Резонансные и нестационарные электромагнитные процессы в слоистых плазменных структурах

2
ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение................................................................5
Глава 1. Структурные электродинамические эффекты в области плазменного
резонанса тонких неоднородных слоев...........................40
1.1. Поляризуемость тонкого плазменного слоя в зависимости от профиля неоднородности резонансной области........................41
1.2. Резонансное поглощение и экранирование электромагнитного излучения тонкими плазменными слоями..............................47
1.3. Поверхностные электромагнитные волны в слоистых структурах
с резонансной плазменной пленкой..............................63
1.4. Генерация второй гармоники электромагнитного излучения в резонансных плазменных слоях .....................................80
1.5. Г енерация второй гармоники в условиях стрикционной деформации профиля плотности пограничного плазменного
слоя..........................................................91
1.6. Переходное излучение в неоднородных плазменных слоях.........98
Глава 2. Преобразование поляризации электромагнитного излучения и формы импульсных сигналов при отражении от тонкослойных плазменных структур в условиях плазменного резонанса..................112
2.1. Преобразование поляризации в изотропной плазменной пленке ..112
2.2. Особенности преобразования поляризации в гиротропных плазменных пленках.............................................. 116
2.3. Эффект расщепления квазимонохроматического импульса при отражении от резонансной плазменной пленки (спектральный подход).................................. 122
2.4. Анализ расщепления импульса в рамках временного подхода .... 133
2.5. Аналоговое моделирование эффекта расщепления................137
2.6. Расщепление при многократном отражении. Влияние неоднородности пленки. Расщепление при прохождении через уединенный слой................................................. 141
3
Глава 3. Трансформация электромагнитного излучения на резкой плазменной
границе. Резонансы геометро-поляризационной природы..........148
3.1. Магнитный эффект Брюстера и поглощение электромагнитных волн в неоднородной плазме....................................... 149
3.2. Проникновение НЧ волны через резкую границу магнитоактивной плазмы............................................157
3.3. Трансформация ТМ волны при наклонном падении на фронт ионизации.........................................................173
3.4. Энергетические особенности преобразования электромагнитной волны на фронте ионизации, сопровождаемом электронным потоком...........................................................202
Глава 4. Преобразование и высвечивание поверхностных электромагнитных
волн в нестационарных плазменных структурах..................209
4.1. Трансформация ПЭВ на временном скачке плотности плазменного полупространства......................................212
4.2. Трансформация ПЭВ, направляемой слоем нестационарной плазмы на металлической подложке..................................231
4.3. Адиабатическая эволюция ПЭВ в плавно нестационарных плазменных структурах. Адиабатические инварианты..................243
Глава 5. Нестационарный ввод электромагнитного излу чения в открытые
волноводные структуры....................................... 260
5.1. Захват электромагнитной волны границей образовавшейся плазмы............................................................261
5.2. Ввод электромагнитного излучения в нестационарные плазменные волноводные структуры..................................273
5.3. Плазменно-резонансный элемент нестационарного ввода излучения в планарный диэлектрический волновод....................290
4
Глава 6. Трансформация ленгмюровских и свистовых волн в
нестационарной плазме........................................303
6.1. Трансформация ленгмюровской волны при нормальном падении на фронт ионизации (кинетическое описание). Скомпенсированная по току продольная статическая мода 304
6.2. Квазигидродинамическос материальное уравнение нестационарной теплой плазмы. Трансформация ленгмюровских волн на движущихся слоях ионизации произвольного профиля.............................................311
6.3. Диссипация и высвечивание ленгмюровских волн при наклонном падении на фронт ионизации..............................316
6.4. Резонансное поглощение электромагнитной волны в движущемся слое плазмообразования.................................324
6.5. Трансформация свистовой волны в результате ионизационных процессов в магнитоактивной плазме................................333
Заключение............................................................342
Литература............................................................345
Список работ по диссертации.......................................... 364
5
ВВЕДЕНИЕ
Исследование процессов распространения и трансформации электромагнитных волн в неоднородных и нестационарных средах - традиционный и обширный раздел радиофизики. Большое внимание уделяется в нем изучению волновых электромагнитных процессов в плазме и плазмоподобных средах (металлах, полупроводниках), что, в частности, обусловлено потребностями разнообразных научно-технических приложений. К числу последних относятся такие традиционные, как радиосвязь и диагностика ионосферы [1-7], УТС [8,9], плазменная СВЧ электроника [10-15], а также новые, активно развиваемые направления - плазменные методы ускорения частиц [15], лазерная обработка материалов [16], полупроводниковая СВЧ микроэлектроника [17-20] и, особенно, оптически управляемые СВЧ и КВЧ устройства [21-24], генерация ультракоротких оптических импульсов и управление светом с помощью света в структурах с нестационарной полупроводниковой плазмой [25-30], сверхбыстрая и поляритонная спектроскопия конденсированных плазмоподобных сред [31-36]. Обсуждаются возможности использования плазменных образований для радиолокационной маскировки летательных аппаратов [37] и проекты создания радиоотражающих или «озоновосстанавливающих» областей искусственной ионизации в атмосфере [38, 39].
В электродинамическом отношении плазменная среда обладает рядом существенных особенностей, которые определяют специфику и разнообразие протекающих в ней волновых электромагнитных процессов и делают эту среду привлекательной для использования в приложениях. Среди таких особенностей важное место занимают следующие.
• Для электромагнитной волны определенной частоты в неоднородной плазме могут существовать области плазменного резонанса, где диэлектрическая проницаемость среды близка к нулю, что приводит к разбуханию электрического поля волны и обеспечивает эффективное взаимодействие волны со средой, в частности, облегчает достижение нелинейных режимов взаимодействия. В условиях плазменного резонанса даже тонкие в масштабе длины волны плазменные слои могут
6
оказывать существенное влияние на распространение электромагнитных волн.
• Электродинамические характеристики плазмы могут сильно изменяться за короткое время в результате ионизации. При этом возможны как практически одновременная ионизация в некотором «рабочем» объеме, так и создание движущихся, в том числе с релятивистской и даже сверхсветовой скоростью, фронтов ионизации. Иными словами, плазменная среда может быть резко и сильно нестационарной, что выделяет ее как уникальную среди других материальных сред.
• Плазмоподобные среды являются поверхностно-активными, т. е. граница такой среды способна направлять волны поверхностного типа (поверхностные плазмоны).
• Наложение на плазму внешнего магнитного поля позволяет эффективно управлять дисперсионными и невзаимными свойствами распространяющихся в ней электромагнитных волн, как объемных, так и поверхностных.
• В плазменной среде существенную роль может играть многопотоковость движения носителей заряда, определяя, в частности, специфику энергетики взаимодействия электромагнитных волн с нестационарной плазмой.
В диссертации рассматривается широкий круг новых линейных и нелинейных электродинамических эффектов, связанных с указанными выше факторами. При этом ключевая роль отводится плазменному резонансу и нестационарно-сти плазменной среды; поверхностные волны и многопотоковые состояния, а также влияние внешнего магнитного поля рассматриваются применительно к резонансным или нестационарным условиям. Плазма считается плоскослоистой, что характерно для многих практически важных ситуаций. При этом основное внимание в диссертации уделено структурам, содержащим резкие плазменные границы или тонкие в масштабе длины электромагнитной волны плазменные слои: переходные слои различного профиля на границах плазменных объемов, однородные и неоднородные плазменные пленки в планарных структурах разного вида. Структуры подобного рода представляют интерес
7
для различных областей прикладной физики. Резкая граница газовой плазмы обеспечивается в устройствах плазменной электроники с помощью стеклянной или керамической стенки [13, 14]. Она также может существовать в виде фронтов ионизации различной природы [40-42]. Резко неоднородный переходный слой на свободной плазменной границе реализуется в лабораторных исследованиях по взаимодействию СВЧ полей с газовой плазмой [43, 44]. Тонкий (на ранних стадиях разлета) слой приповерхностной плазмы существенным образом влияет на эффективность энерговклада в мишень при взаимодействии лазерного излучения с конденсированным веществом [16,45]. Еще больший интерес вызывают электродинамические свойства твердотельных структур, содержащих плазмоподобные (полупроводниковые, металлические) пленки. В частности, изучение поверхностных электромагнитных волн (поверхностных плазмонов), направляемых такими структурами, наряду с изучением поверхностных фонон-поляритонов явилось основой для бурного развития оптической спектроскопии поверхностей и тонких пленок в течение последних 15-20 лет [31-36]. Широко обсуждаются в литературе возможности применения твердотельных плазменных пленок в качестве волноводных, согласующих и активных элементов интегральной оптики и СВЧ микроэлектроники [17-20, 46-50]. При этом особое внимание уделяется исследованию возможности создания на основе подмагниченных плазменных пленок невзаимных элементов для миллиметрового и субмилл и метрового диапазонов волн [19,20,49].
Теория резонансного взаимодействия электромагнитных волн с тонкими плазменными слоями развивалась в основном применительно к двум случаям: однородного слоя и переходного слоя с линейным профилем концентрации в окрестности точки плазменного резонанса. В 1962 году Феррел и Стерн [51] обратили внимание на возможность сильного отражения электромагнитных волн ТМ поляризации однородными металлическими пленками при приближении частоты волны к плазменной частоте пленки (см. также обзор [52]). Кондратьев и Миллер [53, 54] показали, что при точной настройке на плазменный резонанс и исчезающе малых соударениях тонкие слои изотропной и магнитоактивной плазмы полностью отражают (экранируют) падающую на них
8
волну, причем экранирование сохраняется и при стремлении толщины слоя к нулю. Механизм эффекта связан с резким возрастанием поляризуемости пленки в условиях резонанса вследствие «разбухания» в пленке поперечной по отношению к ее плоскости компоненты электрического поля волны [53]. В 1972 году Годвин [55] обнаружил, что уединенная однородная пленка в условиях плазменного резонанса (и при определенном значении частоты соударений) может поглотить до половины энергии падающей на нее ТМ волны, а пленка на идеально проводящей подложке - поглотить волну полностью. В работе Котова [56] результаты Годвина обобщаются на случай теплой плазмы, когда становятся возможными пространственные плазмонные резонансы (плазменный слой играет роль резонатора Фабри-Перо для ленгмюровских волн). Было выяснено также [13, 53, 57, 58], что тонкий однородный слой проявляет волноводные свойства на частотах вблизи плазменной частоты и способен направлять обратные поверхностные волны, у которых групповая и фазовая скорости имеют противоположные знаки. Наличие же тонкого плазменного слоя на границе поверхностно-активной среды (т. е. среды, способной поддерживать поверхностные волны [31-33]) приводит к появлению щели в спектре поверхностного поляритона [31, 32]. Резонансные волноводные свойства слоев магнитоактивной плазмы рассматривались в [59]. Отметим также работы [51, 52,60, 61] по теории переходного излучения из тонких плазменных пленок, показавшие существование пика излучения на плазменной частоте.
Наличие точки плазменного резонанса в тонком неоднородном слое монотонного (линейного - в окрестности резонансной точки) профиля приводит к поглощению электромагнитной волны, не зависящему от частоты соударений и пропорциональному толщине слоя (слабому в тонких слоях) [62]. Для поверхностных волн существование такого поглощения было впервые установлено в работах Романова [61] и Степанова [63] (см. также [64]). Резонансное поглощение объемных волн, падающих на неоднородные слои изотропной и магнитоактивной плазмы, исследовалось в работах [65-69]. Изучалось, также в предположении линейного профиля концентрации плазмы в окрестности резо-
9
нансной точки, влияние плазменного резонанса на процесс генерации второй гармоники электромагнитного излучения в тонких слоях [70-72].
Как впервые было показано Кондратьевым, Миллером [73], резонансное взаимодействие электромагнитной волны с тонким неоднородным слоем резко усиливается при совпадении точки плазменного резонанса с точкой экстремума или перегиба профиля плотности плазмы. Оказалось, что такие слои способны экранировать электромагнитное излучение так же, как и однородные (фактически экранирование осуществляет резонансная область бесконечно малой толщины). Изучению эффекта резонансного экранирования в экстремуме/перегибе профиля плотности изотропной и магнитоактивной плазмы впоследствии было посвящено довольно много работ (см., например, [74-77]). Гораздо менее исследованным является резонансное поглощение в слоях такого типа. Здесь пионерской стала работа Сахарова [78], в которой для уединенного плазменного слоя и слоя на идеально проводящей подложке была показана возможность сильного поглощения электромагнитной волны в широком интервале углов падения и указаны условия его реализации для отдельных степенных профилей плотности плазмы. Некоторые особенности резонансного поглощения коротких электромагнитных импульсов в тонких неоднородных плазменных слоях рассматривались в [79]. Отметим также работу [80], где исследовалось влияние различных факторов (соударений, трансформации в плазменные волны, различных видов нелинейности) на ограничение электрического поля в точке плазменного резонанса, совпадающей с экстремумом/перегибом профиля плазменной плотности.
Плазменные слои с горбом, ямкой или перегибом профиля плотности не являются экзотикой. Для расплывающегося слоя газовой плазмы естественно наличие гладкого максимума в центре. Немонотонные профили могут существовать на свободно распадающейся плазменной границе [81, 82], а также выдавливаться пондеромоторной силой на первоначально линейном профиле [9, 83, 84]. Переходные слои, присутствующие на границах полупроводниковых образцов [31, 85], и полупроводниковые пленки могут иметь подобную структуру, например, из-за неоднородного распределения примесей. Аналогичные
10
профили эффективной диэлектрической проницаемости могут обеспечиваться статистическими характеристиками ансамбля поверхностных шероховатостей.
В диссертации (глава 1 и п. 3.1) проведено систематическое исследование влияния структуры профиля плотности плазмы в окрестности резонансной точки на различные электромагнитные процессы в тонких плазменных слоях. Анализ проводится на модели степенных «эталонных» профилей с произвольными (в том числе дробными) показателями степени, допускающей аналитическое решение и описывающей слои с ямкой, горбом, перегибом либо плато профиля плотности плазмы. Выяснена зависимость максимального значения коэффициента резонансного поглощения в тонком слое изотропной плазмы и условий его достижения в слоях различного профиля от диэлектрического окружения слоя. Изучены особенности резонансного поглощения в слоях магнитоактивной плазмы. Указан новый вариант резонансного экранирования в гирогропном плазменном слое. Исследованы резонансные волноводные свойства планарных структур, содержащих неоднородные плазменные пленки. Особое внимание уделено при этом изучению невзаимных и дисперсионных свойств поверхностных магнитоплазмонов в сэндвич-структурах с гиротроп-ной плазменной пленкой, представляющих интерес для СВЧ микроэлектроники. Рассмотрение проведено для произвольной ориентации подмагничи-вающего магнитного поля. Исследованы качественные особенности эффекта резонансной генерации второй гармоники в экстремуме/перегибе профиля плотности тонкого плазменного слоя, а также в условиях стрикционной деформации профиля плотности монотонного переходного слоя на границе за-критической плазмы. Изучено резонансное переходное излучение из неоднородных плазменных слоев нелинейного профиля. Из проведенных исследований следует общий вывод о принципиальной роли тонкой структуры профиля неоднородности плазмы в окрестности резонансной точки и об ограниченной применимости вследствие этого модели однородного слоя для описания реальных, всегда в той или иной степени неоднородных, слоев. Получены новые результаты и для структур с однородными плазменными слоями.
В диссертации (глава 2) также установлены и исследованы новые резонансные эффекты, возникающие при отражении электромагнитного излучения
11
от слоистых структур с плазменными пленками. Это эффекты сильного преобразования поляризации излучения и формы импульсных сигналов (эффект расщепления импульса).
Изучение в диссертации эффектов резонансного взаимодействия электромагнитного излучения с тонкими плазменными слоями (экранирования, поглощения, преобразования поляризации и формы импульса), а также резонансных волноводных свойств таких слоев проводится, в частности, применительно к исследованию возможностей создания управляемых пленочных элементов на плазменном резонансе. Идея разработки таких элементов, высказанная в наших работах [21 А, 25А, 32А, 34А], основана на том, что в условиях плазменного резонанса относительно малые изменения концентрации носителей в пленке или величины подмагничивающего поля могут приводить к сильным изменениям электродинамических свойств пленки. В связи с этим структуры, содержащие управляемые полупроводниковые пленки, могут применяться, например, в качестве модуляторов, согласующих устройств, вентилей, элементов деления мощности, трансформаторов и анализаторов поляризации электромагнитного излучения различных диапазонов (от миллиметрового до ИК в зависимости от плазменной частоты используемой пленки). Достоинства таких устройств - простота, малые размеры и быстродействие. Одновременно с нашими работами эта же идея была высказана в работах [25,26] применительно к созданию модуляторов ИК излучения. Для реализации элемента, названного IMOS («integrated mirror optical switch»), в этих работах был предложен конкретный вариант структуры на основе GaAs или InSb. Изменение плазменной частоты носителей в пленке, необходимое для управления элементом, может обеспечиваться как за счет изменения концентрации носителей (в результате ин-жекции или фотоионизации лазерным импульсом), так и путем «переключения» их эффективной массы. Последний механизм («effective mass switching») основан на забросе электронов оптическим импульсом в верхнюю долину зоны проводимости GaAs или InSb, где их эффективная масса становится примерно в 60 раз больше. По оценкам [25, 26] быстродействие таких IMOS-элементов должно лежать в субпикосекундном диапазоне. Техника оптического переключения полупроводников («optical semiconductor switching»), основан-
12
ная на фотогенерации полупроводниковой плазмы, в настоящее время широко применяется, например, для получения ультракоротких оптических импульсов [27-29]. В эксперименте [24] с помощью лазерных импульсов осуществлялось управление характеристиками планарного волновода в виде намагниченного слоя p-InSb. Соединение этой техники с достоинствами плазменного резонанса может привести к созданию эффективно работающих управляемых элементов. Полученные в диссертации результаты составляют в определенной степени теоретическую основу для разработки таких управляемых (как по каналу внешнего магнитного поля, так и за счет изменения концентрации носителей в пленке) элементов СВЧ микроэлектроники и интегральной оптики.
История изучения трансформации электромагнитных волн в нестационарной (за счет различных механизмов - ионизационно-рекомбинационных процессов, изменения внешнего магнитного поля, движения плазменных сгустков и «магнитных зеркал») плазме насчитывает уже более 40 лет. В современных исследованиях, где основное внимание уделяется ионизационному механизму нестационарности, принято выделять два направления (см., например, спец. выпуск IEEE Trans. Plasma Sei., 1993, v. 21, no. 1) - трансформацию электромагнитных волн на релятивистских фронтах ионизации («ionization fronts») и волновые процессы в плазме с временными вариациями ее плотности («flash ionization»).
Интерес к исследованию взаимодействия электромагнитного излучения с быстро движущимися волнами (в том числе резкими фронтами) ионизации возник в 60-е годы отчасти в связи с вопросами диагностики атмосферных ядерных взрывов, а в основном как к возможной альтернативе движущимся плазменным сгусткам при реализации «релятивистского зеркала» для допле-ровского умножения частоты и компрессии микроволновых импульсов. Уже в пионерских работах Фрейдмана [86] и Семеновой [87] было обнаружено, что, хотя кинематика такого взаимодействия подчиняется общим для движущихся границ закономерностям, однако, энергетика процесса обладает рядом особенностей, связанных с тем, что фронт ионизации не обладает кинетической энергией и к тому же часть энергии падающей волны переходит в кинети-
I
13
ческую энергию равномерного движения электронов за фронтом. Большой цикл теоретических работ по данной тематике, учитывающих влияние различных факторов (соударений, внешнего магнитного поля, профиля волны ионизации и т. п.) на эффективность умножения частоты, был выполнен различными авторами (преимущественно отечественными) в 70-е годы (см., например, [88-98]). При этом внимание было сосредоточено в основном на отраженной от закритического фронта ионизации («overdense ionization front») волне как на наиболее очевидном кандидате на роль «рабочей» волны. Однако исследования не были доведены до экспериментальной проверки и тем более до практической реализации.
Новый всплеск интереса к исследованиям в данной области возник в 90-е годы в США в связи с прогрессом в лазерной технике, когда стало возможным создание релятивистских фронтов ионизации путем фотоионизации среды короткими лазерными импульсами большой мощности [42]. Непосредственно эта волна исследований была инициирована работой Мори [99], который показал, что большой частотный сдвиг и сильное сжатие электромагнитного импульса могут быть достигнуты на докритическом фронте ионизации («underdense ionization front») для волны, прошедшей в плазму и распространяющейся вслед за фронтом. В 1992 году Савадж и др. [100] впервые продемонстрировали в эксперименте преобразование частоты микроволнового излучения на фронте ионизации, созданном мощным лазерным импульсом. К настоящему времени рекордное значение коэффициента повышения частоты (и компрессии импульса), зарегистрированное в экспериментах, достигло пяти (с 35 ГГц до 173 ГГц) [101]. Появились и новые теоретические работы по влиянию на процесс трансформации внешнего магнитного поля [102], а также по автоконверсии частоты мощного излучения [103] (экспериментально слабые автосдвиги частоты лазерного излучения, создающего фронт ионизации в газовой среде, наблюдались в работах [104, 105]). Активное развитие получила в последнее время идея прямой конверсии статического электрического поля, созданного решеткой конденсаторов чередующейся полярности, в импульсы миллиметрового излучения с помощью релятивистского фронта, ионизирующего газовую среду
14
в пространстве между обкладками конденсаторов [106]. Работоспособность таких источников перестраиваемого излучения («DARC sources») была подтверждена экспериментально [107-109], например, в работах [108, 109] сообщается о генерации импульсов с несущей частотой от 39 до 84 ГГц и длительность менее 750 пс, рекордной для этого диапазона частот. В обзоре Файнберга [15] преобразование микроволнового электромагнитного излучения на релятивистских фронтах ионизации отмечено как одно из наиболее перспективных и быстро развивающихся направлений плазменной электроники.
Отражение от созданного лазером релятивистского фронта ионизации рассматривается и как конкурентоспособный метод перестройки частоты и компрессии оптических импульсов. Так, например, проведенные в работе [110] расчеты обосновывают реалистичность получения таким способом ультракоротких (с длительностью порядка 1 фс) импульсов УФ излучения. В работе [111] экспериментально наблюдался высокочастотный сдвиг коротких (65 фс) оптических импульсов с А. = 620 нм на величину порядка 25 нм в результате взаимодействия с фронтом ионизации, создаваемым в газовой среде лазерным импульсом с энергией в 5 мДж той же длины волны и длительности, что и пробный импульс.
Идея создания перестраиваемых по частоте источников электромагнитного излучения, в том числе наиболее актуального на сегодня терагерцевого диапазона, на основе использования фронтов ионизации в последнее время получила развитие и применительно к твердотельной микроволновой электронике. Активно исследуются возможности создания полупроводниковых устройств типа DARC-источников [112]. Для этой цели предполагается использовать «вафельные» структуры из GaAs или InP, на которые с помощью решетки электродов накладывается периодическое в пространстве напряжение смещения. Фронт ионизации в полупроводнике создается лазерным импульсом, распространяющимся вдоль поверхности полупроводника. В работе [112] обсуждаются возможности генерации таким способом (суб)иикосекундных импульсов с X = 50-500 мкм и пиковой мощностью порядка 100 Вт.
15
Теоретические работы в данной области посвящены главным образом рассмотрению вырожденного случая нормального падения электромагнитной волны на фронт ионизации или качественно подобного случая наклонного падения волны ТЕ поляризации [86-89, 91-95, 97, 99, 101]. В действительности в любом эксперименте неустранимые факторы (например, неоднородность ионизуемой среды и распределения энергии по сечению лазерного пучка, зависимость скорости фронта ионизации от плотности образующейся плазмы) приводят к искривлениям фронта ионизации и отклонениям (по крайней мере малым) падения от нормального. При использовании в качестве падающей волны ТЕ моды волновода (как в экспериментах [100, 101]) отклонения лазерного пучка от оси волновода также могут приводить к возникновению нормальной к фронту компоненты электрического поля и тем самым к появлению в падающей волне ТМ компоненты. В связи с вышесказанным в диссертации (п. 3.3) рассмотрена трансформация на фронте ионизации наклонно падающей волны ТМ поляризации. Особенности этого случая связаны в основном с возбуждением за фронтом ионизации ленгмюровских волн. Важный результат, полученный в диссертации, состоит в том, что даже при малых отклонениях падения от нормального потери энергии из-за трансформации в ленгмюров-ские волны могут быть очень большими - до 60%. Показано, однако, что возбуждение ленгмюровских волн носит резонансный (по плотности образующейся плазмы) характер и поэтому его можно избежать. Кроме традиционной схемы встречного движения падающей волны и фронта ионизации («counterpropagating geometry») в диссертации рассмотрена также схема, когда фронт ионизации нагоняет падающую волну («copropagatmg geometry»). Подобная схема обладает рядом преимуществ и использовалась в экспериментах [101, 111]. Показано, что и в этом случае возбуждение ленгмюровских волн играет важную роль в энергетике преобразования падающей волны - в них может уходить до 80% ее энергии, причем процесс возбуждения утрачивает резонансный характер и реализуется в широкой области параметров. Кроме того, в пп. 3.3, 3.4 обсуждается возможность использования для доплеровского преобразования частоты высокоскоростных волн ионизации в длинных разрядных труб-
16
ках, способных достигать скорости до 2-1010 см/с [40, 41]. Такое предложение было выдвинуто в [113] и в наших работах [23А, 31 А].
В имеющихся работах по трансформации электромагнитных волн на фронте ионизации предполагается, как правило, что падающая на фронт волна распространяется в неионизованной среде с диэлектрической проницаемостью е « 1 (фактически в вакууме). С общетеоретической точки зрения представляет интерес проанализировать особенности трансформации на фронте ионизации таких типов волн, для которых принципиальным является наличие частичной предварительной ионизации среды (фоновой плазмы). В диссертации (п. 6.1-6.3) такой анализ проведен для ленгмюровских волн в теплой плазме, в которой распространяется волна (фронт) дополнительной ионизации. Установлено существование специфического механизма диссипации волновой энергии, для реализации которого необходимо наличие двух сортов электронов (фоновых и рожденных на фронте ионизации). Указаны условия эффекта сильного высвечивания ленгмюровской волны на фронте ионизации в виде доплеровски сдвинутого электромагнитного излучения. С практической точки зрения полученные результаты представляют интерес для анализа диссипации и высвечивания ленгмюровской турбулентности, например, в ионосфере во время взрывов и солнечных вспышек, при проведении активных экспериментов, связанных с образованием искусственных плазменных неоднородностей, а также при распространении вторичных волн пробоя в разрядных трубках, каналах оптических и СВЧ пучков, при движении волны обратного удара в молнии.
Отдельное направление современных исследований - преобразование электромагнитного излучения в плазме при одновременном изменении ее концентрации во всем рабочем объеме («flash ionization»). Эти исследования были стимулированы работой Уилкса и др. 1988 года [114], где рассматривалась трансформация электромагнитной волны при мгновенной ионизации газовой среды. Хотя эта работа фактически переоткрывала результаты работ пятнадцатилетней давности [115, 116], однако в ней были даны практически важные оценки, демонстрирующие реальность создания в результате многофотонной ионизации с помощью существующих (эксимерных ХеС1) лазеров закрити-
17
ческой для сигнальной волны от С02 лазера плазмы плотности 2-1019 см 3 в объеме 100x50x50 мкм3 за время порядка десятков фемтосекунд, т. е. за время, сравнимое с периодом сигнальной волны, а также были намечены перспективы практических приложений - плавная перестройка вверх по частоте электромагнитного излучения существующих источников; использование статического магнитного поля, возникающего при трансформации электромагнитной волны в резко нестационарной плазме, в качестве вигглера для лазеров на свободных электронах; получение горячей плазмы за счет ее бесстолкновительного прогрева в ходе процесса ионизации. Впоследствии преобразование частоты микроволнового излучения в результате плазмообразования было продемонстрировано в экспериментах [117-119], где ионизация газовой среды производилась как лазерным импульсом [117], так и в процессе СВЧ разряда [118, 119] и высоковольтного разряда между пластинами конденсатора [119]. Влияние внешнего магнитного поля на преобразование электромагнитной волны в нестационарной плазме и на конфигурацию возникающего при этом статического магнитного поля (вигглера) исследовалось в работах [120-127]. Несколько исследовательских групп, в том числе в Национальной лаборатории США в Лос Аламо-се, ведут активные теоретические и экспериментальные исследования по генерации мощных субпикосекундных импульсов терагерцевого излучения за счет быстрой ионизации приповерхностного слоя полупроводника, на который наложено напряжение смещение, ультракороткими лазерными импульсами [128, 129].
Теория электромагнитных волн в нестационарной магнитоактивной плазме дополнена в диссертации (п. 6.5) анализом трансформации свистовых (геликоидальных) волн, играющих важную роль в динамике ионосферы и ее диагностике [3-7], а также в исследованиях твердотельной плазмы [130, 131].
Теоретический анализ трансформации электромагнитных волн в нестационарной плазме в большинстве работ данного направления проводится в модели неограниченной среды. Гораздо менее разработана теория взаимодействия электромагнитного излучения с ограниченными нестационарными средами. Впервые некоторые особенности отражения электромагнитных сигналов
18
от плоской границы нестационарной среды (недиспергирующего диэлектрика, плазмы) были отмечены Фанте в 1971 году [132]. В работах Борисова [133, 134] и Каллури [135] были подробно исследованы установившиеся и переходные процессы при взаимодействии электромагнитной волны с мгновенно возникающим (в результате ионизации) плазменным полупространством (для нестационарного диэлектрического полупространства расчеты проводились в [136, 137]). Впоследствии был рассмотрен и более близкий к практике случай резкой ионизации в слое конечной толщины [138]. В указанных работах рассматривалась, однако, лишь простейшая геометрия задачи, ког да граница возникающей плазмы считалась параллельной фронту волны. Физически более богатым является случай отсутствия такой параллельности. Действительно, в этом случае при ТМ поляризации исходной волны можно ожидать ее трансформацию в поверхностные волны, направляемые возникшей плазменной границей. Как известно [31], на стационарной границе прямая трансформация падающего излучения в поверхностные волны запрещена из-за невозможности одновременного выполнения условий сохранения частоты волны (энергии кванта) и тангенциальной к границе компоненты волнового вектора (импульса). Существующие методы ввода электромагнитного излучения в планарные волноведущие структуры основаны на создании продольной пространственной неоднородности системы (в виде диафрагм, регулярно профилированных или шероховатых участков и т. п.) либо на обеспечении пространственного синхронизма объемных и поверхностных волн с помощью призм связи (метод нарушенного полного внутреннего отражения) [18, 31-33]. На нестационарной границе возникает принципиально иная возможность ввода излучения, связанная с тем, что сохранения частоты волны здесь уже не требуется. Исследованию эффекта трансформации электромагнитного излучения в поверхностные волны на нестационарной плазменной границе (эффекта захвата излучения нестационарной границей), впервые указанного в наших работах [36А, 37А, 58А], посвящена глава 5 диссертации. Проанализированы кинематические закономерности эффекта (преобразование частоты) и его энергетическая эффективность как нового способа ввода излучения в различные волноводные структуры. На основе синтеза идеи нестационарного ввода с идеей
19
управляемых элементов на плазменном резонансе предложена (п. 5.3) схема нестационарного ввода излучения в стационарный диэлектрический волновод.
Упоминавшиеся выше многочисленные исследования по трансформации электромагнитных волн в нестационарной плазме ограничивались, как правило, рассмотрением лишь объемных волн. В диссертации (глава 4) фактически впервые исследованы особенности трансформации волн поверхностного типа, направляемых нестационарными плазменными структурами (некоторые закономерности высвечивания поверхностной волны из нестационарного плазменного слоя затрагивались в работе [139], см. также [12]). Переход к изучению трансформации поверхностных волн вполне естествен как с точки зрения внутренней логики развития теории электромагнитных процессов в нестационарной плазме, так и в плане практических приложений. Медленность поверхностных волн позволяет смягчить требования к длине области ионизации и темпу ионизации, предъявляемые для достижения существенных частотных сдвигов, а в случае трансформации на движущихся неоднородностях и к их скорости. Для разработки устройств с нестационарной полупроводниковой плазмой важным преимуществом волн поверхностного типа является их локализация в тонком приповерхностном слое, поскольку ионизирующий лазерный импульс быстро затухает по мере проникновения вглубь полупроводника. Качественно новый эффект, сопровождающий трансформацию поверхностных волн, состоит в высвечивании части энергии волны в виде объемного излучения с непрерывным частотно-угловым спектром. Существование данного эффекта, по сути обратного эффекту захвата объемного излучения нестационарными плазменными структурами, делает задачу значительно более сложной в теоретическом отношении; практически же эффект высвечивания может быть использован для вывода электромагнитной энергии из волноведущей структуры, а также в целях плавной перестройки частоты.
Изучение преобразования и взаимной трансформации поверхностных электромагнитных волн и объемного излучения в нестационарных открытых волноведущих структурах плазменного типа и является основным и новым научным направлением, развиваемым в диссертации.
20
Перейдем к последовательному изложению содержания работы по главам. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и списка цитируемой литературы.
Во введении обосновывается актуальность работы, формулируется ес цель и кратко излагается содержание.
Первая глава посвящена систематическому исследованию влияния гонкой структуры профиля концентрации плазмы в окрестности точки плазменного резонанса на различные электромагнитные процессы в слоистых структурах, содержащих тонкие слои изотропной и магнитоактивной плазмы. Новые результаты получены и для структур с однородными плазменными слоями.
• В п. 1.1 получены приближенные формулы для перепадов полей на тонком неоднородном слое изотропной и магнитоактивной (при произвольной ориентации внешнего магнитного поля) плазмы. В указанные формулы входит резонансный параметр, характеризующий поляризуемость слоя, для которого в модели степенных «эталонных» профилей плотности плазмы, описывающих слои с ямкой, горбом, перегибом либо плато плотности, получено общее аналитическое выражение. Исследована зависимость модуля и аргумента резонансного параметра от профиля слоя, а также от параметров частотной отстройки и соударений. Полученные в данном параграфе формулы связи полей на тонком плазменном слое полностью описывают линейные электродинамические свойства такого слоя и служат основой для последующего анализа различных волновых процессов в структурах, содержащих тонкий резонансный плазменный слой в качестве составного элемента.
• В и. 1.2 исследованы закономерности резонансного поглощения и экранирования электромагнитных волн тонкими неоднородными плазменными слоями. Для трехслойной структуры с тонким слоем изотропной плазмы выяснена зависимость максимального значения коэффициента поглощения и условий его достижения от диэлектрического окружения слоя. Исследованы особенности резонансного поглоще-
21
ния в слоях магнитоактивной плазмы. Указан новый вариант резонансного экранирования в гиротропном плазменном слое.
• В п. 1.3 исследованы волноводные свойства планарных структур, содержащих тонкие пленки изотропной и магнитоактивной плазмы. Для изотропных плазменных слоев (уединенного, на идеально проводящей подложке и на границе поверхностно-активной среды) исследовано влияние профиля неоднородности и проведено сравнение с результатами, полученными ранее в модели однородного слоя. Показано, что существование поверхностных волн на границе изотропной плазмы с металлом может быть обеспечено за счет тонкого пограничного слоя с определенной структурой области плазменного резонанса. Обнаружено, что в зависимости от профиля резонансной области переходного слоя на границе закритической плазмы может происходить тушение одной или обеих ветвей расщепленной дисперсионной кривой поверхностного плазмона. Выведено дисперсионное уравнение общего вида для резонансных поверхностных магнитоплазмонов в трехслойной структуре с пленкой магнитоактивной плазмы и указаны условия их невзаимного распространения. Построена полная картина дисперсионных и невзаимных свойств для поверхностных магнитоплазмонов, направляемых плазменной пленкой (как однородной, так и неоднородной) на идеально проводящей подложке.
• В п. 1.4 обнаружено резкое возрастание эффективности генерации второй гармоники (ГВГ) электромагнитной волны ТМ поляризации в тонком плазменном слое при совпадении точки плазменного резонанса с экстремумом, перегибом либо плато профиля плотности плазмы. Анализ эффекта проведен как для уединенного плазменного слоя, так и для приповерхностного слоя на границе закритической плазмы. В последнем случае прослежен предельный переход к случаю однородной пленки и проведено сравнение с результатами работы [140].
• В п. 1.5 исследован эффект резонансной ГВГ в переходном слое монотонного профиля на границе закритической плазмы в зависимости от интенсивности падающего излучения в условиях, когда в области
22
плазменного резонанса формируется стационарное самосогласованное распределение поля основной частоты и плотности плазмы. Обнаружено, что в широком диапазоне интенсивностей падающего излучения имеет место эффект значительного возрастания коэффициента трансформации во вторую гармонику, аналогичный изученному в п. 1.4 для слоев заданного (нелинейного) профиля.
• В п. 1.6 исследованы закономерности резонансного переходного излучения в тонких неоднородных плазменных слоях (уединенном и приповерхностном на границе плазменного полупространства). Обнаружена качественная зависимость характеристик излучения от структуры профиля неоднородности слоя. Это проявляется, в частности, в значительном (по порядку величины) увеличении интенсивности резонансного переходного излучения нерелятивистских зарядов в пограничных слоях с экстремумом/перегибом профиля плотности плазмы. Различия в переходном излучении нерелятивистских частиц, влетающих в плазму и вылетающих из нее, также зависят от структуры профиля неоднородности пограничного слоя. Уточнены условия перехода к приближению идеально резкой границы плазмы: показано, что стандартного требования малости толщины слоя по сравнению с длиной формирования излучения недостаточно при наличии в пограничном слое экстремума/перегиба профиля плотности плазмы.
Во второй главе рассмотрены эффекты сильного резонансного преобразования характера поляризации электромагнитного излучения и формы огибающей импульсного сигнала в результате отражения от структур с тонким плазменным слоем.
• В п. 2.1 продемонстрирована возможность сильного преобразования поляризации электромагнитной волны при отражении от простейшей структуры - изотропной плазменной пленки на идеально проводящей подложке, что обусловлено различным характером отражения ТЕ и ТМ компонент падающей волны. Рассмотрены некоторые характерные режимы преобразования, а также возможности управления ими
23
путем изменения параметра частотной отстройки от резонанса. Показано, что неоднородность плазменной пленки приводит к снижению возможностей беспоглоицательного управляемого преобразования поляризации.
• В п. 2.2 исследованы особенности резонансного преобразования поляризации электромагнитной волны в более сложном случае отражения от слоистых структур с гиротропной плазменной пленкой. В таких структурах возможности управляемого преобразования поляризации существенно расширяются: становится допустимым преобразование нормально падающей волны, появляются новые режимы преобразования, добавляется канал управления процессом преобразования за счет изменения подмагничивающего поля.
• В п. 2.3 установлен и исследован эффект расщепления квазимонохро-матического импульса при отражении от резонансной плазменной пленки на идеально проводящей подложке. Обсуждается механизм эффекта, исследовано влияние частотной отстройки и соударений.
• В п. 2.4 развит временной подход к анализу эффекта расщепления, основанный на получении дифференциального уравнения, связывающего огибающие падающего и отраженного импульсов. Приведены аналитические выражения для формы отраженного импульса в некоторых частных случаях. Получено соотношение общего вида между площадями падающего и отраженного импульсов («теорема площадей»).
• В п. 2.5 предложен радиотехнический аналог в виде мостового фазовращателя, моделирующий отражение электромагнитного импульса от резонансной плазменной пленки. Приведены результаты аналогового эксперимента, подтверждающие теоретические выводы, сделанные в пп. 2.3,2.4.
• В п.2.6 исследованы особенности эффекта расщепления при многократном отражении от слоя на подложке и при прохождении через уединенный слой, изучено влияние неоднородности слоя. Показано, что при многократном отражении импульса число нулей огибающей
24
равно числу отражений. При падении импульса на уединенный резонансный плазменный слой расщепляется лишь прошедший импульс, в отраженном импульсе расщепление отсутствует. Получены простые соотношения между площадями падающего, отраженного и прошедшего импульсов. Показано, что неоднородность плазменного слоя приводит к подавлению эффекта расщепления. Проведено сравнение рассматриваемого эффекта с некоторыми другими близкими по идее способами профилирования импульсов и отмечен ряд его преимуществ. Высказаны предложения по применению эффекта расщепления для диагностики плазмоподобных пленок.
Третья глава посвящена рассмотрению резонансов геометрополяризационной природы, проявляющихся вблизи определенных углов падения электромагнитных волн различных типов на плазменную границу как со стороны вакуума, так и со стороны плазмы.
• В п. 3.1 указан эффект поляризационного согласования электромагнитной волны ТМ поляризации с неоднородным плазменным слоем, замагниченным в направлении отражения волны («магнитный эффект Брюстера»). Найдено точное решение для волны в произвольно неоднородном слое. Исследованы возможности совмещения эффекта подавления отраженной волны с сильным поглощением волны в слое. Условия такого поглощения сводятся к ограничениям снизу на толщину слоя или угол падения волны. Наиболее слабыми эти ограничения оказываются для слоев, содержащих одну, а тем более несколько точек плазменного резонанса, особенно при наличии в них экстремумов или перегибов профиля концентрации плазмы. В последнем случае практически полное поглощение падающей волны может быть реализовано даже в тонких по сравнению с длиной волны плазменных слоях в широком диапазоне углов падения.
• В п. 3.2 в классической задаче о проникновении электромагнитной волны через резкую границу «магнитоактивная плазма - вакуум» последовательно проведен приближенный подход, основанный на боль-
25
шой величине показателя преломления для волн низкочастотного диапазона в плазме. Получены простые формулы для коэффициентов прохождения и отражения при падении волны как со стороны вакуума, так и со стороны плазмы. Указаны условия эффекта сильного прохождения волны через границу и выяснен его механизм. Исследовано влияние соударений.
• В п. 3.3 исследована трансформация электромагнитной волны ТМ поляризации при наклонном падении на движущийся с релятивистской скоростью фронт ионизации. Рассмотрено как встречное движение волны и фронта («counterpropagating geometry»), так и схема, при которой фронт ионизации нагоняет волну («copropagating geometry»). Получена система из пяти граничных условий, позволяющая решить граничную задачу с учетом ленгмюровских волн непосредственно в лабораторной системе отсчета. Изучены энергетические закономерности трансформации для двумерных волновых пакетов. Показано, что эффект Брюстера не играет существенной роли в практически интересной для преобразования частоты области параметров. Обнаружен эффект резонансного (по плотности образующейся плазмы) возбуждения ленгмюровских волн за фронтом ионизации и раскрыта его геометро-поляризационпая природа. Данный эффект может приводить к сильным потерям энергии (до 60%) при малых отклонениях падения электромагнитной волны от нормального. Показано, что с увеличением угла падения процесс возбуждения ленгмюровских волн теряет резонансный характер, а его эффективность возрастает и может достигать 80% в условиях, когда фронт ионизации нагоняет электромагнитную волну. Полученные результаты обсуждаются применительно к реальным экспериментам.
• В п. 3.4 исследовано отражение электромагнитной волны от фронта ионизации, сопровождаемого потоком электронной компоненты образующейся плазмы. Показано, что увлечение электронов вслед за фронтом ионизации даже со скоростями, существенно меньшими скорости фронта, позволяет значительно повысить энергетическую эф-
26
фективность частотного (доплеровского) преобразования падающей волны. В качестве движущихся границ подобного типа могут быть использованы высокоскоростные волны ионизации в длинных разрядных трубках.
В четвертой главе исследована трансформация поверхностных электромагнитных волн (ПЭВ), направляемых нестационарными плазменными структурами. Случай резкой (в результате ионизации) нестационарности анализируется с помощью преобразования Лапласа и методов контурного интегрирования. Полученное здесь в лапласовском представлении дифференциальное уравнение с источником является основой для рассмотрения волновых процессов в произвольных планарных структурах с резко нестационарной плазмой. Для анализа эволюции ПЭВ в направляющих структурах с плавными временными вариациями плотности плазмы развито адиабатическое приближение. При этом учитываются как процессы ионизации, так и деионизации (прилипания, рекомбинация), а также упругие соударения.
• В п. 4.1 рассмотрена трансформация ПЭВ, распространяющейся вдоль границы плазменного полупространства, при резком возрастании концентрации плазмы во времени под действием внешних ионизирующих факторов. Показано, что после скачка концентрации в системе формируются две вторичные поверхностные волны, распространяющиеся во встречных направлениях, статическая мода в виде пространственного распределения стационарного тока и магнитного поля в пределах плазменного полупространства, а также уходящее на бесконечность объемное излучение. Рассчитаны частоты и амплитуды поверхностных волн и спектрально-угловое распределение объемного излучения. Обнаружено существование острых пиков в спектральноугловой плотности высвечиваемой энергии и указана их природа. Исследовано распределение энергии первичного волнового пакета между возбуждаемыми после скачка вторичными волнами различных типов.
• В п. 4.2 рассмотрено преобразование и высвечивание ПЭВ, направляемой планарной структурой в виде плазменного слоя на идеально
27
проводящей подложке, при резком возрастании концентрации носителей в слое. Анализ проводится применительно как к газовой, так и к полупроводниковой плазме. Специфика последнего случая связана, в частности, с возбуждением на временном скачке плотности плазмы не только вторичных поверхностных, но и волноводных мод, запертых в слое полным отражением на границе с вакуумом. Установлен эффект ступенчатой зависимости величины высвечиваемой из слоя энергии от скачка плотности плазмы и указана его взаимосвязь с возбуждением волноводных мод. Обнаружен качественно новый вид отражения волнового пакета без отражения его заполнения в тонком нестационарном плазменном слое.
• В п. 4.3 развито адиабатическое приближение для анализа эволюции ПЭВ в плавно нестационарных плазменных структурах. В рамках данного подхода получено эволюционное уравнение общего вида для энергии ПЭВ при учете процессов ионизации, деионизации (прилипания, рекомбинации) и упругих соударений. Получены соотношения в форме адиабатических инвариантов, использование которых значительно упрощает анализ эволюции ПЭВ.
В пятой главе теоретически установлен и исследован эффект захвата электромагнитного излучения открытыми волноводными структурами, содержащими слои резко нестационарной плазмы, в результате трансформации объемного излучения в направляемые этими структурами волны поверхностного типа. Анализ проводится на основе полученного в четвертой главе дифференциального уравнения общего вида для лапласовского образа магнитного поля. Обсуждаются возможности использования эффекта захвата как принципиально нового способа ввода излучения в открытые волноводные структуры.
• В п. 5.1 эффект захвата электромагнитного излучения исследован для случая, когда простейшая направляющая структура - плоская граница однородной плазмы - мгновенно возникает в газе (в результате ионизации в полупространстве) в направлении, ортогональном фронту
28
плоской электромагнитной волны. Показано, что возбуждаются две поверхностные волны пониженной частоты, бегущие вдоль границы в противоположных направлениях, причем наиболее эффективная трансформация (до 40% по энергии) может быть достигнута для попутной (по отношению к исходной волне) поверхностной моды. Захват электромагнитной волны границей образовавшейся плазмы сопровождается рассеянием части энергии в объемное излучение с непрерывным спектром частот, уходящее от границы, а также возбуждением статической моды в пределах плазменного полупространства. Обнаружено, что плотность энергии на границе в попутной поверхностной волне существенно превышает плотность энергии в исходной волне в широком интервале значений плотности образовавшейся плазмы, т. е. захват излучения сопровождается концентрацией электромагнитной энергии вблизи плазменной границы.
• В п. 5.2 исследовано возбуждение поверхностных волн электромагнитным излучением ТМ поляризации, наклонно падающим на плазменные волноводные структуры (границу плазменного полупространства, плазменный слой на идеально проводящей подложке), при резком возрастании плотности плазмы от одного значения до другого. Показано, что эффективный ввод электромагнитной волны в волноводную структуру достигается при падении под углами, большими угла полного внутреннего отражения на границе вакуум-плазма. Трансформация идет преимущественно в попутную поверхностную волну. В случае плазменного слоя зависимость коэффициента трансформации от угла падения может иметь осциллирующий характер.
• В п. 5.3 предложена схема нестационарного ввода электромагнитного излучения в стационарный диэлектрический волновод с помощью элемента в виде полупроводниковой пленки, покрывающей часть волновода и экранирующей - в условиях плазменного резонанса - падающее электромагнитное излучение. Резкое возрастание концентрации носителей в пленке под действием управляющего лазерного импульса разрушает плазменный резонанс, обеспечивая резкую неста-
29
ционарность структуры и, как результат, ввод излучения в волновод. Проанализированы два возможных режима работы данной схемы ввода.
В шестой главе исследованы особенности трансформации в нестационарной плазме таких типов объемных волн, для которых принципиальным является наличие предварительной ионизации среды. В качестве таких волн рассматриваются ленгмюровские волны в теплой изотропной плазме и свистовые (геликоидальные) волны в магнитоактивной плазме.
• В п. 6.1 в рамках кинетического описания рассмотрена трансформация ленгмюровской волны при нормальном падении на фронт ионизации, движущийся в фоновой плазме со «сверхтепловой» скоростью (скорость фронта V существенно превышает тепловую ут для электронов плазмы и в том числе может быть сверхсветовой). Показано, что суммарная энергия двух вторичных ленгмюровских волн, образующихся за фронтом ионизации, меньше энергии первичного волнового пакета. Установлен механизм диссипации волновой энергии, связанный с возбуждением за фронтом ионизации продольной статической моды - скомпенсированного по току (в каждой точке) встречного поступательного движения фоновых и рожденных на фронте ионизации электронов. Проведенный микрорасчет показал, что учет кинетической энергии электронов в продольной статической моде обеспечивает энергетический баланс в системе. Тепловой разброс скоростей электронов приводит к постепенному разрушению скомпенсированной по току статической структуры и возникновению слабого электрического поля.
• В п. 6.2 в рамках квазигидродинамики получено материальное уравнение бессголкновительной теплой плазмы при наличии в ней ионизационных процессов. На основе этого уравнения рассмотрены закономерности трансформации ленгмюровских волн при нормальном падении на движущиеся слои ионизации произвольного профиля. Известная для стационарной плазмы аналогия между волнами продольного и
зо
поперечного типов (см. [141], § 20) распространена на случай нестационарной плазмы, а предложенный в [142] (см. также [88, 89, 93]) метод сопоставления волны ионизации с неподвижным слоем обобщен на случай продольных волн. В частности, известные для поперечных электромагнитных волн энергетические соотношения, связывающие произведения энергий волн (первичной и вторичных) на их частоты, получены и для продольных ленгмюровских волн.
• В п. 6.3 исследована трансформация ленгмюровской волны при наклонном падении на «сверхтепловой» фронт ионизации. Особенности наклонного падения связаны с возможностью высвечивания ленгмюровской волны в виде сдвинутого по частоте электромагнитного излучения, а также с одновременной генерацией за фронтом ионизации как продольной, так и поперечной статических мод. Указан эффект полной трансформации ленгмюровской волны в отраженную электромагнитную волну и статические моды за фронтом ионизации. Данный эффект имеет поляризационную природу - он реализуется при досве-товой скорости фронта в условиях, когда волновые векторы падающей ленгмюровской и отраженной электромагнитной волн взаимно перпендикулярны. Ранее на подобный поляризационный эффект на неподвижной и медленно (по сравнению с Ут) движущейся резкой границе в плазме было указано в работе [143]. Таким образом, как показано в диссертации, эффект «поляризационного высвечивания» ленгмюровских волн устойчив по отношению к «сверхтепловому» движению скачка концентрации плазмы и исчезает при сверхсветовом движении. Рассмотрены некоторые закономерности высвечивания ленгмюровской турбулентности на движущемся фронте ионизации. В частности, показано, что мощность высвечиваемых плазмонов на фронте ионизации существенно больше по сравнению со случаем неподвижной границы. Показано также, что на фронте ионизации происходит «выстраивание» быстрых ленгмюровских плазмонов параллельно вектору скорости фронта, а «лишнее» поле высвечивается в виде электромагнитных волн. Указаны условия безызлучательного прохождения
31
плазмона через движущуюся границу. Такое прохождение имеет место для досветового фронта ионизации и облегчается, если фронт ионизации нагоняет ленгмюровскую волну.
• В п. 6.4 исследован эффект сильного (вплоть до полного) поглощения электромагнитного излучения ТМ поляризации движущимся в газе с нерелятивистской скоростью тонким (в масштабе длины падающей электромагнитной волны) слоем плазмообразования ступенчатого профиля. Данный эффект реализуется при выполнении на движущейся плазменной ступеньке условий плазменного резонанса, когда перпендикулярная к слою компонента электрического поля сильно «разбухает». Энергия падающего излучения трансформируется при этом в продольную статическую моду, т. е. в квазитепловое поступательное движение рождающихся в слое плазмообразования (и остающихся во всем закритическом объеме плазмы) электронов, и в их ленгмюровские колебания. За счет этого может быть обеспечен эффективный неравновесный прогрев объема закритической плазмы (например, в плазмохимических реакторах) в ходе самого процесса плазмообразования.
• В п.6.5 исследованы закономерности трансформации правополяризованных волн, распространяющихся вдоль магнитного поля в нестационарной за счет ионизационных процессов плазме. Вначале рассмотрена трансформация свистовой (геликоидальной) волны при резком возрастании концентрации плазмы во времени. Показано, что частота вистлера понижается - обратно пропорционально плазменной концентрации при не слишком больших перепадах последней (пока частота вистлера велика по сравнению с гирочастотой ионов). Энергия вистлера при этом существенно не изменяется. При больших перепадах концентрации, когда частота вистлера становится сравнимой с гирочастотой ионов, происходит эффективное возбуждение левополяризованной (относительно направления внешнего магнитного поля) ионно-циклотронной волны, распространяющейся в обратном, по отношению к первичной волне, направлении. Показано, что потери энер-
32
гии вистлера на генерацию двух высокочастотных волн, распространяющихся в противоположных направлениях, невелики. Далее рассмотрена энергетика адиабатического преобразования правополяризованной волны, распространяющейся вдоль магнитного поля, при плавном нарастании плазменной концентрации во времени. В пренебрежении движением ионов, т. е. для волн свистового и более высокочастотных диапазонов, получен адиабатический инвариант нового вида.
В заключении кратко сформулированы основные результаты диссертации.
На защиту выносятся следующие основные научные результаты и положения.
1. Систематически исследовано влияние тонкой структуры профиля неоднородности плазмы в окрестности точки плазменного резонанса на поглощательные, экранирующие и волноводные свойства тонких слоев изотропной и магнитоактивной плазмы. Для трехслойной структуры с изотропной плазменной пленкой выяснена зависимость максимального значения коэффициента поглощения и условий его достижения от диэлектрического окружения пленки. Исследованы особенности резонансного поглощения электромагнитного излучения в слоях магнитоактивной плазмы, в частности, указаны условия полного поглощения в уединенном слое и слое на идеально проводящей подложке. Выявлен новый вариант резонансного экранирования в ги-ротропном плазменном слое. Показана возможность существования поверхностных волн на границе изотропной плазмы с металлом при наличии тонкого пограничного слоя с определенным профилем области плазменного резонанса. Обнаружен эффект тушения одной или обеих ветвей расщепленной дисперсионной кривой поверхностного плазмона на границе закритической плазмы, зависящий от профиля переходного слоя.
2. Выяснены условия невзаимности распространения резонансных поверхностных магнитоплазмонов в трехслойной структуре общего вида с пленкой магнитоактивной плазмы. Построена полная картина дис-
33
персионных и невзаимных свойств для поверхностных магнитоплазмонов, направляемых плазменной пленкой на идеально проводящей подложке, при произвольной ориентации внешнего магнитного поля. Показано, что путем изменения величины и направления подмагничи-вающего поля можно управлять дисперсионными характеристиками поверхностных магнитоплазмонов (частотным спектром, числом дисперсионных ветвей и их крутизной, наличием участков с обратной дисперсией), а также невзаимностью их распространения.
3. Указана возможность резкого возрастания эффективности ГВГ электромагнитной волны ТМ поляризации в тонком плазменном слое при совпадении точки плазменного резонанса с экстремумом, перегибом либо плато профиля плотности плазмы. Проанализированы условия эффекта для уединенного слоя и приповерхностного слоя на границе закритической плазмы. Исследована резонансная ГВГ в переходном слое на границе закритической плазмы в условиях, когда в области плазменного резонанса формируется стационарное самосогласованное распределение поля основной частоты и плотности плазмы. Обнаружен эффект значительного возрастания коэффициента трансформации во вторую гармонику, реализуемый в широком диапазоне интенсивностей падающего излучения.
4. Исследованы закономерности резонансного переходного излучения в тонких неоднородных плазменных слоях. Обнаружен эффект значительного (по порядку величины) увеличения интенсивности излучения нерелятивистских зарядов в приповерхностном (на границе однородной плазмы) слое с экстремумом/перегибом профиля плазменной концентрации. Показано, что различия в переходном излучении нерелятивистских частиц, влетающих в плазму и вылетающих из нее, зависят от тонкой структуры (асимметричности) профиля неоднородности пограничного слоя. Выяснено, что стандартного требования малости толщины пограничного слоя по сравнению с длиной формирования излучения недостаточно для перехода к приближению идеально резкой
34
границы плазмы при наличии в пограничном слое экстремума/перегиба профиля плотности плазмы.
5. Показана возможность трансформации в широких пределах характера поляризации электромагнитного излучения в результате резонансного отражения от структур с пленками изотропной и магнитоактивной плазмы. Выяснены условия наиболее эффективного преобразования поляризации, исследованы его характерные режимы.
6. Установлен и исследован эффект сильной деформации (расщепления) огибающей квазимонохроматического импульса при отражении от плазменной пленки на идеально проводящей подложке и при прохождении через уединенный плазменный слой. Закономерности эффекта и его механизм проанализированы в рамках как спектрального, гак и специально развитого временного подхода. Предложен радиотехнический аналог, моделирующий отражение электромагнитного импульса от резонансной плазменной пленки. Результаты аналогового эксперимента подтвердили теоретические выводы. Получены «теоремы площадей» простого вида, а также правило, описывающее расщепление импульса в условиях многократного отражения. Рассмотрены возможности применения эффекта расщепления для профилирования импульсов и для диагностики плазмоиодобных пленок.
7. Установлено существование «магнитного эффекта Брюстера» для электромагнитной волны ТМ поляризации, падающей на слоисто неоднородную плазму, замагниченную в направлении отражения волны. Получено точное решение для волны в произвольно неоднородном «брюстеровском» слое. Исследованы возможности сильного поглощения волны, в том числе в условиях плазменного резонанса в зависимости от профиля неоднородности резонансной области. Показано, что при наличии в слое резонансных экстремумов/перегибов профиля плотности плазмы практически полное поглощение падающей волны может быть реализовано даже в тонких по сравнению с длиной волны уединенных плазменных слоях.
35
8. Дано последовательное асимптотическое решение классической задачи о проникновении НЧ волны через границу «магнитоактивная плазма - вакуум». Получены простые формулы для коэффициентов прохождения и отражения при падении волны как со стороны вакуума, так и со стороны плазмы. Указаны условия эффекта сильного прохождения волны через границу и раскрыта его поляризационная природа.
9. Построена полная картина трансформации электромагнитного излучения ТМ поляризации на релятивистском фронте ионизации в режимах как встречного, так и попутного распространения падающей волны и фронта. Впервые исследованы энергетические закономерности трансформации для двумерных волновых пакетов. Указан резонансный (по плотности образующейся плазмы) эффект сильных (до 60%) потерь энергии на возбуждение ленгмюровских волн за фронтом ионизации при малых отклонениях падения электромагнитной волны от нормального и раскрыта его геометро-поляризационная природа. Показано, что с увеличением угла падения процесс возбуждения ленгмюровских волн теряет резонансный характер, а его эффективность возрастает и может достигать 80% в условиях, когда фронт ионизации нагоняет электромагнитную волну. Дана «привязка» результатов к имеющимся экспериментальным данным. Показано, что увлечение вслед за фронтом ионизации электронной компоненты образующейся плазмы даже со скоростями, существенно меньшими скорости фронта, может заметно улучшить энергетическую эффективность доплеровского преобразования электромагнитной волны.
10.Исследована трансформация электромагнитных волн поверхностного типа в открытых волноводных структурах с нестационарной - за счет процессов ионизации и деионизации (прилипания, рекомбинации) -плазмой. Для резко нестационарных структур (границы плазменного полупространства, плазменного слоя на идеально проводящей подложке) изучены кинематические и энергетические характеристики как вторичных направляемых волн, так и высвечиваемого объемного из-