефектов структурного происхождения на площади подложки.

1) В первую очередь при получении кристаллов с низкой плотностью дефектов типа включений исходные материалы должны быть высокой степени чистоты: чистота оксида галлия -- не менее 99,999%, оксида гадолиния -- не менее 99,999%. Но даже при выполнении этого условия для кристалла ГГГ характерны два типа включений. Это продукты разложения Gа₂О₃ и металлические частицы иридия -- продукты эрозии тигля. Процесс разложения оксида галлия и растворения иридия в расплаве может быть представлен следующим образом:

Gа₂О₃ - Gа₂О + О₂;

3Gd₂О₃ +(5-x) Gа₂О₃ + x Gа₂О > Gd_2yGa₁₀О_15-2x+2yv + (3-y) Gd₂О₃v;

Ir+O₂ - IrO₂ (раствор) - на стенке тигля,

IrO₂ (раствор) + Gа₂О > Irv + Gа₂О₃ - на фронте кристаллизации.

Для уменьшения степени разложения Gа₂О₃ рекомендуется проводить процесс выращивания в газовой смеси (азот + 2% кислорода). При этом количество включений такого типа минимизируется при достаточно большом времени жизни тигля [21].

2) Дефектами, приводящими к возникновению упругих напряжений, в кристаллах ГГГ являются сердечник и полосы роста. Они выявляются методами рентгеновской топографии или поляризованным светом. Дефект типа сердечника связан с образованием граней (фацет) (112) и (110) на поверхности раздела. Размер и форма фацет зависят от углов пересечения граней с поверхностью раздела. Фацеты отсутствуют на плоской поверхности раздела. Разница в постоянных решетки фацетированных и нефацетированных областей составляет 0,001 . В рабочей области подложки не должно быть границ фацет. Для выравнивания фронта кристаллизации при росте кристалла наряду с вращением кристалла и расплава необходимо снижать температурные градиенты в расплаве [22].

...