Работа выполнена на кафедре радиофизики физического факультета Московского государственного университета им. М.В.Ломоносова
Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,
чл.-корр. РАН, профессор В.Я. Панченко
доктор физико-математических наук,
чл.-корр. РАН, профессор Д.И. Трубецков
доктор физико-математических наук,
профессор А.А. Волков
Ведущая организация: Институт радиотехники и электроники (ИРЭ) РАН, г. Москва.
Защита состоится “ .2004 г. в /Г час. на заседании диссертаци-
онного Совета Д 501.001.67 при Московском государственном университете им. М.В. Ломоносова по адресу: 119899, Москва, Ленинские горы, МГУ, физический факультет, ауд.
С диссертацией в виде научного доклада можно ознакомиться в библиотеке физического факультета МГУ.
Диссертация в виде научного доклада разослана
Ученый Секретарь .у
Диссертационного Совета, /// л
доцент А Ф-КОрОЛеВ
ОГЛАВЛЕНИЕ
Общая характеристика работы..................................................... 3
Часть Т
Теоретический анализ интерференционных явлений при распространении электромагнитных волн в слоистых структурах
I. Постановка задачи.Методы анализа распространения волн в неоднородных средах.....В
1. Матричный метод...................................................... .......................................................9
2. Метод импедансных характеристик............................................. 9
II. Интерференционные явления в резонансных структурах........................... 11
1. Интерференционные явлення в слое с поглощением...............................11
2. Интерференционные явления в многослойных резонансных поглощающих структурах 13
2.1. Многослойный интерференционный поглотитель волновой энергии ............13
2.1.1. Спектральные характеристики.........................................15
2.1.2. Перестройка гто резонансной частоте и полосе поглощения.............15
3. Явление волноводной дисперсии. Однослойное согласование высокоотражающих нагрузок на СВЧ .......................................................... 16
III. Тонкослойные интерференционные структуры.................................... 18
1. Оптические и структурные свойства ............ .......................... 18
2. Спектральные характеристики............................................... 21
3. Тонкослойные интерференционные фильтры .........................-............24
3.1. Структурные свойства ....................................................24
3.2. Спектральные характеристики..............................................25
4. Тонкослойные структуры с трехслойным периодом ............................ 26
5. Зависимость характеристик тонкослойных структур от угла падения плоской волны.... 27
6. Особенности прохождения параксиальных пучков через тонкослойные структуры 28
7. Влияние малых потерь в слоях тонкослойных структур на их оптические характеристики..............................................................30
8. Влияние вариации показателей преломления и толщины слоев на оптические характеристики тонкослойных структур..................................... ;;...................................31
9. Тонкослойные структуры с многослойным периодом...............................32
10. Апериодические структуры....................................................34
IV. Явление нестационарного отражения электромагнитных волн от слоистых согласующих структур....................................................................36
1. Отражение амплитудно-модулированных волн от слоистых структур................37
2. Преобразование импульсов с помощью слоистых согласующих структур.............40
Часть И
Экспериментальное исследование возможности использования интерференционных явлений в слоистых средах для приема сигналов и диагностики неоднородных сред
I. Исследование электрофизических параметров сред................................ 43
I. Исследование электрофизических параметров диэлектрических пленок в оптическом диапазоне.......................................................................43
2. Исследование электрофизических параметров полупроводников и диэлектриков на СВЧ.......................................................................... 45
II. Прием излучений на основе явления кросс-модуляции 48
1. Прием инфракрасных излучений...................................................48
1.1. Влияние диффузионных процессов на характеристики приемников с СВЧ-смещением.7.7;;.................................................'.V.'. 7.......49
1.2. Анализ шумовых характеристик...............................................51
1.3. Чувствительность и полоса пропускания......................................51
1.4. Экспериментальное исследование характеристик приемника ИК-излучений с СВЧ-смещением ;........................7............. .7.......................53
2. Приемники миллиметровых излучений на горячих носителях.........................54
2.1. Двухчастотный резонатор ;........................................;...7;7Л77:.155
2.2. Анализ шумовых характеристик...............................;.........•.....55
2.3. Предельпая чувствительность приемника ММВ V.................. .-..........55
2.4. Экспериментальное исследование приемника ММВ...............................56
3. Приемники ММВ и СубММВ На основе Эффекта Джозсфсона ..................7;!:7....57
3.1. Джозефсоновсхие переходы... ..............................:................57
3.2.Сог;хасованиеджозефсоновских переходов с волноведущей линией................58
III. Ипфракраспая радиометрия температуры нагретых тел...............................59
1. Пироэлектрические радиометры средних ИК-излучений..............................59
2. Двухволновая ИК-радиометрия.................................................. 61
2.1. Двухволновой ИК-радиометр для измерения температуры при лазерной термообработке деталей.......................................................... 62
2.2.Двухволиовой ИК-радиометр для измерения температуры сильно нагретых газовых потоков....................'...............................................62
ГУ.Кросс-модулянионные эффекты на неравновесных носителях заряда в полупроводниках при лазерной диагностике и управлении СВЧ -излучением 64
1. Лазерная диагностика мощных СВЧ-излученин на неравновесных носителях заряда
в полупроводниках............................................................. 64
2. Явление лазерной стимуляции нестационарного поглощения СВЧ-энергии
в полупроводниках.................................................................67
3. Фотоуправление СВЧ-мощностьк> на основе эффектов кросс-модул япи и и волповодной дисперсии....................................................................68
V. Применение интерференционных явлений в биологии и медицине.................... 71
Основные результаты и выводы....................................................... 72
Список публикаций по теме диссертации ‘.........................................;....74
2
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Введение и актуальность темы. Практически во всех процессах взаимодействия электромагнитных волн с материальными средами исключительно важную роль играет такое фундаментальное явление, как интерференция. Изучение интерференционной картины позволяет получить комплексную информацию об объекте, будь то среда с пространственно неоднородным распределением ее электрофизических параметров или сложный объект - структура, моделируемая совокупностью однородных или неоднородных сред. Использование интерференционных эффектов позволяет создать условия для эффективного взаимодействия электромагнитного поля со средой, обеспечив максимальную передачу среде энергии волны в заданном спектральном диапазоне (просветляющие покрытия, фильтры, делители и т.п.), реазизовагь накопление энергии поля на основе интерференционных зеркальных систем (металлических, многослойных диэлектрических, металлодиэлектрических и т.п.).
Взаимодействие волны и среды можно охарактеризовать тремя величинами: комплексными коэффициентами отражения и пропускания к энергетическим коэффициентом поглощения, которые связаны законом сохранения энергии. Эти феноменологические параметры определяются, вообще говоря, всей совокупностью физических процессов, сопровождающих распространение электромагнитной волны в среде. Потоки энергии, определяемые этими тремя характеристиками, могут зависеть от многих факторов: напряженности поля, частоты и угла падения волны, вида модуляции, времени взаимодействия и т.п., которые, в свою очередь, зависят как от надмолекулярного строения данной среды, так и от ее макроструктуры. Наиболее часто используются следующие параметры: комплексная диэлектрическая проницаемость среды (в радиофизике СВЧ) и комплексный показатель преломления (в оптике), действительная и мнимая части которых и характеризуют как внутреннее строение, гак и отклик среды в конкретных условиях рассматриваемого взаимодействия
Всю совокупность проблем взаимодействия электромагнитных волн со средой можно разбить на два класса: определение структуры рассеянного (преломленного, отраженного, прошедшего поля) по известным характеристикам материального объекта -это прямая задача, и восстановление физических свойств среды по измеренным характеристикам рассеянного поля — это обратная задача. Каждый из этих классов задач представляет собой широкое поле для теоретических и экспериментальныхисследований.
В настоящей работе представлены основные результаты теоретических и экспериментальных исследований автора, проведенных им на кафедре радиофизики физического факультета МГУ в период с 1969 г. и относящихся к интерференционным явлениям при взаимодействии электромагнитных волн с различного рода слоистонеоднородными средами, как в рамках прямой, так и обратной задач. На момент проведения исследований, результаты которых представлены ниже, аналогичные работы либо не проводились вовсе, либо соответствующие явления были изучены недостаточно. Из материалов оригинальных работ автора, связанных с исследованиями дифракции электромагнитных волн на объектах различной конфигурации, экспериментальными и теоретическими исследованиями диффузии неравновесных носителей заряда в полупроводниках, развитием специальной технологии изготовления джозефсоновских переходов и двумерных решеток из них, использованы лишь те результаты, которые имеют прямое отношение к теме доклада. В тексте доклада даны ссылки на соответствующие публикации, из которых можно получить исчерпывающую информацию об этих результатах.
Цели и задачи работы.
Основные цели работы связаны с теоретическим и экспериментальным исследованием интерференционных явлений при распространении и взаимодействии электро-
3
магнитных волн со слоисто-неоднородными средами, нахождением физических закономерностей, позволяющих установить связь между электрофизическими и структурными свойствами сред и характеристиками интерференционной картины, анализом и обобщением этих связей и выработкой рекомендаций для построения оптимальных алгоритмов решения задач приема, диагностики и управления электромагнитным излучением, а также задач диагностики и управления электрофизическими параметрами и. состоянием слоисто-неоднородных сред.
Основные задачи, которые стояли при реализации поставленных целей исследований, включали:
— выбор обобщенной физической модели среды и математического метода анализа формирования интерференционной картины при взаимодействии волны со средой;
— нахождение и анализ связи электрофизических и структурных параметров слоистой среды и ее волновых свойств (коэффициентов отражения, пропускания и поглощения);
— обобщение полученных результатов и разработка новых алгоритмов синтеза и анализа слоисто-неоднородных сред;
— проведение экспериментальных исследований, с целью проверки достоверности аналитических результатов и выработки конкретных рекомендаций для их практической реализации.
Научная новизна работы*
Научную новизну работы определяют новые результаты, впервые полученные в процессе выполнения исследований, в частности:
— проведен комплексный теоретический и экспериментальный анализ влияния электрофизических и структурных параметров слоистых и слоисто-неоднородных сред на их волновые характеристики; получены аналитические со отношения, позволяющие находить оптимальные решения задач приема и преобразования электромагнитных излучений н диагностики параметров и состояния слоисто-неоднородных сред;
— впервые определены условия полного поглощения энергии электромагнитной волны в слабо поглощающем слое;
— показало, что полное поглощение волновой энергии в слабо поглощающем слое произвольной толщины возможно только при несимметричном его расположении относительно волновых параметров фаничныхе ним сред;
— впервые для обеспечения полного поглощения волновой энергии в слабо поглощающем слое произвольной толщины предложено использовать многослойный интерференционный поглотитель волновой энергии, представляющий собой многослойные диэлектрические структуры с различным числом слоев, обрамляющие слабо поглощающий слой. Получены простые аналитические соотношения, позволяющие синтезировать такие структуры с заданными спектральными характеристиками;
— впервые предложен и экспериментально реализован способ согласования высо-ко-отражающих сред с волноведущими СВЧ-линиями передачи с помощью одного четвертьволнового или двух тонкослойных (суммарная оптическая толщина меньше четвертьволновой) диэлектрических слоев, используя явление волноводной дисперсии (зависимость величины импеданса волновода от длины волны и его геометрии);
— предсказано теоретически существование нового класса слоисто-неоднородных сред — тонкослойных интерференционных структур, отличающихся от известных существенно меньшей (чем четверть длины волны) толщиной слоев и рядом уникальных инвариантных свойств;
— получены простые аналитические соотношения, позволяющие синтезировать структуры такого класса различной сложности с учетом малых вариаций их электрофизических и структурных параметров:
4
- Киев+380960830922