RU2168193C2

RU2168193C2 - Magnetooptical converter, process of film growing, method of visualization of inhomogeneous magnetic field (versions) and device for its embodiment

Info

Publication number: RU2168193C2
Application number: RU99107441A
Authority: RU
Inventors: М.Ю. Гусев; Ю.Ф. Козлов; Н.С. Неустроев; В.В. Рандошкин
Original assignee: Закрытое акционерное общество "Научно-исследовательский институт материаловедения"; Товарищество с ограниченной ответственностью "Рандошкин лимитед"
Priority date: 1999-04-07
Filing date: 1999-04-07
Publication date: 2001-05-27

Abstract

FIELD: magnetooptics. SUBSTANCE: monocrystalline film of iron garnet is deposited on transparent substrate in proposed magnetooptical converter. Film has such magnetic anisotropy that magnetization vectors in it deviate through angle of not more than 25 degrees in absence of magnetic field. After saturation of film along normal to it magnetic-field intensity amounts to 10 to 20000 Oe. EFFECT: enhanced sensitivity and spatial resolution with visualization of inhomogeneous magnetic field. 36 cl, 9 dwg

Description

Изобретение относится к области прикладной магнитооптики, в частности к магнитооптическим устройствам на базе эффекта Фарадея. Оно промышленно применимо при диагностике дефектов в особо ответственных металлических деталях и изделиях в целях отбраковки, профилактики аварийных ситуаций и расследовании причин аварии, производстве магнитотвердых, магнитомягких или немагнитных проводящих материалов и изделий из них, контроле и настройке магнитных головок, используемых в качестве средства записи на различные магнитные носители, криминалистической фоноскопии, контроле подлинности денежных купюр и других ценных бумаг по магнитному признаку, восстановлении частично разрушенной или утраченной информации на любых магнитных носителях, включая магнитные сигналограммы с "черного ящика", бесконтактном измерении электрического тока в высоковольтных линиях электропередач и сверхслабых распределений плотности тока в микросхемах, измерении электрических токов мельчайших кровеносных сосудов с помощью томографа, измерении магнитных полей в открытом космосе, а также в условиях сильной радиации и низких температурах, дистанционной регистрации геомагнитных аномалий, определении положения магнитной оси в ускорителях заряженных частиц и коллайдерах. The invention relates to the field of applied magneto-optics, in particular to magneto-optical devices based on the Faraday effect. It is industrially applicable in the diagnosis of defects in critical metal parts and products for rejection, prevention of emergencies and investigation of the causes of accidents, production of hard magnetic, soft magnetic or non-magnetic conductive materials and products from them, monitoring and tuning of magnetic heads used as recording means on various magnetic media, forensic phonoscopy, authentication of banknotes and other securities on a magnetic basis, restoration of partial but destroyed or lost information on any magnetic media, including magnetic signals from the black box, non-contact measurement of electric current in high-voltage power lines and ultra-weak current density distributions in microcircuits, measurement of electric currents of the smallest blood vessels with a tomograph, measurement of magnetic fields in an open space, as well as in conditions of strong radiation and low temperatures, remote registration of geomagnetic anomalies, determining the position of the magnetic axis particle accelerators and collider.

Известен магнитооптический преобразователь, выполненный в виде нанесенной на прозрачную подложку монокристаллической пленки феррит-граната, содержащего висмут и по крайней мере один редкоземельный элемент в додекаэдрической подрешетке, а также по крайней мере один элемент в тетра- и октаэдрической подрешетках, включая железо [Патент РФ N 2098856, МПК G 02 F 1/09] . Known magneto-optical Converter, made in the form of a single-crystal film of ferrite garnet deposited on a transparent substrate, containing bismuth and at least one rare-earth element in the dodecahedral sublattice, as well as at least one element in the tetra- and octahedral sublattices, including iron [RF Patent N N 2098856, IPC G 02 F 1/09].

Недостатком этого преобразователя являются недостаточно высокие чувствительность и пространственное разрешение при визуализации магнитного поля из-за одноосной магнитной анизотропии пленки и наличия в ней доменов, в которых вектора намагниченности направлены перпендикулярно плоскости пленки. The disadvantage of this converter is the insufficiently high sensitivity and spatial resolution when visualizing the magnetic field due to uniaxial magnetic anisotropy of the film and the presence of domains in it, in which the magnetization vectors are directed perpendicular to the plane of the film.

Наиболее близким к заявляемому является известный магнитооптический преобразователь, выполненный в виде нанесенной на прозрачную подложку монокристаллической пленки феррит-граната, содержащего висмут и по крайней мере один редкоземельный элемент в додекаэдрической подрешетке, а также по крайней мере один элемент в тетра- и октаэдрической подрешетках, включая железо [Патент РФ N 2092832, МПК G 01 N 27/90]. Closest to the claimed one is the known magneto-optical transducer made in the form of a single crystal ferrite garnet film deposited on a transparent substrate, containing bismuth and at least one rare-earth element in the dodecahedral sublattice, as well as at least one element in the tetra- and octahedral sublattices, including iron [RF Patent N 2092832, IPC G 01 N 27/90].

Недостатком этого преобразователя являются недостаточно высокие чувствительность и пространственное разрешение пленки при визуализации магнитного поля. The disadvantage of this converter is the insufficiently high sensitivity and spatial resolution of the film when visualizing the magnetic field.

Известен способ выращивания монокристаллической пленки феррит-граната на прозрачной подложке со структурой граната методом жидкофазной эпитаксии из переохлажденного раствора-расплава, шихта для приготовления которого содержит Fe₂O₃ и оксид редкоземельного элемента R₂O₃ [Лисовский Ф.В. Физика цилиндрических магнитных доменов. М.: Советское радио, 1979, с. 113-116].A known method of growing a single crystal film of ferrite garnet on a transparent substrate with a garnet structure by liquid phase epitaxy from a supercooled melt solution, the mixture for the preparation of which contains Fe ₂ O ₃ and rare earth oxide R ₂ O ₃ [Lisovsky F.V. Physics of cylindrical magnetic domains. M .: Soviet Radio, 1979, p. 113-116].

Недостатком этого способа по указанной причине являются недостаточно высокие чувствительность и пространственное разрешение пленки при визуализации магнитного поля. The disadvantage of this method for the indicated reason is the insufficiently high sensitivity and spatial resolution of the film when visualizing the magnetic field.

Наиболее близким к заявляемому является известный способ выращивания монокристаллической пленки феррит-граната на прозрачной подложке со структурой граната методом жидкофазной эпитаксии из переохлажденного раствора-расплава, шихта для приготовления которого содержит по меньшей мере Bi₂O₃, Fe₂O₃ и оксид редкоземельного элемента R₂O₃ [Рандошкин В.В., Червоненкис А.Я. Прикладная магнитооптика. М.: Энергоатомиздат, 1990, с. 92-100].Closest to the claimed is a known method of growing a single crystal film of ferrite garnet on a transparent substrate with a garnet structure by liquid phase epitaxy from a supercooled melt solution, the mixture for the preparation of which contains at least Bi ₂ O ₃ , Fe ₂ O ₃ and rare earth oxide R ₂ O ₃ [Randoshkin V.V., Chervonenkis A.Ya. Applied Magnetooptics. M .: Energoatomizdat, 1990, p. 92-100].

Недостатком этого прототипа по указанной причине являются недостаточно высокие чувствительность и пространственное разрешение пленки при визуализации магнитного поля. The disadvantage of this prototype for this reason is the insufficiently high sensitivity and spatial resolution of the film when visualizing the magnetic field.

Известен способ визуализации неоднородного магнитного поля, включающий помещение в это поле магнитооптического преобразователя, выполненного в виде нанесенной на прозрачную подложку пленки и регистрацию распределения векторов намагниченности по ее площади с помощью магнитооптического эффекта Фарадея [Патент РФ N 2017182, МПК G 02 F 1/09]. A known method for visualizing an inhomogeneous magnetic field, comprising placing a magneto-optical transducer in this field made in the form of a film deposited on a transparent substrate and recording the distribution of magnetization vectors over its area using the Faraday magneto-optical effect [RF Patent N 2017182, IPC G 02 F 1/09] .

Известен способ визуализации неоднородного магнитного поля, включающий помещение в это поле пленки, воздействие на нее импульсным магнитным полем, приложенным перпендикулярно плоскости пленки, и регистрацию распределения векторов намагниченности по ее площади с помощью магнитооптического эффекта при импульсной подсветке [Авторское свидетельство СССР N 1282204, МПК G 11 C 11/14]. A known method of visualizing an inhomogeneous magnetic field, comprising placing a film in this field, exposing it to a pulsed magnetic field applied perpendicular to the plane of the film, and registering the distribution of magnetization vectors over its area using the magneto-optical effect under pulsed illumination [USSR Author's Certificate N 1282204, IPC G 11 C 11/14].

Недостатком этого прототипа по указанной причине являются недостаточно высокие чувствительность и пространственное разрешение пленки при визуализации магнитного поля
Наиболее близким к заявляемому является известный способ визуализации неоднородного магнитного поля, включающий помещение в это поле магнитооптического преобразователя, выполненного в виде нанесенной на прозрачную подложку висмут-содержащей монокристаллической пленки феррит-граната и регистрацию распределения векторов намагниченности по ее площади с помощью магнитооптического эффекта Фарадея [Рандошкин В.В., Червоненкис А.Я. Прикладная магнитооптика. М.: Энергоатомиздат, 1990, с. 262-278].The disadvantage of this prototype for this reason is the insufficiently high sensitivity and spatial resolution of the film when visualizing the magnetic field
Closest to the claimed is a known method for visualizing an inhomogeneous magnetic field, comprising placing a magneto-optical transducer in this field made in the form of a bismuth-containing single-crystal ferrite garnet deposited on a transparent substrate and recording the distribution of magnetization vectors over its area using the magneto-optical Faraday effect [Randoshkin V.V., Chervonenkis A.Ya. Applied Magnetooptics. M .: Energoatomizdat, 1990, p. 262-278].

Известно устройство для визуализации неоднородного магнитного поля, содержащее оптически связанные источник плоскополяризованного света. Магнитооптический преобразователь, выполненный в виде нанесенной на прозрачную подложку магнитооптической пленки феррит- граната и анализатор [Дудоров В.Н. , Рандошкин В.В. Визуализатор магнитных полей. Приборы и техника эксперимента, 1994, N 3, с. 193-195]. A device for visualizing an inhomogeneous magnetic field containing an optically coupled source of plane-polarized light is known. Magneto-optical transducer made in the form of a magneto-optical garnet ferrite garnet deposited on a transparent substrate and an analyzer [V. Dudorov , Randoshkin V.V. Visualizer of magnetic fields. Instruments and experimental technique, 1994, N 3, p. 193-195].

Известно устройство для визуализации неоднородного магнитного поля, содержащее оптически связанные источник плоскополяризованного света, пленку, анализатор и блок регистрации [Патент РФ N 1813217, МПК G 11 B 11/14]. Оно содержит также источник постоянного магнитного поля, направленного параллельно плоскости пленки. A device for visualizing an inhomogeneous magnetic field containing an optically coupled source of plane-polarized light, a film, an analyzer and a registration unit [RF Patent N 1813217, IPC G 11 B 11/14]. It also contains a source of a constant magnetic field directed parallel to the plane of the film.

Известно устройство для визуализации неоднородного магнитного поля, содержащее оптически связанные источник плоскополяризованного света, магнитооптический преобразователь, анализатор и блок регистрации [Патент РФ N 2011187, МПК G 01 N 27/83]. Оно содержит также высокочастотный блок формирования вихревых токов. A device for visualizing an inhomogeneous magnetic field containing an optically coupled source of plane-polarized light, a magneto-optical converter, an analyzer and a registration unit [RF Patent N 2011187, IPC G 01 N 27/83]. It also contains a high-frequency eddy current generating unit.

Известно устройство для визуализации неоднородного магнитного поля, содержащее источник подсветки и магнитооптический преобразователь и блок регистрации [Патент РФ N 2092832, МПК G 01 N 27/90]. Оно содержит также блок возбуждения вихревых токов, а источник подсветки выполнен импульсным и синхронизован с устройством возбуждения вихревых токов. A device for visualizing an inhomogeneous magnetic field containing a backlight and a magneto-optical converter and a registration unit [RF Patent N 2092832, IPC G 01 N 27/90]. It also contains an eddy current excitation unit, and the backlight is made pulsed and synchronized with the eddy current excitation device.

Наиболее близким к заявляемому является известное устройство для визуализации неоднородного магнитного поля, содержащее оптически связанные источник плоскополяризованного света, магнитооптический преобразователь, выполненный в виде нанесенной на прозрачную подложку монокристаллической пленки феррит-граната, анализатор и блок регистрации [Патент РФ N 2047170, МПК G 01 N 27/84]. Closest to the claimed is a known device for visualizing an inhomogeneous magnetic field, containing an optically coupled source of plane-polarized light, a magneto-optical transducer made in the form of a single-crystal ferrite garnet film deposited on a transparent substrate, an analyzer and a registration unit [RF Patent N 2047170, IPC G 01 N 27/84].

Недостатком всех известных устройств по указанной причине являются недостаточно высокие чувствительность и пространственное разрешение пленки при визуализации магнитного поля. The disadvantage of all known devices for this reason is the insufficiently high sensitivity and spatial resolution of the film when visualizing the magnetic field.

С помощью заявляемого изобретения решается техническая задача повышения чувствительности и пространственного разрешения при визуализации неоднородного магнитного поля. Using the claimed invention solves the technical problem of increasing the sensitivity and spatial resolution when visualizing an inhomogeneous magnetic field.

Поставленная задача решается тем, что в известном магнитооптическом преобразователе, выполненном в виде нанесенной на прозрачную подложку монокристаллической пленки феррит-граната, содержащего висмут и по крайней мере один редкоземельный элемент в додекаэдрической подрешетке, а также по крайней мере один элемент в тетра- и октаэдрической подрешетках, включая железо, пленка выполнена с такой магнитной анизотропией, что вектора намагниченности в пленке в отсутствие магнитного поля отклоняются от ее плоскости на угол не более 25^o, а поле насыщения пленки H_s вдоль нормали к ней составляет от 10 до 20000 Э.The problem is solved in that in the known magneto-optical transducer made in the form of a single crystal ferrite garnet film deposited on a transparent substrate, containing bismuth and at least one rare-earth element in the dodecahedral sublattice, as well as at least one element in the tetra- and octahedral sublattices , including iron, the film is made with such magnetic anisotropy that the magnetization vectors in the film in the absence of a magnetic field deviate from its plane by an angle of no more than 25 ^o , and the field the saturation of the film H _s along the normal to it is from 10 to 20,000 E.

В частности, содержание Bi в додекаэдрической подрешетке может составлять от 0,5 до 2,0 атомов на формульную единицу граната. In particular, the Bi content in the dodecahedral sublattice can be from 0.5 to 2.0 atoms per garnet formula unit.

В частности, в качестве редкоземельного элемента в додекаэдрическую подрешетку может входить Nd и/или Pr в концентрации не более 0,2 атома на формульную единицу граната. In particular, as a rare-earth element, Nd and / or Pr in a concentration of not more than 0.2 atoms per grenade formula unit can enter the dodecahedral sublattice.

В частности, в качестве редкоземельного элемента в додекаэдрическую подрешетку может входить по меньшей мере один из элементов из группы Lu, Yb, Tm, Er, Y, Ho, Dy, Tb, Gd, Eu, Sm и La. In particular, at least one of the elements of the group Lu, Yb, Tm, Er, Y, Ho, Dy, Tb, Gd, Eu, Sm, and La can be included in the dodecahedral sublattice as a rare-earth element.

В частности, в пленку могут входить разновалентные ионы в концентрации, обеспечивающей зарядовую компенсацию, ионы Pt⁴⁺ и вакансии или ионы Pb²⁺ и Pb⁴⁺.In particular, multivalent ions in a concentration providing charge compensation, Pt ⁴⁺ ions, and vacancies or Pb ²⁺ and Pb ⁴⁺ ions can enter the film.

В частности, в пленку могут входить Ca и по меньшей мере один элемент из группы Ge, Si и V. In particular, Ca and at least one element from the group of Ge, Si, and V can enter the film.

В частности, в октаэдрическую подрешетку могут входить Sc и/или In в концентрации не более 0,5 атома на формульную единицу граната, Ga и/или Al в концентрации не более 1,5 атома на формульную единицу граната. In particular, Sc and / or In can be included in the octahedral sublattice at a concentration of not more than 0.5 atoms per formula unit of garnet, Ga and / or Al in a concentration of not more than 1.5 atoms per formula unit of garnet.

В частности, прозрачная подложка может быть выполнена из монокристалла граната Gd₃Ga₅O₁₂, Nd₃Ga₅O₁₂, Sm₃Ga₅O₁₂, (Gd,Ca)₃(Zr,Mg,Ga)₅O₁₂, Ca₃(Nb, Ga)₅O₁₂ или Ca₃(Nb, Ge, Ga)₅O₁₂ с ориентацией (111), (110), (100), (210), (211), (311), (411) или (511).In particular, the transparent substrate can be made of a single crystal of garnet Gd ₃ Ga ₅ O ₁₂ , Nd ₃ Ga ₅ O ₁₂ , Sm ₃ Ga ₅ O ₁₂ , (Gd, Ca) ₃ (Zr, Mg, Ga) ₅ O ₁₂ , Ca ₃ (Nb, Ga) ₅ O ₁₂ or Ca ₃ (Nb, Ge, Ga) ₅ O ₁₂ with the orientations (111), (110), (100), (210), (211), (311), (411 ) or (511).

В частности, на поверхность монокристаллической пленки феррит-граната может быть нанесено зеркальное покрытие, выполненное в виде диэлектрического зеркала, из Al, Rh, Pt, Au, Zr, Ta, Ag, Cu или Pd. In particular, a mirror coating made in the form of a dielectric mirror of Al, Rh, Pt, Au, Zr, Ta, Ag, Cu or Pd can be applied to the surface of a single-crystal film of ferrite garnet.

В частности, на поверхность зеркального покрытия может быть нанесено защитное покрытие, выполненное из Al₂O₃, Ti₃N₄, C, SiO₂ или Si₃N₄.In particular, a protective coating made of Al ₂ O ₃ , Ti ₃ N ₄ , C, SiO ₂ or Si ₃ N ₄ can be applied to the surface of the mirror coating.

В частности, на поверхность прозрачной подложки может быть нанесено просветляющее покрытие. In particular, an antireflection coating may be applied to the surface of the transparent substrate.

В частности, рассогласование параметров решеток пленки и подложки может составлять от -0,0020 до +0,0040 нм. In particular, the mismatch of the lattice parameters of the film and the substrate can be from -0.0020 to +0.0040 nm.

Поставленная задача решается также тем, что в известном способе выращивания монокристаллической пленки феррит-граната на прозрачной подложке со структурой граната методом жидкофазной эпитаксии из переохлажденного раствора-расплава, шихта для приготовления которого содержит по меньшей мере Bi₂O₃, Fe₂O₃ и оксид редкоземельного элемента R₂O₃, температура роста составляет от 620 до 950^oC, а компоненты шихты содержатся в следующем отношении, мол.%:
Bi₂O₃ - 30,0 - 90,0
Fe₂O₃ - 5,0 - 15,0
R₂O₃ - 0,1 - 1,5
В частности, шихта может дополнительно содержать B₂O₃ в концентрации не более 10 мол.%, PbO в концентрации не более 90 мол.%, K₂O и/или Li₂O в концентрации не более 10 мол.%, CaO в концентрации не более 10 мол.%.The problem is also solved by the fact that in the known method of growing a single crystal film of ferrite garnet on a transparent substrate with a garnet structure by liquid phase epitaxy from a supercooled melt solution, the mixture for the preparation of which contains at least Bi ₂ O ₃ , Fe ₂ O ₃ and oxide rare earth element R ₂ O ₃ , the growth temperature is from 620 to 950 ^o C, and the components of the mixture are contained in the following ratio, mol.%:
Bi ₂ O ₃ - 30.0 - 90.0
Fe ₂ O ₃ - 5.0 - 15.0
R ₂ O ₃ - 0.1 - 1.5
In particular, the mixture may additionally contain B ₂ O ₃ in a concentration of not more than 10 mol.%, PbO in a concentration of not more than 90 mol.%, K ₂ O and / or Li ₂ O in a concentration of not more than 10 mol.%, CaO in concentration of not more than 10 mol.%.

В частности, подложку в растворе-расплаве можно вращать со скоростью не более 200 об/мин, а также менять направление вращения подложки на противоположное через промежуток времени от 1 до 2000 с. In particular, the substrate in the melt solution can be rotated at a speed of no more than 200 rpm, and also change the direction of rotation of the substrate in the opposite direction after a period of time from 1 to 2000 s.

Поставленная задача решается также тем, что в известном способе визуализации неоднородного магнитного поля, включающем помещение в это поле магнитооптического преобразователя, выполненного в виде нанесенной на прозрачную подложку висмут-содержащей монокристаллической пленки феррит-граната и регистрацию распределения векторов намагниченности по ее площади с помощью магнитооптического эффекта Фарадея, в визуализируемое магнитное поле помещают магнитооптический преобразователь, в котором пленка выполнена с такой магнитной анизотропией, что вектора намагниченности в пленке в отсутствие магнитного поля отклоняются от ее плоскости на угол не более 25^o.The problem is also solved by the fact that in the known method of visualizing an inhomogeneous magnetic field, comprising placing a magneto-optical transducer in this field made in the form of a bismuth-containing single-crystal ferrite garnet deposited on a transparent substrate and registering the distribution of magnetization vectors over its area using the magneto-optical effect Faraday, a magneto-optical transducer is placed in a visualized magnetic field, in which the film is made with such a magnetic anisotr Pia that the magnetization vector in the film in the absence of the magnetic field deviates from its plane at an angle of not more than 25 ^o.

В частности, при регистрации распределения векторов намагниченности по площади висмут-содержащей монокристаллической пленки феррит-граната с помощью магнитооптического эффекта Фарадея плоскополяризованный свет можно направлять перпендикулярно плоскости пленки. In particular, when recording the distribution of magnetization vectors over the area of a bismuth-containing single-crystal film of ferrite garnet using the magneto-optical Faraday effect, plane-polarized light can be directed perpendicular to the plane of the film.

В частности, в визуализируемое магнитное поле можно помещать магнитооптический преобразователь, в котором параметры пленки K_u и 4πM_s и максимальная напряженность H_max визуализируемого магнитного поля связаны соотношением H_max<2K_u/M_s+4πM_s , где K_u - разность энергий магнитной анизотропией при ориентации векторов намагниченности в плоскости пленки и перпендикулярно ей, 4πM_s - намагниченность насыщения. В частности, регистрацию распределения векторов намагниченности с помощью магнитооптического эффекта Фарадея можно осуществлять при импульсной подсветке магнитооптического преобразователя.In particular, a magneto-optical transducer can be placed in a visualized magnetic field, in which the film parameters K _u and 4πM _s and the maximum intensity H _{max of the} visualized magnetic field are related by the relation H _max <2K _u / M _s + 4πM _s , where K _u is the difference of the magnetic energies anisotropy with the orientation of the magnetization vectors in the plane of the film and perpendicular to it, 4πM _s is the saturation magnetization. In particular, the distribution of the magnetization vectors using the magneto-optical Faraday effect can be recorded with pulsed illumination of the magneto-optical converter.

В частности, импульсы света можно направлять на магнитооптический преобразователь синхронно с визуализируемым импульсным или переменным магнитным полем. In particular, light pulses can be directed to a magneto-optical transducer synchronously with a visualized pulsed or alternating magnetic field.

Поставленная задача решается также тем, что в известном способе визуализации неоднородного магнитного поля, включающий помещение в это поле магнитооптического преобразователя, выполненного в виде нанесенной на прозрачную подложку висмут-содержащей монокристаллической пленки феррит-граната и регистрацию распределения векторов намагниченности по ее площади с помощью магнитооптического эффекта Фарадея, отличающийся тем, что в визуализируемое магнитное поле помещают магнитооптический преобразователь, в котором пленка выполнена с такой магнитной анизотропией, что вектора намагниченности в пленке в отсутствие магнитного поля отклоняются от ее плоскости на угол не более 25^o, на пленку дополнительно воздействуют импульсным магнитным полем, приложенным перпендикулярно плоскости пленки, а регистрацию распределения векторов намагниченности осуществляют путем импульсной подсветки пленки синхронно с воздействием импульсным полем.The problem is also solved by the fact that in the known method of visualizing an inhomogeneous magnetic field, comprising placing a magneto-optical transducer in this field made in the form of a bismuth-containing single-crystal ferrite garnet deposited on a transparent substrate and recording the distribution of magnetization vectors over its area using the magneto-optical effect Faraday, characterized in that a magneto-optical transducer in which the film is made with second magnetic anisotropy that the magnetization vector in the film in the absence of the magnetic field deviates from its plane at an angle of not more than 25 ^o, in the film additionally act the pulse magnetic field applied perpendicular to the film plane, and the distribution of the vector register magnetization performed by the pulse film backlight synchronously with exposure impulse field.

Поставленная задача решается также тем, что в известном устройстве для визуализации неоднородного магнитного поля, содержащем оптически связанные источник плоскополяризованного света, магнитооптический преобразователь, выполненный в виде нанесенной на прозрачную подложку монокристаллической пленки феррит-граната, анализатор и блок регистрации, пленка в магнитооптическом преобразователе выполнена с такой магнитной анизотропией, что вектора намагниченности в пленке в отсутствие магнитного поля отклоняются от ее плоскости на угол не более 25^o.The problem is also solved by the fact that in the known device for visualizing an inhomogeneous magnetic field containing an optically coupled source of plane-polarized light, a magneto-optical transducer made in the form of a single-crystal ferrite garnet film deposited on a transparent substrate, an analyzer and a recording unit, the film in a magneto-optical transducer is made with such magnetic anisotropy that the magnetization vectors in the film in the absence of a magnetic field deviate from its plane by an angle n e more than 25 ^o .

В частности, оно дополнительно может содержать источник постоянного или импульсного магнитного поля, направленного параллельно и/или перпендикулярно плоскости пленки, источник постоянного или импульсного тока или высокочастотный блок формирования вихревых токов. При этом источник света может быть выполнен импульсным и синхронизован с источником импульсного магнитного поля, источником импульсного тока и/или высокочастотным блоком формирования вихревых токов. In particular, it may further comprise a source of constant or pulsed magnetic field directed parallel and / or perpendicular to the plane of the film, a source of constant or pulsed current or a high-frequency eddy current generating unit. In this case, the light source can be pulsed and synchronized with a pulsed magnetic field source, a pulsed current source and / or a high-frequency eddy current generating unit.

В частности, блок регистрации может содержать видеокамеру на основе ПЗС-матрицы, связанную с персональным компьютером. In particular, the registration unit may comprise a CCD-based video camera coupled to a personal computer.

Заявляемое изобретение, представляющее собой элемент устройства, способ его изготовления, варианты способа использования этого элемента и устройство на его основе, связаны единым изобретательским замыслом. The claimed invention, which is an element of a device, a method for its manufacture, variants of a method for using this element and a device based on it, are connected by a single inventive concept.

В прототипе о неоднородном магнитном поле судят по конфигурации доменной структуры, тогда как в заявляемом изобретении - по распределению угла выхода намагниченности из плоскости пленки по ее поверхности. Пленка в прототипе при перемагничивании магнитным полем, приложенным перпендикулярно плоскости пленки, обладает гистерезисом. В заявляемом изобретении в отсутствие внешнего магнитного поля вектора намагниченности лежат в плоскости пленки. В результате угол поворота плоскости поляризации света, проходящего по нормали через пленку, равен нулю, несмотря на гигантское фарадеевское вращение в пленке. При перемагничивании она не обладает гистерезисом, поскольку он не характерен для процесса вращения намагниченности. In the prototype, an inhomogeneous magnetic field is judged by the configuration of the domain structure, while in the claimed invention, by the distribution of the angle of exit of the magnetization from the plane of the film over its surface. The film in the prototype during magnetization reversal by a magnetic field applied perpendicular to the plane of the film, has a hysteresis. In the claimed invention, in the absence of an external magnetic field, the magnetization vectors lie in the plane of the film. As a result, the angle of rotation of the plane of polarization of the light passing along the normal through the film is zero, despite the giant Faraday rotation in the film. During magnetization reversal, it does not have hysteresis, since it is not characteristic of the process of magnetization rotation.

Приложение даже достаточно малого магнитного поля приводит к выходу векторов намагниченности из плоскости пленки. Как следствие, угол поворота плоскости поляризации света, проходящего через пленку, становится отличным от нуля. Угол поворота плоскости поляризации Φ_F увеличивается с ростом поля смещения практически по линейному закону до тех пор, пока пленка не намагнитится до насыщения, а угол выхода намагниченности станет равным 90^o. При дальнейшем увеличении поля смещения угол поворота плоскости поляризации света остается неизменным. При подсветке белым светом цвет пленки изменяется по ее поверхности (при монохроматической подсветке - интенсивность проходящего света). Другими словами, если в прототипе абсолютное значение локального угла поворота плоскости поляризации не зависит от внешнего магнитного поля (в зависимости от поля изменяется только размер доменов), то в заявляемом магнитооптическом преобразователе оно в первом приближении линейно зависит от внешнего магнитного поля и достигает максимума, когда вектора намагниченности полностью выходят из плоскости пленки и выстраиваются перпендикулярно к ней.The application of even a sufficiently small magnetic field leads to the exit of the magnetization vectors from the plane of the film. As a result, the angle of rotation of the plane of polarization of the light passing through the film becomes nonzero. The angle of rotation of the plane of polarization Φ _F increases with increasing displacement field almost linearly until the film is magnetized to saturation, and the angle of exit of the magnetization becomes 90 ^o . With a further increase in the bias field, the angle of rotation of the plane of polarization of light remains unchanged. When illuminated with white light, the color of the film changes along its surface (with monochromatic illumination, the intensity of transmitted light). In other words, if in the prototype the absolute value of the local angle of rotation of the plane of polarization does not depend on the external magnetic field (only the size of the domains changes depending on the field), then in the inventive magneto-optical transducer it linearly depends on the external magnetic field in the first approximation and reaches a maximum when The magnetization vectors completely leave the plane of the film and line up perpendicular to it.

Поскольку заявляемый магнитооптический преобразователь реагирует на слабое внешнее магнитное поле небольшим поворотом векторов намагниченности, то его чувствительность намного выше, чем в прототипе, где она ограничивается коэрцитивной силой. Пространственное разрешение в прототипе ограничивает размер доменов. Since the inventive magneto-optical converter responds to a weak external magnetic field by a small rotation of the magnetization vectors, its sensitivity is much higher than in the prototype, where it is limited by coercive force. The spatial resolution in the prototype limits the size of the domains.

В дальнейшем изобретение поясняется чертежами, описанием конкретных вариантов его выполнения со ссылками на сопутствующие чертежи, на которых:
фиг. 1 изображает магнитооптический преобразователь;
фиг. 2 изображает зависимость угла поворота плоскости поляризации Φ_F, прошедшего через магнитооптический преобразователь света от магнитного поля H_⊥, приложенного перпендикулярно плоскости пленки;
фиг. 3 и 4 изображают варианты устройства для визуализации неоднородного магнитного поля;
фиг. 5-9 изображают примеры визуализируемых магнитооптических изображений.Further, the invention is illustrated by drawings, a description of specific options for its implementation with reference to the accompanying drawings, in which:
FIG. 1 shows a magneto-optical transducer;
FIG. 2 shows the dependence of the angle of rotation of the plane of polarization Φ _F passing through a magneto-optical light converter on a magnetic field H _прилож applied perpendicular to the film plane;
FIG. 3 and 4 show variants of a device for visualizing an inhomogeneous magnetic field;
FIG. 5-9 depict examples of rendered magneto-optical images.

Магнитооптический преобразователь (фиг. 1) содержит прозрачную подложку 1, на которую нанесена монокристаллическая пленка феррит-граната 2. На поверхность пленки 2 нанесены зеркальное покрытие 3 и защитное покрытие 4, а на поверхность подложки 1 - просветляющее покрытие 5. Магнитооптический преобразователь расположен на поверхности исследуемого объекта 6, выполненного из магнитотвердого материала. The magneto-optical transducer (Fig. 1) contains a transparent substrate 1 on which a single-crystal film of ferrite garnet is deposited 2. A mirror coating 3 and a protective coating 4 are applied to the surface of the film 2, and an antireflection coating 5 is applied to the surface of the substrate 1. The magneto-optical transducer is located on the surface the investigated object 6, made of hard magnetic material.

По зависимости угла поворота плоскости поляризации Φ_F, прошедшего через магнитооптический преобразователь света от магнитного поля H_⊥ , приложенного по нормали к плоскости пленки 2, определяли поле насыщения пленки H_s, как показано на фиг. 2.From the dependence of the angle of rotation of the plane of polarization Φ _F passing through the magneto-optical light converter on the magnetic field H _⊥ applied normal to the plane of the film 2, the saturation field of the film H _{s was} determined, as shown in FIG. 2.

Простейшее устройство для визуализации неоднородного магнитного поля (фиг. 3) содержит источник света 7, поляризатор 8, полупрозрачное зеркало 9, объектив 10, магнитооптический преобразователь 11 (фиг. 1), анализатор 12 и окуляр 13. The simplest device for visualizing an inhomogeneous magnetic field (Fig. 3) contains a light source 7, a polarizer 8, a translucent mirror 9, a lens 10, a magneto-optical transducer 11 (Fig. 1), an analyzer 12, and an eyepiece 13.

Магнитооптический преобразователь 11 помещают вблизи поверхности исследуемого объекта 6, магнитные поля рассеяния изменяют угол выхода векторов намагниченности из плоскости пленки 2. Для визуализации распределения векторов намагниченности свет от источника 7, последовательно проходя через поляризатор 8, полупрозрачное зеркало 9 и объектив 10, падает перпендикулярно плоскости пленки 2 в магнитооптическом преобразователе 11. Отразившись от зеркального покрытия 3 и полупрозрачного зеркала 9, свет проходит анализатор 12 и окуляр 13, на выходе которого формируется изображение распределения векторов намагниченности плоскости пленки 2. The magneto-optical transducer 11 is placed near the surface of the investigated object 6, the magnetic scattering fields change the angle of exit of the magnetization vectors from the plane of the film 2. To visualize the distribution of the magnetization vectors, the light from the source 7, passing sequentially through the polarizer 8, a translucent mirror 9 and the lens 10, falls perpendicular to the film plane 2 in the magneto-optical transducer 11. Reflected from the mirror coating 3 and the translucent mirror 9, the light passes through the analyzer 12 and the eyepiece 13, at the output of An image of the distribution of the magnetization vectors of the film plane 2 is formed.

В тех случаях, когда на исследуемый объект 6 (выполненный из магнитомягкого или немагнитного проводящего материала) оказывается внешнее воздействие, то для регистрации результата воздействия целесообразно использовать дифференциальную схему (фиг. 4). Свет после полупрозрачного зеркала 9 с помощью полупрозрачной пластины 14 разделяется на два одинаковых луча (два канала). В каждом канале на пути луча света расположены анализатор 12 и линза 15. С помощью зеркала 16 изображение распределения векторов намагниченности по площади пленки 2 направляется на видеокамеру 17 на основе ПЗС-матрицы. После обработки сигнала с помощью видеоплаты 18 разностное изображение наблюдается на экране персонального компьютера 19. In those cases when the studied object 6 (made of soft magnetic or non-magnetic conductive material) is externally exposed, it is advisable to use a differential circuit to record the result of the action (Fig. 4). The light after the translucent mirror 9 using a translucent plate 14 is divided into two identical beams (two channels). An analyzer 12 and a lens 15 are located in each channel on the path of the light beam. Using a mirror 16, an image of the distribution of magnetization vectors over the area of the film 2 is sent to a video camera 17 based on a CCD matrix. After processing the signal using the video card 18, the differential image is observed on the screen of the personal computer 19.

На фиг. 3 и 4 не показаны источники магнитного поля, импульсов тока и блока формирования вихревых токов. In FIG. 3 and 4, sources of the magnetic field, current pulses, and eddy current generation unit are not shown.

На подложке Gd₃Ga₅O₁₂ с ориентацией (110) выращена монокристаллическая пленка Bi_1.0Lu_2.0Fe_4.1Ga_0.9O₁₂ (без учета микропримесей и вакансий). Шихта содержала компоненты в следующем отношении, мол.%: Lu₂O₃ - 0,56; Bi₂O₃ - 30,50; Fe₂O₃ - 7,00; Ga₂O₃ - 1,33; B₂O₃ - 4,23; PbO - 56,38. Температура роста составляла 713^oC, скорость вращения подложки - 60 об/мин, период реверса - 5 с. Монокристаллическая пленка обладала следующими параметрами: толщина пленки h = 2.0 мкм, H_s = 570 Э, 4πM_s = 490 Гс.A single crystal Bi _1.0 Lu _2.0 Fe _4.1 Ga _0.9 O ₁₂ film was grown on a Gd ₃ Ga ₅ O ₁₂ substrate with a (110) orientation (excluding microimpurities and vacancies). The mixture contained components in the following respect, mol.%: Lu ₂ O ₃ - 0.56; Bi ₂ O ₃ - 30.50; Fe ₂ O ₃ - 7.00; Ga ₂ O ₃ - 1.33; B ₂ O ₃ - 4.23; PbO - 56.38. The growth temperature was 713 ^° C, the substrate rotation speed was 60 rpm, and the reverse period was 5 s. The single-crystal film had the following parameters: film thickness h = 2.0 μm, H _s = 570 Oe, 4πM _s = 490 G.

На фиг. 5 показано черно-белое магнитооптическое изображение фрагмента аудиозаписи с обычной магнитофонной лентой. Цветное изображение содержит последовательность цветных линий (коричневых, желтых, зеленых с различными оттенками) разной ширины с размытыми границами на желто-зеленом фоне. Динамический диапазон составляет не менее 56 дБ. In FIG. 5 shows a black and white magneto-optical image of a fragment of an audio recording with a conventional tape. The color image contains a sequence of colored lines (brown, yellow, green with various shades) of different widths with blurry borders on a yellow-green background. The dynamic range is at least 56 dB.

На фиг. 6 показано магнитооптическое изображение записи на дефектном гибком магнитном диске. Длинные изогнутые линии соответствуют дефектам поверхности дискеты. Вертикальные линии, образующие горизонтальные дорожки, соответствуют записываемой информации. In FIG. 6 shows a magneto-optical image of a recording on a defective floppy disk. Long curved lines correspond to surface defects on a floppy disk. The vertical lines forming the horizontal tracks correspond to the recorded information.

На фиг. 7 приведено магнитооптическое изображение цифровой аудиозаписи в R-DAT стандарте. In FIG. 7 shows a magneto-optical image of digital audio in the R-DAT standard.

На фиг. 8 приведено магнитооптическое изображение фрагмента записи и вспомогательных меток на жестком магнитном диске. Минимальная ширина визуализированных линий составляет менее 0,7 мкм. In FIG. Figure 8 shows a magneto-optical image of a recording fragment and auxiliary marks on a hard magnetic disk. The minimum width of the rendered lines is less than 0.7 microns.

На фиг. 9 приведено магнитооптическое изображение расширителя ЦМД-микросхемы емкостью 256 кбит (ЦМД - цилиндрический магнитный домен). Управляющие элементы ЦМД-микросхемы выполнены из пермаллоя, который в отсутствие внешнего магнитного поля не создает магнитных полей рассеяния. В связи с этим в эксперименте использовалась "магнитная подсветка": к ЦМД-микросхеме прикладывалось постоянное магнитное поле. В результате на краях пермаллоевых элементов создаются поля рассеяния, которые и визуализируются с помощью магнитооптического преобразователя. Как следствие, эти элементы становятся "видимыми". In FIG. Figure 9 shows a magneto-optical image of a 256 kbps CMD-chip expander (CMD is a cylindrical magnetic domain). The control elements of the CMD microcircuit are made of permalloy, which in the absence of an external magnetic field does not create magnetic fields of scattering. In this connection, “magnetic illumination” was used in the experiment: a constant magnetic field was applied to the CMD microcircuit. As a result, scattering fields are created at the edges of the permalloy elements, which are visualized using a magneto-optical transducer. As a result, these elements become "visible."

О чувствительности заявляемого преобразователя свидетельствует тот факт, что визуализируются домены шириной около 3 мкм в ЦМД-пленке, несмотря на то, что эта пленка и Вс-МПФГ разделены несколькими защитными слоями и зеркальным слоем. The sensitivity of the claimed transducer is evidenced by the fact that domains with a width of about 3 μm are visualized in a CMD film, despite the fact that this film and Vs-MPFG are separated by several protective layers and a mirror layer.

Процесс вращения векторов намагниченности протекает за короткое время (порядка 10 нс и менее), поэтому заявляемое изобретение может быть использовано не только при визуализации статических, но быстроменяющихся магнитных полей. The process of rotation of the magnetization vectors proceeds in a short time (of the order of 10 ns or less), therefore, the claimed invention can be used not only for visualization of static, but rapidly changing magnetic fields.

Claims

1. A magneto-optical transducer made in the form of a single-crystal ferrite garnet film deposited on a transparent substrate containing bismuth and at least one rare-earth element in the dodecahedral sublattice, as well as at least one element in the tetra- and octahedral sublattices, including iron, characterized in that the film is made with such magnetic anisotropy that the magnetization vectors in the film in the absence of a magnetic field deviate from its plane by an angle of no more than 25 ^o , and the saturation field of the film H _s along Ormal to it is from 10 to 20,000 E.

2. The Converter according to claim 1, characterized in that the Bi content in the dodecahedral sublattice is from 0.5 to 2.0 atoms per grenade formula unit.

3. The converter according to claim 1, characterized in that at least one of the Nd and Pr elements in a concentration of not more than 0.2 atom per grenade formula unit is included in the dodecahedral sublattice as a rare-earth element.

4. The converter according to claim 1, characterized in that at least one of the elements from the group Lu, Yb, Tm, Er, Y, Ho, Dy, Tb, Gd, Eu, Sm, and as a rare-earth element in the dodecahedral sublattice includes La.

5. The Converter according to claim 1, characterized in that the film includes multivalent ions in a concentration that provides charge compensation.

6. The Converter according to claim 5, characterized in that the film includes Pt ⁴⁺ ions and vacancies.

7. The Converter according to claim 5, characterized in that the film includes Pb ²⁺ and Pb ⁴⁺ ions.

8. The Converter according to claim 5, characterized in that the film includes Ca and at least one element from the group of Ge, Si and V.

9. The Converter according to claim 1, characterized in that the octahedral sublattice includes at least one of the elements Sc and In at a concentration of not more than 0.5 atom per formula unit of garnet.

10. The Converter according to claim 1, characterized in that the octa and tetrahedral sublattices include at least one of the elements Ga and Al in a concentration of not more than 1.5 atoms per formula unit of garnet.

11. The Converter according to claim 1, characterized in that the transparent substrate is made of a garnet single crystal of one of the compositions of the group Gd ₃ Ga ₅ O ₁₂ , Nd ₃ Ga ₅ O ₁₂ , Sm ₃ Ga ₅ O ₁₂ , (Gd, Ca) ₃ (Zr, Mg, Ga) ₅ O ₁₂ , Ca ₃ (Nb, Ga) ₅ O ₁₂ or Ca ₃ (Nb, Ge, Ga) ₅ O ₁₂ with the orientation (111) or (110) or (100) or (210 ) or (211) or (311) or (411) or (511).

12. The Converter according to p. 1, characterized in that on the surface of the single crystal film of ferrite garnet, a mirror coating is applied, made in the form of a dielectric mirror.

13. The converter according to claim 1, characterized in that a mirror coating made of Al, Rh, Pt, Au, Zr, Ta, Ag, Cu or Pd is applied to the surface of a single crystal ferrite garnet film.

14. The Converter according to claim 1, characterized in that the surface of the mirror coating is coated with a protective coating made of Al ₂ O ₃ , Ti ₃ N ₄ , C, SiO ₂ or Si ₃ N ₄ .

15. The Converter according to claim 1, characterized in that an antireflective coating is applied to the surface of the transparent substrate.

16. The Converter according to claim 1, characterized in that the mismatch of the lattice parameters of the film and the substrate is from -0.0020 to +0.0040 nm.

17. A method of growing a single crystal film of ferrite garnet on a transparent substrate with a garnet structure by liquid phase epitaxy from a supercooled melt solution, the mixture for the preparation of which contains at least Bi ₂ O ₃ , Fe ₂ O ₃ and rare earth oxide R ₂ O ₃ , characterized in that the growth temperature is from 620 to 950 ^o C, and the components of the mixture are contained in the following ratio, mol.%:
Bi ₂ O ₃ - 30.0 - 90.0
Fe ₂ O ₃ - 5.0 - 15.0
R ₂ O ₃ - 0.1 - 1.5
18. The method according to 17, characterized in that the mixture further comprises B ₂ O ₃ in a concentration of not more than 10 mol.%.

19. The method according to 17, characterized in that the mixture further comprises PbO.

20. The method according to 17, characterized in that the mixture further comprises K ₂ O and / or Li ₂ O in a concentration of not more than 10 mol.%.

21. The method according to 17, characterized in that the mixture further comprises CaO in a concentration of not more than 10 mol.%.

22. The method according to 17, characterized in that the substrate in the melt solution is rotated at a speed of not more than 200 rpm

23. The method according to 17, characterized in that the direction of rotation of the substrate is reversed after a period of time from 1 to 2000 s.

24. A method for visualizing an inhomogeneous magnetic field, comprising placing a magneto-optical transducer in this field made in the form of a bismuth-containing single-crystal ferrite garnet film deposited on a transparent substrate and recording the distribution of magnetization vectors over its area using the Faraday magneto-optical effect, characterized in that a visualized magnetic field is placed magneto-optical transducer, in which the film is made with such magnetic anisotropy that the magnetization vector and in the film in the absence of a magnetic field deviate from its plane by an angle of not more than 25 ^o .

25. The method according to paragraph 24, wherein when registering the distribution of the magnetization vectors over the area of the bismuth-containing single crystal film of ferrite garnet using the magneto-optical Faraday effect, plane-polarized light is directed perpendicular to the plane of the film.

26. The method according to paragraph 24, wherein the magnetized optical transducer is placed in the visualized magnetic field, in which the film parameters K _u and 4πM _s and the maximum intensity H _{max of the} visualized magnetic field are related by the ratio H _max <2K _u / M _s + 4πM _s , where K _u is the energy difference by magnetic anisotropy with the orientation of the magnetization vectors in the film plane and perpendicular to it, 4πM _s is the saturation magnetization.

27. The method according to p. 24, characterized in that the registration of the distribution of the magnetization vectors using the magneto-optical Faraday effect is carried out with pulsed illumination of the magneto-optical converter.

28. The method according to item 27, wherein the pulses of light are sent to a magneto-optical transducer in synchronization with a visualized pulsed or variable magnetic field.

29. A method for visualizing an inhomogeneous magnetic field, comprising placing a magneto-optical transducer in this field made in the form of a bismuth-containing single-crystal film of ferrite garnet deposited on a transparent substrate and registering the distribution of magnetization vectors over its area using the Faraday magneto-optical effect, characterized in that a visualized magnetic field is placed magneto-optical transducer, in which the film is made with such magnetic anisotropy that the magnetization vector and in the film in the absence of a magnetic field they deviate from its plane by an angle of no more than 25 ^° , the film is additionally exposed to a pulsed magnetic field applied perpendicular to the plane of the film, and the distribution of the magnetization vectors is recorded by pulsed illumination of the film in synchronization with the action of the pulsed field.

30. A device for visualizing an inhomogeneous magnetic field containing an optically coupled source of plane-polarized light, a magneto-optical transducer made in the form of a single-crystal ferrite garnet film deposited on a transparent substrate, an analyzer and a recording unit, characterized in that the film in the magneto-optical transducer is made with such magnetic anisotropy that the magnetization vectors in the film in the absence of a magnetic field deviate from its plane by an angle of not more than 25 ^o .

31. The device according to p. 30, characterized in that it further comprises a source of a constant or pulsed magnetic field directed parallel to the plane of the film.

32. The device according to p. 30, characterized in that it further comprises a constant or pulsed current source.

33. The device according to p. 30, characterized in that it further comprises a high-frequency unit for the formation of eddy currents.

34. The device according to p. 30, characterized in that it further comprises a source of a pulsed magnetic field directed perpendicular to the plane of the film.

35. The device according to p. 30, characterized in that the light source is pulsed and synchronized with at least one of the blocks from the group comprising a pulsed magnetic field source, a pulsed current source and a high-frequency eddy current generating unit.

36. The device according to p. 30, characterized in that the registration unit contains a video camera based on a CCD matrix connected to a personal computer.