Фазовые эффекты взаимодействия электромагнитных волн в направляющих системах тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.01 ВАК РФ

РГО о/!

РОССИЙСКАЯ АКДДШШ НАУК ЦЕНТРАЛЬНОЕ КОНСТРУКТОРСКОЕ БЮРО УНИКАЛЬНОГО ПРИБОРОСТРОЕНИЯ

На правам рукописи

ГЛОТОВА. МАРИНА ЮРЬЕВНА

УДК 535.21 535.241

ФАЗОВЫЕ ЭФФЕКТЫ ВЗШЮДЕЕСТВИЯ Э;ЕКТР0!ЛАГНИТШХ ВОЛН В НАПРАВЛЯЮЩИХ СИСТЕМАХ.

(01.04.01 - техника физического экспврзшнта, физика -прибороз,автоматизация физических исследований)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой стеташ кандидата физико-математических наук

Москва - 1993

Работа выполнена в Центральном Конструкторском Бюро Уникального ЛргОорсстроания Российской Академик Наук.

Научный руководитель: доктор физико-математических наук,. ШзарцОург А..Б.

*

Официальна оппоненты: член-корреспондент РАН доктор физ.-дат. няук, профоссор В.И.ПуСТОБОЙТ

кандидат физ.-кат.наук

А.З.Масалов

Водуцая органЕзалпя: Каучно-Исследоватольскпй и - Тезнологический Институт Оптического Материаловедения ВНЦ ГОИ им. акад. С.й.Завилова

За'дита диссертации состоится "(? 1933 г.

в / С/Р часов на звсэдаши Специализированного Совэтз Д 003.77.01 ври Центральном Конструкторском Евро Уникального Приборостроения РАН по адресу: 117342, Москва. ул.Бутлерова, 15.

С диссертацией каяно ознакомиться в библиотеке ШБ УП РАН (117342, ¡йсква, уд.Бутлерова, 15).

Автореферат разослан 1993 Г.

Ученый секретарь Специализированного Совета, кандидат физико-математических наук

Е.Д.Отливанчнк

ОБЩАЯ ХЛРАКТЕРИОТККА. РАБОТЫ

Актуальность темы исслздовзний определяется, с одной сторона,необходимостью разработки физических основ нелинейны! направляющих систем, и с другеЗ стороны, необходимость:!) создания новых устройств для диагностик!: параметров новых линий передачи информации.

Увеличение объема и пнтенсифзакация процессов передачи, обработки п хранения информация выдвигагт сегодня на одно из первых мест проблему существенного повышения скорости передачи информации в системах связи. Поскольку з любой системе связи скорость передачи связана с полосой частот, занимаемой сигналом в канале, то лишь в оптическом диапазоне волн мокло осуществить передачу информации со скоростями порядка тераОит в секунду. -

Парэдэча информации па оптических частотах имеет свои специфические трудности. Зо-шрвнх, это значительный потери в длинных волоконных световодах, которые ограничивают расстояние меяду ретрансляторами. С другой стороны, существенному повышению пропускной способности оптических каналов связи (полному использовании их широкой полосы пропускания) препятствует дисперсионное расшивание коротких импульсов при их распространении ш волокау, сбрзтно пропорциональное квадрату длительности плпульса.

Настоящая работа посвящена исследование ряда новых физических аффзктов, возникающих при взЕИМодеВстЕии электромагнитных вела в нагоавллщзх системах, исследованию амшштудно-фззовой автомодуляцш поляризационной структуры мод в световодах, эффектам локализации полой на границе двух ерэд. Быстрая модуляция амплитуды, частота и поляризации импульса в несолитонном режиме вблизи частоты отсечки

прэдставдяэ? катерэс для контролируемого формирования импульсов з нэланэйЕо-оггаивскиг информационных систеиаг.

Щлъ работа состоит з исследовании фазовых эффэктоз Езаимолэ£стБия волн в направлквдих системах тша границы раздела электрически различных сред к оптических волноводов. Подробно рассматривается следующие эффекта:

1.- Форгаированив стоячих воля при рзспростразояии приповерхностных волн на границе раздела сред.

2. Влияние подповерхностных слоев аз фазу и амплитуду поверхностной болен.

3. Возникновение гистерезиса фазы (в дополнение к гистерезису амплитуда) при взаимодействии излучения с однородной плазшподобпоЕ средой:.

4. Разогрев газа сзойедных носителей з полупрозсднике, вызванный полем, и его влияние на оптические характеристики полупроводниковой пленки в дальнем ЙК диапазоне.

5. Обусловленность динамики поля в высших кодах, распространяющихся в волеоводэ, как самомодуляциэЁ отдельных компонент поляризации, так и их кросс-модуляцией.

6. Различие процессов эволюции отдельных компонент соляризации в шсшх модах, распространяющихся в волноводе.

•7. Влияние поляризационной структур! локализованных волновых ишульсов и, в частности, солитонов на динамику таких ишульсов в световодах.

Научная новизна работы определяется совокупность» подученных новых результатов. В работе впервые:

1. Построена теория расцепления приповерхностной волнк. на границе раздела двух сред. На основа детального теоретического исследования установлены основные особенности неразрушавдей методики зондирования сред, поверхностей, подповерхностных слсэз.

2. Установлено возникновение фазового гистерезиса при взаимодействии мощного электромагнитного излучения с однородными гоглощащзми и плазмоподобныки средами.

3. Озредет.эек эффективные нелинейные восприимчивости, проявлящийся в генерации гармоник ups отражении излучения дальнего ИК диапазона от поверхности полупроводника.

4. Учтена кросс-кодуляция при рассмотрении оишгатудЕо-фззсвой - автошдулкции поляризованной структуры код в световодах.

5. Исследовано влияние поляризационной структура локализованных волновых змпульсоз'на динакику таких импульсов в световодах.

Практическая ценность проведвяныг исследований заключается в следующем:

I. Разработан метод бесконтактного зондирования проводящих диэлектрических сред, с целы) определения приповерхностных дефектов.

Z. Показана возможность использования нелинейного отражения (бистабильность амплитуды и бистабильность фазы ■ волны, отраженной о? поглоцапцей среды) для локального анализа поверхностных свойств среда и. для управления световыми потоками в интерференционных оптических системах. *

3. Предложен способ контролируемого формирования

импульсов в нэлинейно-оютлеских информационных системен.

Защкдае:лые полэтаЕия могут бить сформулированы в слэдумдем вцдэ:

1. Прл раслрострэвэнаи гдэхтромагяитной волны вдоль поверхности раздала двух сред Болизя источника происходит расвдплэние волны на два с разныма алипп'удамз; к фгзоваш скоростями. Вгажодбйствиэ зт.гс двух волп дает ИЕТэрфарендаоннун структуру, позволяющув создать новый даапюстирущгй метод бесконтактного Еврззрупавдзго зондирования.

2. Ври взаимодействии мощного высокочастотного излучения с однородными отглодащими и плазмоподобннми средами Бозшя'.азт гистерезисные скачки коаффыцшшта отражения. Учет поглощения приводит ш только к Систабкльности амплитуда, но п

•к бистабилыгости фазы вслнн.

3. глактракЕгнитное излучение мгшшмэтрового и субмиллиметрового диапазона арк взаимодействии с полупроводниковым материалом модулируется прилояаншлй к последнему электрическим полем. В том случае, когда таким полем является поле самой падающей волны, возникает нелинейное взаимодействие, приводящее к возникновению гармоник осноеной частоты.

4. При амплитудно-фазовой автокоду ляции поляризационной структуры мод з сввтозодах динамика поля обусловлена как самомодуляциэй отдельных компонент поляризации, так и их кросс-модуляцией: при этом процессы эволюции отдельных компонент поляризации различны,

б

что й свои очередь влияет на динамику локализованных волновых импульсов в се6тоеодзх.

Апробация. Основные результата работы были представлены на 17 Всесоюзном совещании "Кокпьютэрная оптика" (Тольятти, 19Э0г.), семинарах физического факультета МГУ, ЖН и 1ЮН.

Структура и объем работы. Рвзультзть' проведенного исследования пзло:*оны в четырех глазах диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глаз, гоклзтгения, списка литературы и приложения. Она гзлскгана на 94 страницах машинописного текста, содэряят 43 рисунка, библиография включает 77 наименований.

Публикация. Ео теме диссертации опубликовано 7 работ.

СОДЕЙШПЕ РАБОТЫ.

Первая глава посвящена исследованию злектромагнитных волн распространяющихся вдоль границы кэзду двумя средами с произвольными диэлектрическими проницаемостями. Излучатель, расположенный близко к границе возбуждает две волнн, распространяющиеся вдоль границы с одной частотой, но с разными длинами волн.В отличие от поверхностных волн, хорошо известных, например, в акустике, (так называемые Ралеевские волны), и характеризуемых одной скоростью распространения, скорости рассматриваегчх волн различны в средах, сбразулдих границу. Эта разниць обеспечивает сложное пространствэннзе распределение амплитуд и фаз в результирующем волновом поле

вблизи гранту. Такая пространственная структура исчезает з дальнэй зоне, когда -расстояние мэвду источником и точкой наблюдения значительно превышает длину затухания в среде со сравнительно более высокой электропроводностью. Пола в дальней зоне в основном определяется электропроводностью только одной срэда, так что интерференционная стуктура в дальней зоне исчезает. Однако, вышеупомянутые фазовые эффекта в ооласти существования такой интерференции могут дать новую возшхность локального зондирования проводящей среды, диагностики поверхностей, покрыта*?, срод, использувщуа источник электромагнитных ваян, расположенный на поверхности.

-Эти интерференционные явления до сих пор опускались п.. традищганннж методах электромагнитного зондирования, оскоЕывапксшзя на определении импеданса в дальней зоне в полях расползганннх да поверхности электрических и магяиткчх диполей.

В §1.1. излагаатся история вопроса. Анализ распространения бокошх электромагнитных еолн от горизонтального электрического диполя, распространяющихся вблизи поверхности, затруднялся, сложность® точных общих интегралов, характеризующих все шесть компонент злоктромагнитаого поля, как в срэдв, так и над ней.

В §1.2. изучено расцепление поверхностной золны, возбуждаемой бесконечным линейным током. При радении уравнений 1!аксведла получен интеграл, типичный .для поверхностных волн. С помощью интегрирования на комплексной плоскости дая отдельных случаев были получены конечные формулы для электрических и магнитных шлей. Главное. принципиальное отличие от традиционных представлениий -наличие двух (а не одной) амшштудно-езязаннкх поверхностных

в

волн с нвзешишжми фазовыми скоростями. Полутаны конкретные наружная для полей и импэдансоз з чзствых а. приближенных случаях.

В Ц.з. анализируется кольцевой ток на границе двух срэд. Рассматриваются два характерных случая (вдали от кольца и в его центре). Получены компактные выражения для полей. При рассмотрении простейших частных случаев получаем классические законы, з частности, переход к постоянному току дзет закон Био-Савара для магнитного диполя. Для удосЗстза использования метода в диагностических задачах, когда нельзя точно определить центр кольца, получзяы выражзния для пслэй и лкподзнса вблизи центра кольца и вблизи провода.

3 §1.4. рассмотрены прилегания простейших моделей. Яз получзяных результатов вытэкавт прикладные возможности эффективной диагностики сред. рассматривается предельные случаи и конкретным результата дал различных значений парамэтров.

Ео 2 главе рассматриваются многослойные модели и их приложения. Четырехсложная модель отвечает такой типичной ситуация, как зондирование сложной структуры с цэльв диагностики подооверхностнЕХ слоев, определения толщины, качвстЕа, глубины залегания слоя. В §2.1. выводятся формулы дая шлей и импеданса для четарехслойной модели. Различные варианты трехслойной модели получена как частные случаи четарезслойной модели. В §2.2. изложены результаты конкретных рассчетов импеданса при ' проникновении электромагнитных волн в четарахслойнуп среду. Хорошо иллюстрируют возможности метода результаты, полученные для следующих ситуаций: отсутствие третьей среда а слой диагностируемой среда конечной толщины на конечной глубине. Проанализировано влияние третьей среды на поведение

9

амплитуда и фазы импеданса, что дает возмохзюсть определять глубину залегания, толщину и характеристики слоев.

В глазе 3 изучается взаимодействие мощных волн с поверхность!! нелинейного полупроводника. В §3.1. излагается краткий обзор задачи, которая характеризуется сочетанпем квазимэнохрокатпчесшгс и параметрического процессов. В ¿3.2. рассматривается кзазимопогроматлческий аспект отражения падавдей плоской волны на плоскую границу. При этом в зондарозЕник однородных и плаз.чоподобннх сред указаны гистерезисше эффекты. Бистабпльность амплитуда х фазы волны, отраженной от шглощащей среда, может быть использована для локального анализа позорхностных свойств срьдк и для управления свотовыкк потокам;! в интерференционных оптических системах.

В §3.3. излагается параметрэтеский анализ проблемы. Б этом случае нелинейность смешивает различные частоте разных падающих волн шш создает гсрмоники одной падавдей волны. В 5-3.3. рассматривается генерация гармоник при отражении излучения миллиметрового и - субмиллиметрового диапазона от поверхности полупрозодника.

В §3.3. рассматривается влияние разогрева газа свободных носителей е полупроводниках на изменение оптических свойств последних. Комплексная диэлектрическая проницаемость полупроводниковых материалов в области миллиметровых и субмиллвметровых волн существенным образом определяется плазменной частотой и временем релаксации ипульса, пропорциональным подвижности носителей. Зависимость релаксации от средней энергии (температуры) носителей определяется их взаимодействием с нерегулярностяш решетки е Ериводит к тому, что изменение этой температуры внешним - полем изменяет оптические характеристики

полупроводника. В результате коэффициент отражения е пропускания з миллиметровом и субжзллиметровом диапазоне изме.чяэтся под действием внешнего поля. Особым случае* является изменение времени релаксации, а следовательно -л дпзлектричысой проницаемости, полем самой падающей на полупроводник электромагнитной волны. 3 результате этого коэффициент отражения окагывзетзя зависящим от напря:кенност:! поля волны,' что приводит к возникновению гармоник основной частота: при этой могу? быть взедаяы зффектлгныз значения лелинейЕЫх зоспопютизостей.

Глава 4 посвящена ¡экалитудао-фазовой автомодуляции поляризационной структуры мод в световодах. 3 высших модах, "распространящихся в волноводе, дина?лика поля обусловлена как ссжмодуляцпей отдельных компонент поляризации, так а их крссс-модуляцией, при этом процессы зволации отдельных компонент поляризации различны. В §4.1. дается краткий оозср проблемы. В «4.2. анализируется амплитудно-фазовая автомодуляция высииг ТЕ и Т!Л код в оптических волноводе*. К кросс-модуляции компонент поляризации приводит учет поперечной неоднородности нелинейной поправки диэлектрической проницаемости кзрровокогс типа. Эффективность такого взаимодействия наиболее существена вблизи критической частоты волновода. Характерной особенностью рассматриваемой автомодуляции • является возникновение немонотонной зависимой.та фазового набега одной из компонент от пути зволщш. Сравнительно короткие пространственные мзситаоы и невысокие энергетические затраты рассмотренных процессов амплитудно-фазовой автомодуляции, привлекают внимание к перспективам применения этих процессов для управления световыми штоками в оптических волноводах.

В §4.3. изучается нелинейная динамика световых

ишульсрз в высших кодах многощцоеых волнонодое. Каздая поляризационная компонента, распространяясь в среде возмущенной другими компонентами, приобретает различные нелнейкые фазовые сдепги, зависящие от энергии кээдой компоненты. Зозникавт обмен анергией меэду компонентами. Кросс-модулкция компонент поляризации икаульсов, связанная с учетом градиентного члена ведет к сакэскатшз и последующему расслоению импульса к формированию слонанх амплитудных и частотных огибавдих. *гакиб триэсси усиливаются прп приближении к критическому ре-.доау распространения волпк.

Быстрая модуляция амплитуды, частоты и поляризации импульса в несолитонном рвявкэ вблизи частоты отсечки представляззт • штерзс для контролируемого формирования имыульсов в нелинейно-оптических информационных системах.

В заключении сформулированы осеозниэ результаты, полученные в диссертации.

вывода.

1. Впервые построена теория расщепления приповерхностной волны на границе раздела двух сред вблизи источника. На основе подробного теоретического исследования получены основные особенности явления, изучены возможности практического применения неразрушащэЁ диагностики.

2. Рассмотрено взаимодействие мощного электромагнитного излучения с однородными поглощающими и плазш'подобными средами. Впервые указана возможность фазового гистерезиса коэффициента отражения в дополнение к ранее исследованному амплитудному гистерезису. Отмечены пути использования

нелинейного отрс.-юкм дач локального аналжза поверхностных свсйсте среды и . для управлэпгя световыми потоками в нелшэйло-ептичесхЕх сис?емах.

3. Установлено, что электромагнитное излучение миллиметрового и еубмшотмзтрового диапазона при взаимодействии с полупроводником со свободными носителями модулируется пр&лоя»еезк к последнему электрическим полем. В том случае, когда таким полем является пола самой паданцей волны, возникает нелинейное самсвоздайстзиэ, приводящее к возникновению гармоник основной частоты.

4. Исследована кросс-модуляция отдельных кошонент поляризации. Отмечено различна прозессов зволшции отдельных компонент поляризации, прЕЗОДЯщее к. нвлинзйным пзряодячеехкм колебаниям амплитудно-фазовой структуры коды з процессе распространения го нелинейному волноводу.

5. Показано влияние геомзтрии прямоугольного волнозод-з на динамику нелинейных гиротропных эффектов золноводннх шд. Отмечено усиление этих эффектов вблизи частота отсечки волновода.

СПИСОК РАБОТ ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИЙ.

1. Глотова Я.Ю., Зуев Н.&., Сисскян И.Н., Шззрцбург А.Б. Амшйтудао-фазовэя ззтомодуляция васшзг ТН-мод з езетоводах.

- - ДАН СССР, 19Э1, Т.321, К I, сс.83-87.

2. Глотова м.п., Ивзрцбург .4.5. Нелинейная динамика световых импульсов а высших модах многоголовых волноводов. -ДАН СССР, 1992, т.325, Я 3, сс.486-489.

3. Глотова М.Ю.. Сисакян И.Н., Еварцбург А.Б., Шепелев

A.B. Генерация гармоник при отражении излучения миллиметрового п субмиллимэтрового диапазона от поверхности полупроводников. ~ Радиотехника и электроника, 1952, т.37, вып.З, сс.488-493.

4. Глотова Ы.Ю., Зуов М.А., Шварцбург А.Б. Гистерезигшэ эффекты при отражении волн от поглоцащгх сред. - Квантовая электроника, 1992, т.19, N 8, сс.788-733.

5. Глотова М.Ю.,'Зуев М.А., Шварцбург A.B. Автомодуляция 5М-код в оптических волноводах. - К.окшдаернэя оптика, 1932., вып.12, сс.45-50.

6. Глотова И.Ю., Екжзяов Р.И., Сисакян И.Н., ШзэрцОург ¿.Б., Шепелев A.B. Нелинейное отражение от голупроводзиков в дальнем ИК и эксперимента по модуляции излучения. -Компьютерная оптика, 19Э2., вып.12, сс.82-88.

7. Глотова И.Ю., Зуев М.А., Молостов A.A., Шварцбург A.S. О распространении связанных электромагнитных волн на границе проводящих диэлектриков. - Компьютерная оптика, 1992., вып.12, сс.88-32.