Главная >> Диссертации - все темы

Pages: |

| 2 | 3 |

«ИНТЕРФЕРЕНЦИОННЫЕ ЯВЛЕНИЯ В СЛОИСТЫХ СТРУКТУРАХ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ В ЗАДАЧАХ ПРИЕМА СИГНАЛОВ И ДИАГНОСТИКИ НЕОДНОРОДНЫХ СРЕД ...»

-- [ Страница 1 ] --

Московский государственный университет им. М.В.Ломоносова

Физический факультет

На правах рукописи

УДК 538.566:621.372:535.417:539.293:537.87

Козарь Анатолий Викторович

ИНТЕРФЕРЕНЦИОННЫЕ ЯВЛЕНИЯ В СЛОИСТЫХ СТРУКТУРАХ И ИХ

ПРИМЕНЕНИЕ В ЗАДАЧАХ ПРИЕМА СИГНАЛОВ И ДИАГНОСТИКИ

НЕОДНОРОДНЫХ СРЕД

Специальность : 01.04.03. – радиофизика; 01.04.05. - оптика

ДИССЕРТАЦИЯ

в виде научного доклада на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Москва 2004г.

Работа выполнена на кафедре радиофизики физического факультета Московского государственного университета им. М.В.Ломоносова.

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, чл.-корр. РАН, профессор Д.И.

Трубецков доктор физико-математических наук, профессор А.М.

Желтиков доктор физико-математических наук, профессор А.А. Волков

Ведущая организация: Институт радиотехники и электроники (ИРЭ) РАН, г.Москва.

Защита состоится “_18_” _ноября2004 г. в _15час. на заседании диссертационного Совета Д 501.001.67 при Московском государственном университете им. М.В. Ломоносова по адресу: 119899, Москва, Ленинские горы, МГУ, физический факультет, ауд._ЦФА_

С диссертацией в виде научного доклада можно ознакомиться в библиотеке физического факультета МГУ.

Диссертация в виде научного доклада разослана “_14”_октября2004 г.

Ученый Секретарь Диссертационного Совета, доцент А.Ф. Королев

ИНТЕРФЕРЕНЦИОННЫЕ ЯВЛЕНИЯ В СЛОИСТЫХ СТРУКТУРАХ ПРИ

РЕШЕНИИ ЗАДАЧ ПРИЕМА СИГНАЛОВ И ДИАГНОСТИКИ

НЕОДНОРОДНЫХ СРЕД

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.), реализовать 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 и 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, так 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 экспериментальных исследований.

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 электромагнитных 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 соотношения, позволяющие находить оптимальные решения задач приема и преобразования электромагнитных излучений и диагностики параметров и состояния слоисто-неоднородных сред;

-впервые определены условия полного поглощения энергии электромагнитной волны в слабо поглощающем слое;

-показано, что полное поглощение волновой энергии в слабо поглощающем слое произвольной толщины возможно только при несимметричном его расположении относительно волновых параметров граничных с 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 высокоотражающих 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;

-проведено обобщение полученных теоретических результатов на апериодические многослойные структуры, являющиеся адекватной физической моделью слоя с произвольным пространственным распределением показателя преломления;

-введено понятие и установлены критерии длинноволновой интерференционной границы, начиная с которой в спектрах отражения и пропускания пространственно-неоднородных сред отсутствуют интерференционные экстремумы и среду можно рассматривать как сплошную, характеризуемую эквивалентным показателем преломления;

-впервые показано, что для слоев со слабой пространственной неоднородностью показателя преломления n(z) в области длинноволновой интерференционной границы эквивалентным является показатель преломления, равный произведению двух глобальных экстремальных значений функции n(z), нормированному на показатель преломления среды, из которой приходит волна;

-впервые обнаружено и исследовано явление нестационарного отражения электромагнитных волн с изменяющейся амплитудой и (или) фазой от интерференционных просветляющих структур;

-впервые показана возможность получения сверхкоротких оптических импульсов, сжатия импульсов и преобразования фазовой модуляции оптического излучения в амплитудную при распространении оптических импульсов через многослойные интерференционные просветляющие диэлектрические структуры;

-впервые предложены и отработаны экспериментальные методики “переменной нагрузки” и “полевого зондирования” для диагностики электрофизических параметров материалов на СВЧ;

-впервые теоретически и экспериментально исследовано влияние диффузионного пространственно-неоднородного распределения удельной проводимости в полупроводниковом слое в стационарном и динамическом режимах на эффективность кросс-модуляционного преобразования сигналов из оптического в СВЧ-диапазон и определены критерии оптимального решения;

-впервые предложена, экспериментально исследована и оптимизирована широкополосная и чувствительная кросс-модуляционная схема для приема ИК-излучений на основе полупроводникового слоя, включенного в цепь СВЧ-смещения на основе двойного волноводного Т-моста;

-создан двухволновой ИК-радиометр для контроля глубины структурных изменений металлов при лазерной закалке;

-впервые экспериментально обнаружено, исследовано и объяснено явление лазерной стимуляции нестационарного поглощения СВЧ-энергии в полупроводниках;

-впервые предложено и экспериментально исследовано фотоуправление СВЧ-мощностью на основе эффектов кросс-модуляции и волноводной дисперсии;

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Анализ и условия оптимального сочетания электрофизических и структурных параметров слоистых и слоисто-неоднородных сред при формировании в них интерференционной картины электромагнитных волн для решения задач приема, преобразования и диагностики.

2. Определение условий, при которых возможно осуществить полное поглощение (концентрацию) энергии электромагнитной волны в слабо поглощающем слое произвольной толщины.

3. Предложение использовать новую структуру - “многослойный интерференционный поглотитель” - для осуществления полного поглощения волновой энергии в тонком слабо поглощающем слое в заданном спектральном диапазоне.

4. Предложение способа согласования высокоотражающих нагрузок для СВЧ излучения с помощью согласующей структуры с минимально возможным числом слоев (вплоть до одного слоя) или минимальной суммарной волновой толщиной (меньше четверти длины волны).

5. Теоретическое предсказание и обоснование физических принципов, позволяющих синтезировать, исследовать свойства и развить теорию нового класса многослойных слоистонеоднородных сред - “тонкослойных интерференционных структур”.

6. Определение структурных и волновых критериев эквивалентности слоя с неоднородным пространственным распределением показателя преломления сплошной среде.

Введение понятия и определение критериев длинноволновой интерференционной границы.

7. Обнаружение и исследование нового явления - нестационарного отражения электромагнитных волн с изменяющейся амплитудой и (или) фазой от интерференционных просветляющих структур. Предложение использовать это явление для получения сверхкоротких оптических импульсов и управления их параметрами.

8. Обнаружение и исследование нового явления - лазерной стимуляции нестационарного поглощения СВЧ-энергии в полупроводниках. Обоснование возможности использования этого явления для диагностики электрофизических параметров полупроводников.

9. Предложение использовать кросс-модуляционную балансную схему приема с СВЧсмещением при волноводном включении фоторезисторной пластины для широкополосного и чувствительного приема ИК-излучений.

10. Предложение использовать кросс-модуляционную двухрезонаторную схему с СВЧсмещением на основе эффекта “разогрева” свободных носителей заряда в полупроводниках для широкополосного и чувствительного приема миллиметровых излучений.

11. Разработка и изготовление одно - и двухволновых ИК-радиометрических устройств для дистанционного контроля и измерения температуры и структурных изменений поверхности нагретых тел.

Практическая значимость работы определяется тем, что ее выводы, положения и результаты вносят существенный вклад в развитие следующих физических представлений: о формировании интерференционной картины при распространении электромагнитных волн через многослойные слоисто-неоднородные структуры; о влиянии электрофизических и структурных параметров неоднородных и слоисто-неоднородных сред на их волновые, радиометрические характеристики; о природе и физических механизмах взаимодействия электромагнитных излучений с носителями заряда в материальных средах; о характере и особенностях кросс-модуляционных процессов, происходящих при одновременном воздействии на полупроводники электромагнитных излучений существенно различных частот.

Перечисленные результаты могут служить базой для дальнейших теоретических построений и создают научную основу для их практического применения. Так, результаты анализа кросс-модуляционных процессов в полупроводниках, в совокупности с новыми результатами по синтезу многослойных согласующих и фильтрующих структур, дают практически готовые решения для создания приемных устройств оптических и СВЧизлучений, приборов для измерения и диагностики электрофизических параметров полупроводников и диэлектриков. Эти решения были частично реализованы в процессе выполнения ряда хоздоговорных работ и работ по научно-техническому сотрудничеству при создании различных по своему назначению конкретных устройств. Созданные для контроля и измерения температуры материалов и газовых потоков одно и двухволновые ИК-радиометры также были разработаны и внедрены в различных отраслях промышленности. Ряд результатов использован при проведении как физических исследований, так и в других областях науки, например, в биологии и медицине. Некоторые результаты использованы в студенческих спецкурсах и в общем курсе «Теория волн».

Апробация работы.

Основные результаты работы докладывались на:

Международных конференциях: ”Некорректно поставленные задачи в естественных науках”, Москва, 1991 г.; ”Оптические интерференционные покрытия”, Туссон, Аризона, США, 1992 г.; ”Оптомикроволновые и фазораспределенные процессы”, США, 1992 г.;

”Проектирование оптических приборов”, США, 1992 г.; ”Квантовая электроника”, “Лазеры, применения и технологии”, Москва, 2002 г.; ”Неионизирующие электромагнитные излучения в биологии и медицине”, Калуга, 2002 г.

Международных симпозиумах и конгрессах: ”Прикладная оптика 89”, Прага, 1989 г.;

”Тонкие пленки и их применения”, Нидерланды, 1990 г.; ”Проектирование оптических систем”, ФРГ, Берлин, 1992 г.; ”Non-Lethal Weapons”, Ettlingen, Germany, 2003.

Всесоюзных и Всероссийских конференциях, симпозиумах и семинарах:” 1-я итоговая научно-техническая конференция по радиоэлектронике”, НТО им.А.С.Попова, Калуга,1971 г.;

Всесоюзный симпозиум по “Приборам, технике и распространению ММ и СубММ волн в атмосфере”, Москва, 1976 г.; ”II Всесоюзный симпозиум по ММ и СубММ волнам”, Харьков,1978 г.; ”I-я Всесоюзная конференция Предприятие-ВУЗ”, Москва,1980 г.; ”Труды VII пленума Рабочей группы по оптике океана комиссии АН СССР по проблемам мирового океана”, Таллин,1980 г.; ”Всесоюзная научно-техническая конференция по интегральной электронике СВЧ”, Новгород,1982 г.; X Всесоюзная научная конференция “Электроника СВЧ”, Минск,1983 г.; Всесоюзная научно-техническая конференция “Проектирование и применение радиоэлектронных устройств на диэлектрических волноводах и резонаторах”, Саратов,1983 г.;

Научно-технический семинар “Диэлектроника-новое перспективное направление в электронной технике”, Москва,1983 г.; Всесоюзный научный Семинар “Методы синтеза и применение многослойных интерференционных систем”, Москва,1984 г.; XI Всесоюзная научная конференция “Электроника СВЧ”,Орджоникидзе,1986г.;Всероссийская Школасеминар “Физика и применение микроволн”, Москва,1993 г., 2001 г.; Всесоюзная конференция “Состояние и разработки препаратов для диагностики вирусных гепатитов и инфекций, управляющих спецификами или средствами профилактики”,Пермь,1993г.;IV,VIII Всероссийская Школа-семинар “Волновые явления в неоднородных средах”, Красновидово,1994 г., 2002 г.; X Всероссийский симпозиум “Миллиметровые волны в медицине и биологии”, 1995 г.; I Всероссийский Конгресс “Медицинская физика”, Москва, 2001 г.;

”Ломоносовские чтения”, Москва, 2004 г.;

На научных семинарах кафедр физического факультета МГУ: радиофизики, физики полупроводников, физики низких температур и сверхпроводимости, математики, общей физики и волновых процессов, физики атмосферы; на научных семинарах профессора А.В.Тихонравова (Научно-исследовательский вычислительный центр МГУ им. М.В.

Ломоносова).

Публикации. Работа написана по материалам 102 научных трудов автора, которые указаны в списке литературы.

Личный вклад автора. Представленная работа – результат многолетних теоретических и экспериментальных исследований автора на кафедре радиофизики физического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова, в рамках научно-исследовательских бюджетных тем: ”Генерация, усиление, преобразование и распространение электромагнитных волн” и ”Высокочувствительный прием электромагнитных волн”. Основная часть результатов работы, выносимых на защиту, получена автором лично или под его руководством и при непосредственном его участии. Часть работ выполнена в соавторстве с сотрудниками других кафедр физического факультета МГУ, НИВЦ МГУ, МЭИ, отраслевых и академических научно-исследовательских институтов. Автору принадлежат постановки соответствующих задач, формулировка и реализация методов решения, анализ и интерпретация полученных результатов. Из материалов совместных публикаций в работе использованы лишь те результаты, в которых личный вклад автора был определяющим.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ИНТЕРФЕРЕНЦИОННЫХ ЯВЛЕНИЙ ПРИ

РАСПРОСТРАНЕНИИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН В СЛОИСТЫХ СТРУКТУРАХ.

I.Постановка задачи. Методы анализа распространения волн в неоднородных средах.

Рассматривая взаимодействие электромагнитной волны с некоторой средой, мы в дальнейшем, как правило будем иметь ввиду взаимодействие плоской монохроматической волны со средой (однородной, неоднородной, слоисто-неоднородной, с потерями или без), представляющей из себя слой, не ограниченный в плоскости перпендикулярной направлению распространения волны, причем, в случае наличия какого-либо типа неоднородности (структурной или электрофизических параметров) будем полагать, что они имеют непрерывный (одномерный), либо плоскослоистый характер. При рассмотрении процессов в оптическом диапазоне не будем учитывать краевые эффекты на ограниченных апертурах оптического луча и среды. Многочисленные эксперименты, проведенные нами по изучению дифракции на пространственно ограниченных телах, границах раздела сред и различного рода неоднородностях, показали на правомерность такой постановки задачи в рассматриваемых нами условиях. При рассмотрении аналогичных задач в СВЧ-диапазоне, будем полагать, что слой или многослойная структура полностью заполняют поперечное сечение волноведущей линии и аналогичные краевые эффекты также учитывать не будем, что, как показали проведенные нами экспериментальные исследования также вполне правомерно. Таким образом, в такой постановке задачи, при взаимодействии электромагнитной волны со средой происходит перераспределение энергии волны между тремя ее компонентами – отраженной, прошедшей и поглощенной, связанными между собой законом сохранения энергии, вследствие чего сумма их постоянна и равна единице. Для успешного решения такого комплекса задач прежде всего было необходимо выбрать вид обобщенной физической модели материальной среды, которая включала бы в себя механизмы, обеспечивающие реализацию рассматриваемых явлений и математический метод анализа взаимодействия среда электромагнитная волна, установив таким образом логическую связь между электрофизическими, структурными и геометрическими параметрами среды и характеристиками взаимодействующих с ней волн.

В качестве обобщенной физической модели среды была выбрана так называемая модель “диэлектрик с потерями”, с помощью которой физические свойства материальной среды где - действительная и мнимая части комплексной диэлектрической проницаемости среды, которая, вообще говоря, могла зависеть, как от длины волны излучения, так и от пространственных координат (диспергирующая неоднородная среда), времени (нестационарные задачи), величины напряженности поля волны (нелинейная среда) и т.п.

Таким образом, не обужая возможности рассмотрения различного рода материальных сред и механизмов взаимодействия, такая обобщенная модель позволяла перейти к вопросу выбора математического метода описания распространения и взаимодействия волны со средой.

Для анализа процессов интерференции в неоднородных (слоисто-неоднородных) средах существует несколько различных математических подходов, удобных применительно к той или иной конкретной задаче. Основными из них являются матричная методика в оптике и метод импедансных характеристик в радиофизике, берущий свое начало в теории цепей.

Традиционно между методами анализа и синтеза радиофизических цепей и оптических структур существовало принципиальное различие, заключающееся в том, что в первом случае параметры рассматриваемых неоднородных сред являлись сосредоточенными, а во втором распределенными. Однако, с освоением сантиметрового, миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов электромагнитного спектра эти различия, с точки зрения соотношения между масштабом неоднородности среды и длиной волны, практически исчезли и появилась возможность развить весьма удобный и продуктивный метод синтеза и анализа СВЧ-четырехполюсников (метод импедансных характеристик) на аналогичные задачи для слоисто-неоднородных сред.

1. Матричный метод.

Матричный метод основан на том, что слоисто-неоднородную среду можно охарактеризовать соответствующей унимодулярной 2x2 матрицей, называемой характеристической. Слои структуры при этом считаются плоскопараллельными и оптически однородными и могут иметь проводимость. Через компоненты этой матрицы рассчитываются коэффициенты отражения, пропускания и поглощения электромагнитной волны в слоистонеоднородной среде. Как правило начальное ( z = 0 ) решение волновых уравнений выражают где Q - матрица решений волновых уравнений, а матрица M - характеристическая, причем M = 1.

Основным удобством такого метода является возможность последовательно рассчитывать слоистые структуры, т.е. при переходе от z=0 до z = z1 и от z = z1 до z = z 2, матрицы просто Тогда для коэффициентов отражения и пропускания соответственно имеем:

имеет вид:

2. Метод импедансных характеристик [2,3,11,14,15].

В отличие от матричного метода, метод импедансных характеристик заключается в установлении связи между входными импедансами в двух любых сечениях слоистой структуры, то есть в его основе лежат операции не с абсолютными значениями напряженностей составляющих электромагнитного поля, а с относительной величиной, равной отношению их поперечных составляющих, что существенно упрощает вычислительную сторону задачи. В то же время на любом этапе рассмотрения процесса распространения волн в слоистых структурах, абсолютные величины амплитуд результирующих полей посредством элементарных вычислений могут быть записаны на импедансном языке. Кроме того, можно с позиций метода импедансных характеристик говорить о наиболее общих закономерностях интерференционных процессов, происходящих в слоисто-неоднородных средах. Однако этот метод был недостаточно разработан применительно к анализу распространения электромагнитных волн в слоисто-неоднородных средах, что и послужило причиной для входной импеданс в j-ом сечении, будем для него иметь:

импеданс в (j-1)-ом сечении. Для удобства записи формулу (1) можно переписать в матричном виде, если положить входные импедансы в j-ом и (j-1)-ом сечениях равными соответственно:

многослойной структуры. Тогда:

компоненты квадратной матрицы,характеризующей j-й слой, легко найти, сравнивая (1*) и (1). Задавая входной импеданс на правой границе многослойной структуры z0 = g 0 и пересчитывая входной импеданс на левую границу, находим входной импеданс всей Если слева и справа от многослойной структуры находится пространство с волновым сопротивлением 1/n, тогда амплитудные коэффициенты отражения r и пропускания будут импеданс на правой границе многослойной структуры, по формулам (1) или (1*), можно найти входной импеданс в любом ее сечении. Воспользовавшись формулами (2) и (3), легко вычислить коэффициент поглощения A структуры по мощности:

где знак * означает комплексное сопряжение. Метод импедансных характеристик позволяет рассмотреть распределение амплитуды и фазы результирующего поля внутри каждого отдельного слоя структуры. Направив ось 0 X в направлении распространения волновой В свою очередь, A j определяется амплитудой падающего поля A0 и коэффициентом

II. ИНТЕРФЕРЕНЦИОННЫЕ ЯВЛЕНИЯ В РЕЗОНАНСНЫХ СТРУКТУРАХ.

1. Интерференционные явления в слое с поглощением [1-6].

В принятой нами постановке задачи предполагалось,что некоторая среда, представляющая собой плоскопараллельный слой с комплексной относительной сечение волновода с волновым сопротивлением z0, регулярного со стороны падающей на слой СВЧ-волны и нагруженного на некоторую нагрузку zн,отстоящую от слоя на расстояние dкз.

Как уже отмечалось выше,целью исследования было установление оптимальных значений (интервалов значений) величин d0, dкз и zн с точки зрения переноса вариаций удельной проводимости слоя на вариации параметров СВЧ-волны.

Исследование проводилось численно и аналитически для двух принципиально отличающихся случаев: симметричного расположения слоя в волноводе (zн=z0) и не симметричного (zн z0). В результате анализа в широком диапазоне значений удельной максимальной крутизной dr d соответствуют минимальным значениям r. Причем,в случае симметричного расположения слоя в волноводе, это условие соответствует полуволновой толщине слоя. Кроме того, было показано, что ни при каких условиях в случае симметричного расположения слоя в волноводе невозможно обеспечить полное поглощение в нем волновой энергии.

В отличие от симметричного, при не симметричном расположении слоя в волноводе (нами была исследована наиболее эффективная не симметричная схема, при которой в качестве нагрузки был выбран отражатель, на СВЧ это короткозамыкающая нагрузка, при которой zн=jz0 tg dкз) было показано, что можно при определенных соотношениях d0,dкз и обеспечить полное поглощение волновой энергии в слое. На основе метода импедансных характеристик для случая малых потерь ( ), пренебрегая членами второго порядка малости по //, аналитически было получено в явном виде условие полного поглощения волновой энергии в слое:

соответственно, - волновое сопротивление свободного пространства. Одновременное выполнение условий (6) и (7) обеспечивает режим полного поглощения, т.е. нахождение глобального экстремума функции dr / d (, d 0, d кз, ).

В то же самое время условие (7), как было установлено в результате анализа, определяет полное множество значений dкз, при которых имеют место локальные максимумы поглощения при любой, отличной от оптимального значения по (6), толщине слоя.Причем, как показало исследование распределения напряженности электрической компоненты поля волны, экстремальным значениям поглощения соответствует такое распределение поля волны, что максимальное значение напряженности электрической компоненты всегда находится на передней (по отношению к падающей волне) грани слоя, т.е., например, если т.д. Таким образом, полученные соотношения позволяют с одной стороны обеспечить режим максимального поглощения энергии волны в слое, а с другой-максимальную крутизну зависимости r ( ), т.е. максимальное разрешение по СВЧ ( или оптическому) каналу возможных вариаций удельной проводимости слоя.

Проведенный численный, аналитический и экспериментальный анализ показали, что в окрестности глобального и локальных экстремумов характер функции r (, d 0, d кз, ) в первом приближении имеет линейный характер и при наличии возмущений удельной проводимости слоя = + справедливо соотношение r =, где -постоянная для данного материала среды и характеристик волны и волноведущей линии. Причем, для тонких слоев ( d 0 ) в широком диапазоне удельных проводимостей слоя 10 10 (ом м ) справедливо соотношение r = 10 d 0, где d 0 [мкм].

Таким образом, проведенный анализ интерференционных явлений в слое с поглощением позволил определить условия оптимального взаимодействия электромагнитной волны со средой, а полученные при анализе простые аналитические соотношения их практическую реализацию.

Однако, на практике далеко не всегда приемлемы толщины, определяемые условием (6), как правило они оказываются значительно меньше. В этих случаях приходится, используя условие (7), формировать взаимодействие волны со средой в области одного из локальных экстремумов поглощения,но при этом, поскольку не обеспечивается полное поглощение энергии волны в слое, происходит, иногда значительное, ухудшение качества параметров системы в целом:в случае приема излучений - уменьшение дальности приема и потеря информации; при диагностике-ухудшение разрешающей способности и чувствительности метода и т.д. С другой стороны из анализа общих условий согласования было очевидно, что в рассматриваемом нами случае существует возможность для любого из локальных экстремумов поглощения реализовать режим полного поглощения энергии волны в слое при соответствующем подборе волновых характеристик (волнового сопротивления) среды из которой на слой падает волна, т.е. расположением между волноведущей линией и слоем некоторой среды или определенной совокупности сред, удовлетворяющей по своим волновым характеристикам этому требованию.

2. Интерференционные явления в многослойных резонансных поглощающих структурах.

Задача обеспечения максимально возможного поглощения волновой энергии в материальных средах имеет, как уже отмечалось выше, достаточно общий и приоритетный характер в самых разнообразных областях физики. В этой постановке происходит сближение проблем радиофизики и оптики, причем, если исторически методы синтеза специальных цепей в радиофизике начали интенсивно развиваться примерно на два десятилетия раньше, чем в оптике, то интенсивное развитие аналогичных методов в оптике в 50-годы, во многом заимствованных из радиофизики в силу схожести проблем, со своей стороны указало на эффективный путь решения схожих задач использованием интерференционных явлений в многослойных структурах. Особенно это стало актуальным с освоением в радиофизике сантиметрового, миллиметрового и субмиллиметрового диапазона длин волн. Многослойные структуры, обеспечивающие полное поглощение волновой энергии в слабо поглощающих, или сильно отражающих слоях, могут широко применяться для приема, детектирования и спектрального анализа коротковолновой энергии, фильтрации и анализа сигналов, диагностики сред и визуализации электромагнитных полей.

Поскольку идея использования многослойных структур в радиофизических СВЧустройствах пришла из оптики, то было естественным проанализировать уже достаточно хорошо к этому времени развитые в оптике математические методы синтеза и анализа многослойных структур и достигнутые при этом результаты.

Aнализ показал, что действительно, в теории оптики многослойных покрытий рассматривалась задача обеспечения максимального поглощения волновой энергии в слабопоглощающем слое, и при этом было показано, что многослойные структуры, включающие в себя тонкий слой слабопоглощающего материала, обрамленного одинаковыми наборами непоглощающих слоев с чередующимися показателями преломления, могут обеспечить значительное, но не превышающее 50% поглощение падающей энергии (Кард П.Г.

Анализ и синтез многослойных интерференционных пленок. Таллин, ”Валгус”, 1971г.).С другой стороны, многочисленные экспериментальные, численные и аналитические исследования, проводившиеся нами в СВЧ-диапазоне и, особенно, результаты представленные в настоящем докладе ранее (соотношения (6) и (7)) и сделанные на основе их анализа выводы, однозначно указывали на принципиальную возможность осуществления 100% поглощения энергии в слабопоглощающем слое при использовании не симметричных (имеющих различное количество слоев), обрамляющих этот слой, многослойных структур. Поскольку в теории и практике анализа и синтеза многослойных покрытий в оптике использовались резонансные, состоящие из четвертьволновых по оптической толщине слоев, структуры, то нами был проведен анализ оптимальности такого выбора толщины слоев многослойной структуры, в результате которого было установлено, что при таком выборе толщины слоев, реализуется оптимальное решение задачи согласования относительно такого параметра многослойной структуры, как общее число ее слоев, т.е. такой выбор толщины слоев обеспечивает при минимальном числе слоев максимальную согласующую (отражательную) способность структуры.

2.1 Многослойный интерференционный поглотитель волновой энергии [7-16].

Используя развитый для решения такого типа задач метод импедансных характеристик, анализ был проведен для конкретного случая, переход к которому отнюдь не ограничивал общности рассмотрения. В случае различных волноведущих линий, в том числе и для свободного пространства, анализ впоследствии проводился аналогичным образом с соответствующими заменами импедансных характеристик слоев и граничных сред.

Пусть многослойная система помещена в прямоугольный волновод, возбужденный на основном типе колебаний H10. Такое рассмотрение справедливо, например, при полном заполнении волновода слоями, образующими структуру. Тогда выражения для волнового (аналогичным образом можно рассмотреть слой произвольной толщины), характеризуется = + i и помещен между двумя наборами диэлектрических слоев с оптической толщиной / 4. Под имеется в виду длина волны в волноводе при вакуумном его заполнении, соответствующая некоторой определенной длине волны в свободном пространстве. Каждый слева и справа от МИП находится волновод при вакуумном заполнении, а число слоев в обрамляющих наборах четно и обозначено 2r1 и 2r2. Считая потери во всех слоях малыми, введем малые величины:

компоненты матриц M j в ряд по малому параметру с точностью до членов второго порядка малости с помощью формул (1) и (10), формулы (1’)-(3) можно значительно упростить.

По формуле (1’) после несложных преобразований для входного импеданса в 2r1-ом U = sin(r arccosa ), где k,l,m,p – однозначно определены через параметры слоев [14,15].

равные U r 2 O ( 2).. Таким образом из соотношения (3) для коэффициента пропускания имеем:

С помощью (4) для коэффициента поглощения структуры получим:

Из полученных соотношений видно, что действительно, для симметричной системы В то же самое время, переходя к системе не симметричной (увеличивая число слоев справа от рабочего слоя), в случае отсутствия потерь в слоях многослойных структур, граничащих с рабочим слоем, можно добиться полного поглощения падающей энергии в рабочем слое. При этом условие максимального поглощения имеет вид = 1,или:

2r2.Действительно, в этом случае при П :

с учетом потерь в слоях обрамляющих рабочий слой структур дают:

2.1.1.Спектральные характеристики.

Анализируя полученное соотношение нетрудно установить резонансный характер зависимости A ( ). Поэтому характеризовать спектр МИП может добротность Q системы в целом ( или ширина полосы частот поглощения, обратнопропорциональная величине Q ), определяемая в нашем случае отношением резонансной длины волны к ширине резонансной кривой поглощения на уровне Amax.Как для симметричной, так и для не симметричной МИП добротность определяется соотношением:

Как видно из полученного соотношения, наличие потерь в обрамляющих наборах слоев несколько уменьшает добротность системы, причем поправочный эффект в этом случае довольно мал, т.к. ~ max { 1, 2} и величины,, как правило, имеют значения на 2-3 порядка меньшие, чем.

2.1.2. Перестройка по резонансной частоте и полосе поглощения.

Особый интерес представляет случай, когда справа от рабочего слоя после первого обрамляющего набора слоев расположен высокоэффективный отражатель с коэффициентом отражения близким к (–1) в широком диапазоне длин волн (в СВЧдиапазоне, например, рассмотренный уже выше, волноводный границы первого набора до аналогичным образом, получим выражение для коэффициента поглощения аналогичное по форме, однако, в отличие от ранее рассмотренного, в данном случае имеется существенная особенность, заключающаяся в том, что теперь порядок величины иметь нулевой порядок малости по и, более того, значительно превышать значение 1.

Преимущества рассматриваемой системы заключается в том, что с помощью изменения числа слоев 2r1 в первом наборе можно в широких пределах изменять добротность системы при сохранении Amax 1 (при условии, конечно, что F 2 max{, } 1 при интересующем нас значении F 2 ). Кроме того, из полученных соотношений видно, что если при изменении длины волны падающего излучения изменять положение отражателя, то можно обеспечить выполнение условий режима согласования. Это означает, что резонансную кривую поглощения с помощью изменения положения отражателя можно сместить по длине волны относительно 0. Проведенный анализ также показал, что изменением расстояния до отражателя можно скомпенсировать реальный, имеющий место на практике, разброс по толщине слоев структуры при их изготовлении.

Проведенные методом импедансных характеристик численные и аналитические исследования распределения напряженности электрического поля в МИП, позволили установить общие закономерности и условия, при которых можно реализовать требуемое распределение в МИП (например, максимальное или минимальное значение напряженности поля в рабочем слое) в зависимости от характера решаемой конкретной задачи.

Кроме приведенных здесь основных результатов было проведено большое количество аналитических, численных и экспериментальных исследований МИП различных модификаций, которые, в силу большого объема, по объективным причинам не могут быть представлены в настоящем докладе, однако все эти результаты отражены в работах, представленных в списке публикаций докладчика.

3.Явление волноводной дисперсии. Однослойное согласование высокоотражающих нагрузок на СВЧ [38,42].

Рассмотренные выше многослойные мнтерференционные поглотители могут обеспечивать полное поглощение волновой энергии не только в слабопоглощающих слоях, но и в сильно отражающих материалах. Для этого достаточно синтезировать первое многослойное зеркало с модулем коэффициента отражения равным модулю коэффициента отражения от высокоотражающей среды и с соответствующими фазами отличающимися на кратное число. В таком случае отпадает необходимость во втором зеркале и отражателе. Однако такое решение обладает очевидными недостатками. Во-первых, поскольку среда сильно отражающая, первое зеркало должно иметь весьма высокий коэффициент отражения, т.е.

довольно большое число слоев, что приводит к появлению заметного, нежелательного поглощения в слоях зеркала и, кроме того, довольно большим его геометрическим размерам, что в ряде случаев делает такой способ решения проблемы согласования неприемлемым (работа в условиях низких и сверхнизких температур, где требуется минимально возможная теплоемкость системы в целом).

От этих недостатков свободен предложенный нами способ, при котором, используя дисперсионные свойства волноведущей линии, можно обеспечить полное поглощение энергии электромагнитной волны в высокоотражающих материалах (металлы) с помощью лишь одного четвертьволнового слоя. Если высокоотражающая нагрузка с волновым импедансом волновода, соответственно. Из условия согласования видно, что при c можно обеспечить режим согласования со сколь угодно малой величиной z н.

необходимого сечения), можно согласовывать высокоотражающие нагрузки с помощью одного четвертьволнового слоя, физическая толщина которого конечна и равна d = z / 4.

На основании метода импедансных характеристик, аналитически, пренебрегая членами второго порядка малости относительно величины z н, было получено соотношение для формулам и проведенный эксперимент, показали, что это соотношение справедливо для Q с ошибкой не более нескольких процентов. На рис.3 представлена характерная спектральная характеристика такого согласователя, полученная численно по точным формулам.

Предложенный способ согласования высокоотражающих нагрузок на СВЧ, представляет собой простую, компактную систему, имеющую, кроме того, еще одно весьма существенное преимущество: выбор материала для четвертьволнового диэлектрического слоя ограничивается практически лишь единственным требованием 1 (потери в слое разумеется, как и в любом другом методе, должны быть малы).

Таким образом, проведенные исследования показали на принципиальную возможность обеспечить практически полное поглощение волновой энергии в тонком слабопоглощающем или сильноотражающем слое, используя интерференционные явления в слоисто-неоднородных структурах. Полученные результаты, позволяют синтезировать многослойные согласующие структуры с заданными характеристиками при решении конкретных прикладных задач как в радиофизике СВЧ, так и в оптическом и ИК диапазонах, о некоторых из которых будет доложено в настоящем докладе ниже.

III. ТОНКОСЛОЙНЫЕ ИНТЕРФЕРЕНЦИОННЫЕ СТРУКТУРЫ.

Принципиальное решение задачи полного поглощения волновой энергии в тонких слабопоглощающих слоях, о котором шла речь выше, создание основ теории синтеза и анализа различного типа МИП, возможность их применения в самых разнообразных задачах, все это способствовало относительно быстрому совершенствованию методов и обобщению результатов, относящимся к многослойным структурам резонансного типа, состоящим из четвертьволновых, полуволновых или близким к ним по оптической толщине слоев. Однако, развитие современной физики и техники, интенсивное освоение такой области электромагнитного спектра, как среднего и дальнего ИК диапазонов, необходимость решения задач диагностики слоисто-неоднородных сред с параметром неоднородности существенно меньше длины волны излучения – все это потребовало проведения анализа интерференционных свойств и особенностей многослойных структур со сверхтонкими (существенно меньше длины волны) слоями.

В то же время, проводившиеся нами численные и экспериментальные исследования спектральных характеристик различного типа многослойных структур резонансного типа, показывали, что при длинах волн существенно превышающих резонансную, т.е. когда слои структуры становились значительно меньше четвертьволновых, в их спектрах отражения и пропускания наблюдаются экстремумы, причем, иногда носящие абсолютный характер (равенство нулю коэффициента отражения или пропускания структуры). Более того, и в спектрах пропускания и отражения резонансных структур в их рабочей области иногда обнаруживались экстремумы, которые не имели объяснения в рамках теории синтеза резонансных структур. Отсутствие в то время какой-либо информации о возможности существования такого типа многослойных, тонкослойных структур, можно объяснить с одной стороны относительно недавно появившейся на тот момент потребностью в них прикладной физики и техники, а с другой - существенно более трудоемкой математически задачей аналитического исследования свойств структур, толщины слоев которых не являются резонансными.

1. Оптические и структурные свойства [33,37,43,].

Рассмотрим взаимодействие плоской монохроматической волны с некоторой многослойной структурой и расположенной за ней средой, в предположении, что поглощение в слоях отсутствует, падение волны нормально к плоскости слоев структуры, а мнимая часть коэффициента отражения волны от среды равна нулю. Потребуем равенства нулю коэффициента отражения волны от системы многослойная структура-среда, то есть рассмотрим задачу “просветления” (согласования) некоторой среды многослойной структурой. Такая постановка задачи в рамках условия “просветления” некоторой среды (подложки), с одной стороны обусловлена максимальным приближением рассматриваемой задачи к практике, поскольку в оптике и радиофизике вся совокупность основных прикладных задач (синтез различного рода высокоотражающих зеркал, полосовых фильтров и просветляющих (согласующих) оптических систем) имеет прикладной интерес при рассмотрении в совокупности с параметрами согласуемой среды (подложки), а с другой, не обужает общего подхода, поскольку мы не налагаем ограничений на оптические характеристики внешних сред.

Все характеристики согласующей структуры, состоящей из набора плоскопараллельных слой примыкающий к согласуемой среде), могут быть получены из условия равенства нулю коэффициента отражения волны от системы “согласующая структура - согласуемая среда”, которое эквивалентно двум независимым уравнениям вида :

где -показатель преломления среды, из которой распространяется волна, а ( x N ),U K 2 ( x N ) -полиномы Чебышева второго рода. Из уравнений (1) и (2) легко получить :

Система уравнений (3)-(4) содержит все возможные решения рассматриваемой задачи, то есть всю совокупность структурных, оптических и спектральных свойств рассматриваемых многослойных структур.

Рассмотрим простейшую, но наиболее распространенную при практической реализации периодических структур любого типа, многослойную тонкослойную интерференционную структуру (ТИС) с двухслойным периодом.

Для нечетного (N*=2K+1) соответственно имеем:

структуры соответственно.

четвертьволновым, полуволновым и кратным им толщине слоев, получим полное множество решений для толщины слоев структуры не равных и не кратных четвертьволновым и полуволновым:

Соотношения (7) и (8) представляют собой алгебраические уравнения степени 2К воспользоваться условием связи (6). Соотношение же (5) позволяет определить согласующую способность того, или иного ТИС, в зависимости от выбора материала и толщины его слоев.

Из соотношения (5) видно, что решения системы (5)-(8), соответствующие толщине слоев преломления слоев структуры, один из слоев в периоде структуры оказывается меньше четвертьволнового, а другой больше. Кроме того, совершенно очевидно, что тонкослойные решения для толщин слоев ТИС являются минимально возможными, но не единственными, Таким образом, найденные решения для ТИС дополняют имеющееся множество решений такого типа задач в классе резонансных структур (с толщиной слоев структуры равной или большей четвертьволновой).

Поскольку наибольший интерес представляют структуры, имеющие минимально возможную толщину слоев, то в дальнейшем ограничимся рассмотрением задачи именно в этой постановке. В этом случае из уравнений (7),(8), подставив в них выражения для U K (x ) в явном Причем, при К=1 формулы (9) и (10) являются точными.

Таким образом, задача о синтезе ТИС была решена и, тем самым, было установлено принципиальное существование такого класса структур.

Рассмотрим основные свойства, вытекающие из полученных решений, являющихся алгоритмом синтеза ТИС.

Прежде всего из соотношения (5) видно, что ТИС обладает уникальными оптическими свойствами, которые выделяет ее в особый класс структур, согласующая способность которых не зависит (инвариантна) от общего числа слоев (периодов), четности и числа слоев в периоде и порядка их чередования. При этом достижение требуемой согласующей способности может быть осуществлено за счет изменения либо соотношения толщины слоев в периоде ТИС, либо показателей преломления слоев, либо за счет использования дисперсионных свойств линии передачи n L. Здесь же необходимо отметить, что это свойство ТИС имеет существенное значение при решении практических задач просветления различного рода оптических материалов. Как видно из соотношения (5) согласующая способность тонкослойных структур определяется величиной показателей преломления ее слоев и соотношением их толщины в периоде структуры, в то время как согласующая способность резонансных структур определяется величиной показателей преломления ее слоев и их числом, которое является дискретным (целочисленным) параметром, т.е. в случае тонкослойных структур, в отличие от резонансных, можно для наперед заданных материалов ее слоев реализовать просветление различных оптических материалов с показателями преломления, значения которых лежат на непрерывном множестве значений области амплитудной перестройки ТИС, что существенно расширяет диапазон материалов, которые могут быть использованы для решения задач просветления на практике.

Не влияя на согласующую способность ТИС, число периодов структуры оказывает существенное влияние на ее структурные и спектральные свойства. Так из соотношений (9),(10) видно, что толщина слоев ТИС обратно пропорциональна числу периодов в ней.

Именно эта структурная особенность и дает принципиальную возможность создания ТИС с толщиной слоев существенно (в десятки раз) меньше четвертьволновых. Более того, полная оптическая толщина такого класса структур оказывается инвариантной относительно полного числа слоев в них. Минимальное значение полной оптической толщины ТИС D min достигается 2. Спектральные характеристики [33,45,47].

Поскольку при увеличении числа слоев ТИС их толщины, как видно из (9) и (10), асимптотически стремятся к нулю, то можно записать:

которых имеет место режим согласования в области тонкослойных решений (длинноволновая область спектра), или, другими словам и, определить все значения длин волн lM,при которых на спектральной характеристики ТИС наблюдаются абсолютные максимумы где j=2l-1.Аналогичным образом можно показать, что соотношение (12) определяет также значения всех длин волн lm, при которых имеют место локальные минимумы пропускания ТИС в длинноволновой области, с той лишь разницей, что в этом случае j=2l, где l 1 (K-1).

В коротковолновой области спектра ТИС ( 4 n2 d 2 ) поле экстремумов спектральной характеристики ТИС имеет вид:

соответственно минимумы, коэффициента пропускания ТИС; q, s, g – целые. Из полученных соотношений, дающих полное поле экстремумов спектральных характеристик ТИС, видно, что вне зависимости от четности числа ее слоев, число максимумов равно K, а минимумов – (K-1), кроме того (при большом К, или относительно малом j), положение экстремумов относительно основного (самого длинноволнового) 1M, не зависит от числа и показателей причем, в силу структурных особенностей ТИС, минимум энергетического коэффициента пропускания на длинах волн lm будет определяться лишь характеристиками линии передачи и согласуемой нагрузки, т.е. хорошо известным соотношением для коэффициента пропускания своему абсолютно минимальному значению, соответствующему длинам волн на которых слои становятся четвертьволновыми:

Характерный вид спектральных характеристик ТИС иллюстрирует рис.4, где ns = 3,42( S i );n1 = 1,45( Ba F 2);n2 = 2,55( Z n S e);1M = 10,6 мкм. ( a – N=20, b – N=4).

Как видно из полученных соотношений в отличие от длинноволновой, положение и величина экстремумов в коротковолновой части спектра ТИС сильно зависят как от толщины и числа слоев ТИС, так и от их оптических характеристик. Здесь же необходимо отметить, что полученные результаты позволили дать теоретическое обоснование и объяснение, наблюдавшимся иногда, как отмечалось выше, экстремумам на спектральных характеристиках резонансных структур.

Таким образом, проанализировав основные свойства синтезированных ТИС, учитывая их фундаментальность и инвариантность относительно структурных параметров, можно сделать, очевидно, первые общие выводы о характере физических интерференционных процессов, лежащих в основе алгоритма их синтеза и, тем самым, определить место ТИС среди структур известного типа.

Принципиальное отличие ТИС от рассмотренных ранее резонансных структур заключается в том, что, если в первых с увеличением числа их слоев происходит, как мы видели, резонансное нарастание в них напряженности электрического поля и, как следствие, их отражательной (согласующей) способности, то в ТИС согласующая способность определяется лишь показателями преломления и соотношением толщины слоев в периоде структуры и не зависит от их числа. Это связано с тем, что в структурах резонансного типа фазовые характеристики слоев фиксированы (оптические толщины слоев постоянны) и при увеличении числа слоев происходит суммирование амплитудных составляющих. Напротив, в тонкослойных структурах, в силу алгоритма их синтеза, с увеличением числа слоев происходит изменение их фазовых характеристик (уменьшение толщины слоев с увеличением их числа), таким образом, что наперед заданная амплитудная составляющая остается постоянной, а фазовая характеристика каждого слоя изменяется так, что общая фазовая характеристика всей структуры удовлетворяет условию согласования. Таким образом, ТИС представляет собой класс структур не резонансного типа, в которых оптимизация всех ее параметров происходит за счет управления фазовыми компонентами интерферирующих в структуре волн. С увеличением же числа слоев происходит не накопление энергии в структуре, а смещение основной (наиболее длинноволновой) области согласования в сторону больших длин волн, с появлением со стороны меньших длин волн дополнительных областей согласования, т.е.

происходит оптимальное (с точки зрения передачи волновой энергии в нагрузку) спектральное перераспределение волновой энергии.

Оптимальное фазовое управление структурными свойствами ТИС позволяет реализовать еще одно ее важное и, на первый взгляд противоречащее волновым представлениям, свойство.

Известно, что фаза коэффициента отражения волны от слоя приобретает значение = при четвертьволновой его оптической толщине. С другой стороны, имея, как было показано выше, оптическую толщину меньшую четвертьволновой, ТИС в тоже время, представляя собою набор сред с линейными характеристиками, реализует равную фазу коэффициента отражения. Объяснение этого факта связано с тем, что зависимость фазы коэффициента отражения от толщины является функцией нелинейной, имеющей различную крутизну на разных ее участках. Алгоритм синтеза ТИС таков, что он обеспечивает выборку участка в каждом слое с максимальной крутизной, который как раз и приходится на ее начальную (тонкослойную) часть, что хорошо видно из рис.5.

3.Тонкослойные интерференционные фильтры (ТИФ) [46,58,60,63].

Во многих случаях при реализации тех или иных радиофизических или оптических устройств возникает необходимость формирования определенной спектральной характеристики при распространении волн в регулярной среде, причем таким образом, чтобы на определенных длинах волн или в определенном их интервале было обеспечено близкое к полному прохождение энергии электромагнитной волны, т.е. осуществлена фильтрация спектра волны, распространяющейся в регулярной среде.

Было проведено исследование возможности использования тонкослойных структур для решения такого рода задач и тех особенностей, которые, с учетом особых свойств ТИС, могут быть присущи таким фильтрующим структурам.

3.1. Структурные свойства.

Поскольку рассматривалась задача прохождения волны через ТИС, расположенную между двумя одинаковыми по оптическим характеристикам и полубесконечным средам, то, полагая nL = ns = n, из соотношений (1) и(2) получим:

Проведя аналитические преобразования, аналогичные описанным выше, было получено условие связи толщины слоев в периоде ТИФ:

Как следует из полученных соотношений, для синтеза ТИФ необходимо выполнить лишь условие связи между толщиной его слоев в периоде, выбор же самой толщины произволен.

Таким образом, при заданных параметрах n1, n2, n, N* и может быть реализовано множество ТИФ, отличающихся толщиной его слоев в периоде, что дает возможность удовлетворить самым разнообразным требованиям, предъявляемым к ТИФ при решении конкретных задач технологического или физического характера. Кроме того, из соотношений (21) и (22), как и для ТИС, следует, что при данном соотношении между толщиной слоев ТИФ их абсолютное значение обратно пропорционально числу слоев всей структуры. При условии К 1 легко получить выражение для полной оптической толщины ТИФ:

n1 и n2 (n1 n2) удовлетворяет неравенству D / 2, причем в частном случае, при n2=n1n2, полная оптическая толщина ТИФ оказывается минимальной и равной 3.2.Спектральные характеристики.

Проведенный анализ спектральных характеристик ТИФ (опустим здесь промежуточные выкладки, поскольку они аналогичны соответствующему анализу для ТИС) показал, что спектральная характеристика ТИФ аналогична спектральной характеристики ТИС, имеет также две области: длинноволновую и коротковолновую.

Все значения длин волн, при которых наблюдаются абсолютные максимумы пропускания в длинноволновой области могут быть найдены из соотношения:

где i=1,2; j=1+(K-1) при четном числе слоев (N*=2K); j=1+K при нечетном числе слоев (N*=2K+1).

Аналогичным образом можно показать, что полученное соотношение определяет также все значения длин волн,при которых имеют место локальные минимумы пропускания в длинноволновой области с той лишь разницей, что в этом случае j=(2l-1)/2;l=1+K (при N*=2K+1); l=1+(K-1) (при N*=2 K).

Из периодичности тригонометрических функций легко показать, что максимумы и минимумы пропускания ТИФ в коротковолновой области спектра будут наблюдаться при следующих значениях длин волн:

натуральные числа.

Соотношения, определяющие глубину минимумов на спектральной характеристике ТИФ, была получена методом, аналогичным при исследовании подобных характеристик ТИС. Так, глубина минимумов коэффициента пропускания в спектре ТИФ при выполнении условия ( /K)j 1 определяется практически лишь коэффициентами преломления слоев ТИФ и внешней среды:

плавно уменьшаться, стремясь к своему абсолютному минимуму для данной структуры, реализуемому на длине волны 1m и равной:

(N*=2K) (N*=2K+1) причем первый такой абсолютный минимум (s=1) является границей, разделяющей длинноволновую и коротковолновую области спектра ТИФ.

Коротковолновая область спектра ТИФ, как видно из полученных соотношений, состоит из периодически повторяющихся абсолютных минимумов, положение и глубина которых определяются полученными соотношениями, и расположенными между ними N* абсолютных максимумов и (N*-1) локальных минимумов при N*=2K+1;(N*-1) абсолютных максимумов и (N*-2) локальных минимумов при N*=2K. Как видно из приведенных соотношений, в отличие от длинноволновой положение и глубина экстремумов в коротковолновой области зависят как от толщины и от числа слоев ТИФ, так и от их оптических характеристик.

Таким образом, фильтрующие многослойные системы, синтезированные на основе тонкослойных структур, обладают теми же основными структурными и спектральными свойствами, что и ТИС, а полученные в результате аналитического анализа соотношения, как и в случае ТИС, позволяют довольно легко синтезировать не только их структуру, но и выстроить полную их спектральную характеристику по наперед заданным условиям.

Проведенный анализ основных свойств ТИС и ТИФ с двухслойным периодом показал, что структурные свойства такого класса структур существенно влияют на их волновые, оптические характеристики и анализ ТИС с более сложной структурой мог позволить установить новые, дополнительные и наиболее общие их свойства.

4. Тонкослойные структуры с трехслойным периодом [48,49,51,55,58,63].

Проведя, несколько более трудоемкие, но аналогичные случаю двухслойной ТИС выкладки, с той лишь разницей, что период многослойной структуры в данном случае имел вид (n1,n2,n3), была получена система уравнений относительно ns и Tj, позволяющая синтезировать ТИС с трехслойным периодом и провести анализ ее основных свойств:

Рассмотрим здесь случай, когда у структуры оптические толщины слоев одинаковы, т.е.

выполняется условие T1=T2=T3=T. Тогда решение имеет вид:

Отметим два очевидных следствия из соотношения (17). Во-первых, как и для ТИС с двухслойным периодом, толщина ее слоев обратно пропорциональна числу слоев в структуре;

во-вторых, поскольку, как легко видеть, P 3 (n1 n2 n3), то для суммарной оптической толщины всей структуры справедливо соотношение:

Отличительной особенностью рассматриваемой ТИС является, как видно из соотношений (16) и (17), наличие двух пар решений (ns1, 1 ) и (ns2, 2 ), из которых одно наиболее длинноволновое, аналогично соответствующему решению для ТИС с двухслойным периодом, а второе - дополнительное. Таким образом, ТИС с трехслойным периодом может обеспечить согласование двух различных по оптическим свойствам нагрузок на разных длинах волн, причем, как показал анализ, меняя число слоев в ТИС и порядок их чередования, можно варьировать эти значения в довольно широких пределах. Кроме того, оказалось, что в целом ряде случаев согласующая способность таких ТИС оказывается существенно выше, чем резонансных четвертьволновых структур с тем же числом и порядком чередования слоев. Было получено точное аналитическое решение системы (16)позволяющее синтезировать такие ТИС для решения конкретных прикладных задач, однако, в силу громоздкости полученных соотношений и относительно низкой, по этой причине, их информативности для визуального анализа, приведение их в настоящем докладе, очевидно, не целесообразно.

5. Зависимость характеристик тонкослойных структур от угла падения плоской волны [74,78,82].

Анализ характеристик ТИС при наклонном падении электромагнитной волны был проведен численным и аналитическим методами для различно структуированных тонкослойных структур. Из всего довольно большого объема полученной информации, приведем здесь лишь основные, имеющие определяющее значение для выявления именно общих, присущих тонкослойным структурам, свойств. Как показал анализ, практически все эти основные свойства и особенности можно получить аналитически, рассматривая ТИС с двухслойным периодом и одинаковой оптической толщиной слоев в периоде. Из соотношений (3) и (4) для рассматриваемого случая можно записать:

pi=nicos( i ) для s-поляризованной волны и pi=cos( i )/ni для p-поляризованной; i=1,2.

Считая n1d1cos( 1 )=n2d2cos( 2 ), т.е. T1=T2, для p-поляризованной волны получим два необходимых для согласования значения показателя преломления второго слоя (n21 и n22), и два значения показателя преломления среды, которая может быть согласована (ns1 и ns2):

значения n22,ns2 1, то для наличия двух решений необходимо соответственно выполнение условий:

Необходимо отметить, что при заданных n1,d1,nL и мы имеем 4 решения для показателя преломления согласуемой среды ns, поскольку каждое из решений может быть определено при двух значениях показателя преломления второго слоя (и соответственно при двух значениях его толщины). Таким образом, при выполнении условий (20) одну и ту же среду мы можем согласовать двумя парами слоев с показателями преломления n1,n21, и n1,n22 (с толщиной слоев соответственно d1,d21 и d1,d22). При выполнении одновременно условий (20) каждая из двух структур с показателями преломления n1 и n2i (i=1,2) и соответствующей толщиной, может согласовать одновременно две среды с показателями преломления ns1 и ns2 на заданной длине волны при заданном угле падения ( 0 ). На рис.6 представлена зависимость T ( ) для показывает численный эксперимент, при увеличении значения n2 и, соответственно, уменьшении n1, второй максимум смещается по углу влево и перестает быть абсолютным. С помощью небольшой (5-10%) вариации длины волны можно также изменять положение первого максимума, смещая его по углу вправо. Очевидно, что в случае, когда nL 1, подобная характеристика также может быть реализована при n2=nL,n1=ns.

С помощью небольшой (5-10%) вариации длины волны и соотношения толщины слоев можно изменять положение первого максимума, смещая его по углу вправо, однако с некоторым одновременным уменьшением коэффициента пропускания. В случае, когда волна падает из среды с nL 1, подобная характеристика для коэффициента пропускания также может быть реализована при n2=nL,n1=ns, причем, в этом случае всегда А=1.

Для s-поляризованной волны соответственно было получено:

Анализ показал, что в отличие от р - поляризации, в этом случае имеется лишь одно решение.

6. Особенности прохождения параксиальных пучков через тонкослойные структуры [63,72].

Как правило, все теоретические и численные работы по синтезу и анализу свойств многослойных структур проводятся в плосковолновом приближении в силу существенного упрощения процедуры решения таких задач. Правомерность такого упрощения обусловлена проведенными специальными исследованиями по прохождению гауссовых волн через резонансные многослойные структуры, которые и определили границы применимости плосковолнового подхода и дали возможность, в случае необходимости, вводить корректирующие поправки. Поскольку тонкослойные структуры являются структурами не резонансного характера и,кроме того, со специфическими структурными свойствами, то проведение аналогичного анализа было вполне оправдано. Из результатов анализа прохождения гауссовых волн через резонансные многослойные структуры известно, что общее условие применимости плосковолнового приближения при расчете энергетических коэффициентов отражения и пропускания непосредственно связано с добротностью многослойной структуры, которая, как уже отмечалось, растет с увеличением числа слоев структуры, причем, чем выше добротность, тем больше у нее производная от плосковолнового коэффициента отражения (пропускания) по углу падения и, тем менее справедливо плосковолновое приближение. В связи с этим, поскольку рассматриваемые тонкослойные структуры не являются резонансными и, как следствие, низкодобротны, следовало ожидать существенно более мягких критериев допустимости плосковолнового приближения, например, в зависимости от числа слоев.

Исследование прохождения гауссовых пучков через ТИС проводилось нами в основном численно по известной и хорошо отработанной стандартной методике, применяющейся для резонансных многослойных структур и не требующей, в связи с этим, здесь специального описания. Остановимся лишь на постановочного характера моментах, непосредственно связанных с рассматриваемой задачей.

Решением уравнения Гельмгольца в параксиальном приближении является параксиальная волна с волновым вектором k0, диаметром перетяжки 2 s, гауссовым распределением интенсивности, плоским фазовым фронтом в сечении z=0. Минимальная ширина перетяжки волны определяется дифракционным пределом сходимости, которая по аналогии с задачами для резонансных структур, была взята равной 5 0. Рассматривалось падение волны на многослойную структуру, находящуюся в сечении z=0. Предполагалось, что плоский фазовый фронт в сечении z=0 начинает искривляться в силу природы волны и взаимодействия со структурой и волну можно разложить по угловому спектру плоских волн.

Поскольку максимальный угол падения плоских волн определяется величиной минимальной перетяжки, то этот угол существенно меньше угла полного внутреннего отражения и, как следствие, в рассматриваемом случае не происходит потери энергии в многослойной структуре в результате полного отражения плоских волн на границе раздела двух сред. Таким образом, угловой спектр плоских волн узок и фазовые различия плосковолновых компонент малы.

Энергетические характеристики отражения и пропускания не учитывают фазовые различия, так как суммирование проводилось по квадратам амплитуд плоских волн.

При проведении численного эксперимента исследовалась зависимость коэффициентов пропускания и отражения от длины волны для различных периодических ТИС с двухслойным периодом при различных значениях ширины перетяжки, числа периодов и величины показателя преломления согласуемой среды. Для сравнения аналогичные расчеты проводились для одного четвертьволнового слоя.

В результате численного эксперимента было установлено, что начиная с числа периодов более четырех (K 4), спектр пропускания ТИС становится инвариантным относительно числа периодов, что являлось вполне ожидаемым результатом, учитывая структурные свойства ТИС. При уменьшении ширины перетяжки до минимально возможной в данной модели (5 ) коэффициент пропускания уменьшается незначительно (менее 0,2%), а коэффициент пропускания для волн высших мод незначительно меньше, чем для основной 00 моды при любых значениях ширины перетяжки (от 5 до 100 0 ). Сравнение с аналогичными характеристиками для четвертьволнового слоя показало, что в случае инвариантности спектра пропускания ТИС от числа периодов, спектр пропускания ТИС шире, чем для четвертьволнового слоя.

Для ТИС с одним двухслойным периодом спектр пропускания может быть как шире, так и уже, чем спектр пропускания четвертьволнового слоя, в зависимости от порядка чередования слоев в периоде ТИС. Анализ также показал, что как для ТИС, так и для четвертьволнового слоя, с ростом величины показателя преломления согласуемой среды ns, ширина соответствующих спектров пропускания уменьшается, что было также вполне предсказуемо, поскольку в этом случае растет добротность структуры.

Кроме того, поскольку физическая толщина ТИС инвариантна относительно числа периодов, cто в отличие от резонансных структур, учет ограниченности слоев в плоскости перпендикулярной падающей волне при определении характеристик прошедшей волны, практически не зависит от числа периодов ТИС. Так, проведенные оценки показывают, что для резонансной периодической структуры с двумя слоями в периоде, при наличии на первой границе раздела перетяжки шириной ws=n (n 1), ширина пучка следующим образом зависит от числа периодов К:

раскрытия пучка на расстоянии z=K(d1+d2) (d1,d2-физические толщины слоев), равен:

полная оптическая толщина при любых K меньше четвертьволновой и равна:

2 n1 n2 и при любом числе периодов изменение ширины пучка на расстоянии равном суммарной толщине структуры постоянно и при тех же параметрах слоев и согласуемой среды, как показали оценки, более чем на порядок меньше, чем у резонансных структур. Сравнение радиуса кривизны фазового фронта на расстоянии К – периодов, при аналогичных параметрах слоев и согласуемой среды, показало, что если взять за основу хорошо известное выражение для этого параметра:

числа слоев в тонкослойной структуре.

Таким образом, как и следовало ожидать, для тонкослойных структур правомерность использования плосковолнового приближения оправдана в существенно более широких пределах, чем для резонансных, более того, и здесь проявляется присущая структурам класса ТИС инвариантность относительно числа ее слоев.

7.Влияние малых потерь в слоях тонкослойных структур на их оптические характеристики [61,63,71,75].

При практической реализации многослойных структур из реальных материалов в оптическом или СВЧ диапазонах всегда имеют место потери энергии волны на поглощение в слоях структуры. Кроме того, наличие даже малых потерь, приводит к некоторому изменению оптических характеристик многослойной структуры – изменению согласующей способности и рабочей длины волны структуры. В связи с этим всегда желательно иметь возможность при синтезе структур для практической реализации корректировать прогнозируемые характеристики структур с учетом реальных потерь в их слоях.

В рамках модели “диэлектрик с потерями”, о которой шла речь выше, был проведен анализ влияния малых потерь в слоях ТИС на их оптические характеристики, т.е., импедансных характеристик и матричную методику, с учетом 1-го порядка малости по (и соответственно по ), аналитически был проведен анализ влияния малых потерь на согласующую способность ТИС и ее рабочую длину волны.

Учитывая специфические свойства рассматриваемых тонкослойных структур, можно, с целью упрощения анализа и не обужая общности рассмотрения, допустить:

где, -постоянные для данной ТИС величины, зависящие от оптических характеристик слоев, согласуемой нагрузки и длины волны.Поскольку в случае К= толщины слоев ТИС еще недостаточно малы, чтобы можно было воспользоваться разложением по малому параметру величины Т, то полученные постоянные коэффициенты, довольно громоздки и приведение их в настоящем докладе не целесообразно.

В случае периодической ТИС (K 1) из соотношений (3),(4), пренебрегая членами со степенями Т выше второй, было получено:

Полученные аналитически соотношения были проверены численно при изменении в интервале значений от 0,01 до 0,1 для различных модификаций ТИС. Отклонение аналитических результатов от численных лежит в интервале от 0,1% до 6% соответственно.

Таким образом, проведенный анализ показал, что наличие малых потерь в слоях ТИС приводит к пропорциональному величине удельных потерь в слое увеличению согласующей величины этих изменений инвариантны относительно числа слоев ТИС, что обусловлено структурными свойствами таких структур.

8. Влияние вариации показателей преломления и толщины слоев на оптические характеристики тонкослойных структур [54,55,59,71].

Как уже отмечалось выше, изготовление тонких диэлектрических пленок с заданными параметрами является весьма сложной технологической задачей. От ее решения зависит возможность адекватного теоретического анализа и синтеза многослойных структур. На практике всегда имеет место некоторое несоответствие значений показателей преломления слоев реализованных на практике, соответствующим параметрам в теории, кроме того, при изготовлении слоев всегда имеет место разброс их толщины, что также приводит к определенному изменению прогнозируемых параметров структур. Для выяснения степени влияния этих факторов на характеристики ТИС нами было проведено соответствующее аналитическое и численное исследование.

Были рассмотрены периодические ТИС с двух и трехслойным периодом. При исследовании влияния малых изменений показателей преломления слоев предполагалось, что они заданы следующим образом: ni=ni0+ ni, ni/ni ; i=1,2,3 (для двухслойного периода i=1,2). Решая систему (3),(4) в первом приближении относительно изменений согласующей способности и рабочей длины волны было получено:

где, - малые, постоянные для данной ТИС коэффициенты, зависящие от невозмущенных значений показателей преломления слоев, граничных сред, длины волны и толщины слоев.

Причем, характер полученных зависимостей справедлив как для двух, так и для трехслойных периодичесих ТИС с одинаковыми или разными по оптической толщине слоями в периоде, причем, в случае одинаковых оптической толщине слоев, при К 1, полученные соотношения, сохраняя характер зависимости, имеют простой вид:

Рассмотрение влияния вариации толщины слоев на характеристики ТИС было проведено для случая трехслойного периода, поскольку для двухслойного периода были получены точные соотношения связи толщины слоев в периоде, которые позволяют довольно просто решать подобную задачу при любых вариациях этих параметров. Рассматривались случаи малой вариации двух слоев ТИС 2 = 0, 1 = k 3 T и всех трех 1 = k1 3, 2 = k 2 3, j T, где j, k j приращения толщины слоев ТИС и коэффициенты связи приращений соответственно при условии обеспечения неизменности рабочей длины волны. В первом случае коэффициент связи является константой, определяемой значениями Т и ni, и в этом случае связь между варьируемой толщиной имеет линейный характер:

зависимость изменения согласующей способности ТИС от вариации толщины также линейна:

невозмущенных параметров слоев, граничных сред и длины волны.

Проведенный анализ для случая малого изменения всех трех толщин показал, что для реализации режима согласования на заданной длине волны существенным является выполнение лишь определенного условия связи между коэффициентами k1 и k2 :k1=Q-k2R, где Q,R-постоянные для данной структуры. Выбор же самих величин k1 или k2, при условии неизменности длины волны на основном пике согласования, обусловлен лишь требованиями к величине ns. Зависимость изменения согласующей способности ТИС от вариаций толщины ее слоев и в этом случае носит линейный характер: ns = ns ( 2 M + 3 S ), где M,S-постоянные для данной структуры коэффициенты.

Проведенное аналитическое и численное исследование показало, что как и в случае вариаций других параметров слоев ТИС, полученные соотношения не зависят от числа периодов структуры и порядка чередования в них слоев. Кроме того, аналитически были получены условия компенсации разброса значений показателей преломления слоев за счет вариации их толщины, а также зависимость положения дополнительного пика пропускания от вариации параметров слоев ТИС.

9. Тонкослойные структуры с многослойным периодом [49,53,55,58,63,71,99,102].

Необходимость изучения ТИС с многослойным периодом была обусловлена несколькими причинами. Прежде всего, как уже отмечалось выше, структура ТИС по существу определяет многие ее свойства и усложнение структуры, очевидно, должно привести к появлению новых обобщенных свойств и возможностей. С другой стороны, увеличение количества слоев в периоде ТИС, имея ввиду лишь задачи согласования, в настоящее время имеет определенное ограничение, связанное с тем, что для этого необходимо иметь набор материалов с требуемыми оптическими характеристиками и, хотя, алгоритм синтеза ТИС позволяет в достаточно широких пределах варьировать выбор самих материалов за счет взаимной вариации в периоде ТИС толщин изготовляемых из них слоев, однако и эти возможности имеют свой предел, определяемый современным развитием науки о материалах. Однако, здесь имеется еще одна причина, которая обуславливает необходимость рассмотрения существенно многослойных ТИС. Это связано с тем, что в связи с возросшим за последние годы применением многослойных структур при решении самых разнообразных задач, резко возросли требования к воспроизводимости их характеристик и, соответственно, к технологии их изготовления. Трудности, которые здесь возникают, прежде всего связаны с неоднородностью самих слоев по оптическим характеристикам, особенно это существенно в оптическом диапазоне, где для изготовления пленок используется технология термического распыления в вакууме. Одна из причин неоднородности пленок - специфические особенности их микроструктуры. Наличие пустот или вкраплений в материале пленки и их нерегулярный характер приводят к зависимости показателя преломления пленки от ее толщины.

Проводившиеся нами многочисленные экспериментальные исследования по рассеянию электромагнитных волн в различных условиях и на различного рода неоднородностях [67,69,70,72,73,86-90,95,97], применительно к рассматриваемым здесь задачам, показали, что в лияние таких эффектов может быть заметным и требует специального изучения. Спектроф отометрические методы исследования тонких пленок, т.е. измерение их коэффициентов отражения и пропускания, составляют основу определения оптических параметров пленок. В настоящ ее время не существует единого универсального метода определения оптических параметров реальных пленок по спектрофотометрическим данным. Более того, построение такого метода вряд ли возможно. Это связа но с тем, что задач а определения параметров пленки является типичной некорректной обратной задачей и ее решение существенно зависит от наличия априорной информации о специфических особенностях исследуемых пленок. В связи с этим выявление общих закономерностей в спектрофотометрических характеристиках ТИС с многослойным периодом (или многослойных апериодических), может быть полезным и для решения такого рода как прямых, так и обратных задач.

Учитывая мотивацию к проведению такого рода исследований, ограничимся здесь рассмотрением задачи в предположении равенства оптических толщин слоев таких ТИС.

Проведенный аналитический и численный анализ свойств ТИС с четырех и пятислойным периодами, их численная проверка и обобщение полученных результатов, показали, что система (3)-(4) в общем случае представляет собой систему уравнений N-ой степени, имеющих, в отсутствие вырождения (ni nj), (N-1) действительное решение, из которых одно является самым длинноволновым (обеспечивающим минимально возможные толщины слоев ТИС), а остальные (дополнительные) по частотному спектру расположены в длинноволновой части спектра структуры (для всех этих решений толщины слоев меньше четвертьволновых) и имеют, вообще говоря, различную согласующую способность. Причем, число решений рассматриваемой системы уравнений не зависит от числа периодов структуры, а определяется лишь числом в ней слоев. Увеличение числа периодов структуры приводит лишь к сдвигу спектральной характеристики ТИС в более длинноволновую область и появлению для каждого из (N-1) решений дополнительных пиков согласования, в полном соответствии с теорией, развитой для ТИС с двухслойным и трехслойным периодами. Кроме того, для основного, самого длинноволнового решения было показано, что начиная с N при К 1, основные соотношения, описывающие свойства таких ТИС и позволяющие реализовать их синтез, могут быть записаны с высокой точностью (даже при К=1 и N= ошибка составляет величину 3% ) в виде:

Причем, отметим, что при N=1 соотношение (21) является точным, а при n1=n2=n, оно имеет вид: n = n n, т.е. переходит в классическое соотношение для согласующей способности четвертьволнового слоя.

Из полученных соотношений видно, что и для ТИС с многослойным периодом сохраняются фундаментальные свойства, присущие структурам такого класса. В частности из соотношения (21) следует свойство независимости согласующей способности ТИС от порядка чередования слоев в периоде такой структуры и числа периодов.

10. Апериодические структуры [53,55,99,102].

Практическая реализация структур с многослойным периодом в настоящее время, очевидно, может быть ограничена пятью или шестью слоями в периоде, в силу ограниченности в выборе подходящих материалов, по крайней мере при изготовлении тонких пленок методами термического распыления в вакууме, однако, рассмотрение задачи многослойного периода или многослойной ТИС с различными оптическими характеристиками всех слоев, имеет безусловный интерес с точки зрения изучения влияния оптической неоднородности самих пленок (слоев) на их интегральные оптические свойства. Как уже отмечалось выше, эта задача в настоящее время является исключительно важной в связи с существенно возросшими требованиями к воспроизводимости параметров многослойных структур.

Не обужая общности рассмотрения, учитывая, что влияние периодичности ТИС в достаточно полной мере может быть описано с помощью полученных соотношений, проведем дальнейшее рассмотрение в предположении, К=1, т.е. рассмотрим некоторые свойства апериодических тонкослойных структур.

По своему физическому смыслу соотношение (21) указывает на возможность существования при определенных условиях у слоисто-неоднородных структур (или оптически неоднородных сред со сколь угодно малым пространственным параметром слоистой неоднородности) такого свойства как инвариантность их отражательной (согласующей) способности от формы пространственного распределения показателя преломления. В тоже самое время, как следует из соотношения (22), каждому фиксированному пространственному распределению показателя преломления соответствует определенное значение Mq ( q [1, N !], Таким образом, в рассматриваемом случае имеет место совокупность множества равных значений коэффициента отражения волны от ТИС, на однозначно поставленном им в соответствие множестве значений длин волн Mq. Воспользовавшись соотношениями (21) и пространственное распределение показателей преломления подчиняется некоторой закономерности (значения показателей преломления, например, от слоя к слою изменяются по определенному закону), можно ожидать с одной стороны упрощения необходимых вычислений при анализе свойств такой структуры, с другой, получения качественно нового результата, обусловленного наличием определенной связи между значениями n j.

Поскольку, как отмечалось выше, наибольший интерес представляют вопросы, связанные с влиянием слабой пространственной неоднородности показателя преломления пленки на ее оптические характеристики, то, принимая во внимание это обстоятельство, представим здесь результаты анализа, ограничиваясь именно такой постановкой.

Проведенный анализ по формуле (21), в предположении слабой неоднородности, которое минимальное значения показателей преломления слоев ТИС, для различной формы пространственного распределения n(z) (линейной, квадратичной, экспоненциальной, косинусоидальной и т.п ), показал, что по крайней мере для рассмотренных случаев, можно записать:

Отметим, что соотношение (23) при n 0 и, соответственно, nmax = nmin = n, переходит в хорошо известное выражение для согласующей способности четвертьволнового слоя :

Таким образом, в рассмотренном случае согласующая способность (коэффициент отражения) ТИС на длине волны M зависит лишь от экстремальных (максимального и минимального) значений пространственно неоднородного показателя преломления n(x). Кроме того, если вернуться к более общему соотношению (21), то очевидно, что при изменении порядка чередования слоев в рассматриваемом случае величина n s меняться не будет и, сохраняет это свойство. В связи с этим, для рассматриваемого случая с малой пространственной неоднородностью n(z), можно сделать общий вывод: если из всего множества N! возможных комбинаций взаимного расположения слоев ТИС, хотя бы одна из них реализует такое взаимное расположение слоев, что оно соответствует одной из рассмотренных зависимостей n(z), то согласующая способность такой ТИС на всем множестве значений длин волн Mq для всех возможных комбинаций взаимного расположения ее слоев, будет определяться лишь максимальным и минимальным значениями показателей преломления двух ее слоев и может быть найдена из соотношения (23).

Анализ согласующей (отражательной) способности апериодической N-слойной ТИС для линейной зависимости изменения показателей преломления от слоя к слою, происходит вырождение множества N-2 значений согласующей способности в пару значений, которые соответствуют двум постоянным и не зависящим от длины волны q экстремальным значениям функции s минимальные, соответственно из соотношения:

соотношением:

Pages: |

| 2 | 3 |

Главная >> Диссертации - все темы

[ СКАЧАТЬ ОРИГИНАЛ ДОКУМЕНТА .pdf ]

Похожие работы:

«ШЕЛЕПИНА НАТАЛЬЯ ВЛАДИМИРОВНА НАУЧНО-ПРАКТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНЫХ СПОСОБОВ ПЕРЕРАБОТКИ ЗЕРНА СОВРЕМЕННЫХ СОРТОВ И ФОРМ ГОРОХА Специальность 05.18.01 – Технология обработки, хранения и переработки злаковых, бобовых культур, крупяных продуктов, плодоовощной продукции и виноградарства Диссертация на соискание ученой степени...»

«ГАЛИМОВА ЛЕЙСАН ХАЙДАРОВНА Идиоматическое словообразование татарского и английского языков в свете языковой картины мира 10.02.02 – Языки народов Российской Федерации (татарский язык) 10.02.20 – Сравнительно-историческое, типологическое и сопоставительное языкознание ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата филологических...»

«ЧЕМЯКИНА Анна Вадимовна СТРУКТУРНАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ ЛИЧНОСТНЫХ КАЧЕСТВ КАК ФАКТОРОВ ЭФФЕКТИВНОСТИ УПРАВЛЕНЧЕСКОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ И ИХ ПОЛОВЫЕ РАЗЛИЧИЯ Специальность 19.00.03 - Психология труда, инженерная психология, эргономика ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата...»

«Дмитриев Юрий Конетаитииович ~ РЕСУРСО-И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА ХЛОРОРГАНИЧЕСКИХ ПРОДУКТОВ НА ОСНОВЕ ЭТИЛЕНА И ПРОПИЛЕНА Специальность 02.00.13 -Нефтехимия ДИССЕРТАЦИЯ в виде научного доклада на соискание ученой степени доктора технических...»

«Белякова Анастасия Александровна Холодноплазменный хирургический метод лечения хронического тонзиллита 14.01.03 — болезни уха, горла и носа Диссертация на соискание ученой степени кандидата медицинских наук Научный руководитель : член-корр. РАН, доктор медицинских наук, профессор Г.З. Пискунов Москва– СОДЕРЖАНИЕ СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ ВВЕДЕНИЕ ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ...»

«ИЗ ФОНДОВ РОССИЙСКОЙ ГОСУДАРСТВЕННОЙ БИБЛИОТЕКИ Золкин, Андрей Львович Язык и культура в англоамериканской аналитической философии XX века Москва Российская государственная библиотека diss.rsl.ru 2006 Золкин, Андрей Львович. Язык и культура в англоамериканской аналитической философии XX века [Электронный ресурс] : Дис. . дра филос. наук : 09.00.03, 09.00.13. Тула: РГБ, 2006. (Из фондов Российской Государственной Библиотеки). Философия История философии Философия США ...»

«Рубцова Татьяна Юрьевна Формирование жизненных перспектив будущих абитуриентов вуза Специальность 13.00.01 – Общая педагогика, история педагогики и образования Диссертация на соискание ученой степени кандидата педагогических наук Научный руководитель :...»

«ПОПОВ Александр Николаевич ТЕХНОЛОГИЯ И ТЕХНИЧЕСКОЕ СРЕДСТВО БЕСКОНТАКТНОГО ИЗМЕРЕНИЯ ВЛАЖНОСТИ ПОЧВЫ НА ОСНОВЕ ИНФРАКРАСНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ Специальность 05.20.02 – Электротехнологии и электрооборудование в сельском хозяйстве (по техническим наук ам) ДИССЕРТАЦИЯ на соискание учной степени кандидата технических наук Научный...»

«vy vy из ФОНДОВ РОССИЙСКОЙ ГОСУДАРСТВЕННОЙ БИБЛИОТЕКИ Макшанов, Сергей Иванович 1. Психология тренинга в профессиональной деятельности 1.1. Российская государственная библиотека diss.rsl.ru 2002 Макшанов, Сергей Иванович Психология тренинга в профессиональной деятельности [Электронный ресурс]: Дис.. д-ра психол. наук : 19.00.03 - М. : РГБ, 2002 (Из фондов Российской Государственной Библиотеки) Психология труда; инженерная психология Полный текст: http://diss.rsl.ru/diss/02/0000/020000726.pdf...»

«Гурр Ирина Эргардовна СТРАТЕГИЧЕСКИЙ УПРАВЛЕНЧЕСКИЙ УЧЕТ НА ПРЕДПРИЯТИЯХ ВОДНОГО ТРАНСПОРТА Специальность 08.00.12 – Бухгалтерский учет, статистика Диссертация на соискание ученой степени кандидата экономических наук Научный руководитель Доктор экономических наук, профессор Абрамов Александр Алексеевич Нижний Новгород - 2014...»

«УДК 517.926.4 ВЕТОХИН Александр Николаевич МЕТОД НЕОРДИНАРНЫХ СЕМЕЙСТВ В ТЕОРИИ БЭРОВСКИХ КЛАССОВ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ЛЯПУНОВА 01.01.02 дифференциальные уравнения, динамические системы и оптимальное управление ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени доктора физико-математических наук Научный консультант доктор физико-математических наук профессор И. Н. Сергеев Москва Содержание Введение 1...»

«Осипов Олег Викторович Церковно-приходские школы Оренбургской епархии (1864-1917 гг.) Специальность 07.00.02. – Отечественная история. Диссертация на соискание ученой степени кандидата исторических наук Научный руководитель : доктор исторических наук, профессор, заслуженный деятель науки РФ А.П. Абрамовский Челябинск – 2002 2 Оглавление Введение..3 Глава 1. Состояние религиозно-нравственного воспитания населения Оренбургской епархии во...»

«Залюбовская Татьяна Алексеевна Крестьянское самоуправление в Забайкальской области (вторая половина XIX в. - 1917 г.) Специальность 07.00.02– Отечественная история Диссертация на соискание ученой степени кандидата исторических наук Научный руководитель : профессор, доктор исторических наук Зайцева Любовь Алексеевна Улан-Удэ – 2014 2 Оглавление Введение 1 Организация крестьянского самоуправления в Забайкальской области в конце...»

«Шубочкин Андрей Евгеньевич Развитие методов и средств вихретокового и магнитного контроля металлопроката для оценки его остаточного ресурса Специальность 05.11.13. – Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий. ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени доктора технических наук Москва – -2Оглавление...»

«АШИЕВ АРКАДИЙ РУСЕКОВИЧ ИСХОДНЫЙ МАТЕРИАЛ ГОРОХА (PISUM SATIVUM L.) И ЕГО СЕЛЕКЦИОННОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ В УСЛОВИЯХ ПРЕДУРАЛЬСКОЙ СТЕПИ РЕСПУБЛИКИ БАШКОРТОСТАН 06.01.05 – селекция и семеноводство сельскохозяйственных растений ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата сельскохозяйственных наук Научный руководитель : доктор сельскохозяйственных наук...»

«Абрамов Александр Геннадьевич БИОЛОГО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ ФОРМИРОВАНИЯ МАТОЧНЫХ КОРНЕПЛОДОВ И СЕМЯН СТОЛОВОЙ СВЕКЛЫ В УСЛОВИЯХ ПРЕДКАМЬЯ РЕСПУБЛИКИ ТАТАРСТАН 06.01.05 – селекция и семеноводство сельскохозяйственных растений Диссертация на соискание ученой степени кандидата сельскохозяйственных наук Научный руководитель доктор сельскохозяйственных наук профессор Таланов Иван Павлович Научный консультант доктор...»

«УДК 911.3:301(470.3) Черковец Марина Владимировна Роль социально-экономических факторов в формировании здоровья населения Центральной России 25.00.24. – Экономическая, социальная и политическая география Диссертация на соискание ученой степени кандидата географических наук Научный руководитель : кандидат географических наук, доцент М.П. Ратанова Москва 2003 г. Содержание Введение.. Глава 1....»

«из ФОНДОВ РОССИЙСКОЙ ГОСУДАРСТВЕННОЙ БИБЛИОТЕКИ Истомин, Анатолий Васильевич 1. Стратегия экономического развития регионов Севера 1.1. Российская государственная Библиотека diss.rsl.ru 2003 Истомин, Анатолий Васильевич Стратегия экономического развития регионов Севера [Электронный ресурс]: Методология формирования : Дис.. д-ра экон. наук : 08.00.05.-М.: РГБ, 2003 (Из фондов Российской Государственной Библиотеки) Экономика — Российская Федерация — Север Российской Федерации. Экономика и...»

«ХИСАМОВ РАИЛЬ ЗАГИТОВИЧ ПРОЯВЛЕНИЕ МЯСНОЙ ПРОДУКТИВНОСТИ И МОРФОБИОХИМИЧЕСКИЙ СТАТУС ЖЕРЕБЯТ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ В РАЦИОНАХ АДАПТИРОВАННЫХ К УСЛОВИЯМ РЕСПУБЛИКИ ТАТАРСТАН МИКРОМИНЕРАЛЬНЫХ ПРЕМИКСОВ 06.02.08 – кормопроизводство, кормление сельскохозяйственных животных и технология кормов ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата сельскохозяйственных наук Научный руководитель доктор биологических наук, профессор Якимов О.А....»

«Белоусов Евгений Викторович УДК 62-83::621.313.3 ЭЛЕКТРОПРИВОД МЕХАНИЗМА ПОДАЧИ СТАНА ХОЛОДНОЙ ПРОКАТКИ ТРУБ с СИНХРОННОЙ РЕАКТИВНОЙ МАШИНОЙ НЕЗАВИСИМОГО ВОЗБУЖДЕНИЯ Специальность 05.09.03 – “Электротехнические комплексы и системы” Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук Научный руководитель – кандидат технических наук Григорьев М.А. Челябинск – ОГЛАВЛЕНИЕ...»

наверх