Новые типы поверхностных электромагнитных волн в проводящих средах тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

Введение

Часть I. МЕДЛЕННЫЕ ПОВЕРХНОСТНЫЕ МАГНИТО-ПЛАЗМЕННЫЕ ВОЛНЫ В ПОЛУПРОВОДНИКАХ

Глава I. Теоретические основы существования поверхностных электромагнитных волн

1.1. Структура электромагнитного поля вблизи поверхности намагнитченного полупроводника

1.2. Теория медленной поверхностной волны

Глава II. Экспериментальный метод

2.1. Требования к экспериментальному методу

2.2. Общие принципы методики

2.3. Экспериментальная установка

2.4. О технике измерений

2.5. Параметры образцов

Глава III. Режим бегущей волны

3.1. Идея эксперимента

3.2. Исследование формы волнового фронта

3.3. Интерференция медленных волн

3.4. Основные свойства волны

3.5. Отражение волны от ребра волноведущей плоскости

3.6. Эффективность возбуждения поверхностной волны

3.7. Связь волны с поверхностью

Глава IV. Волноводное распространение ПМВ

4.1. Решающий эксперимент

4.2. Формирование волноводной моды

4.3. Область существования волны

4.4. Затухание медленных поверхностных волн

4.5. Влияние температуры на распространение волны

Глава V. Режим стоячей волны

5.1. Схема движения волны

5.2. Плоский резонатор Фабри-Перо

5.3. Дисперсия поверхностной волны

5.4. Структура поля волны

5.5. Поляризация поверхностной волны

5.6. Геликоновые пучки

Глава VI. Приборы на основе медленных ПМВ

Часть II. ПОВЕРХНОСТНЫЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ВОЛНЫ НА СОЛЁНОЙ ВОДЕ

Глава I. Аналитический обзор

1.1. История исследований

1.2. Анализ отрицательных результатов исследований

1.3. Критика концепции Л.И. Манделынтамма

1.4. Современный взгляд на ПЭВ Ценнека 1.5 Свойства волны Ценнека

Глава II. Экспериментальный поиск волны

2.1. Экспериментальный метод

2.2. Наблюдение волны Ценнека-Зоммерфельда

2.3. Стоячая ПЭВ на плоской поверхности воды

2.4. Опыты с бегущими волнами

2.5. Радиальная расходимость поверхностной волны

2.6. Вертикальная структура поля

2.7. Излучатель ПЭВ Ценнека

Глава III. Применения ПЭВ Ценнека

3.1. Лабораторные опыты по локации

3.2. О возбуждении ПЭВ на океанской поверхности

3.3. Натурный эксперимент Хансена

3.4. О методике натурного эксперимента

3.5. Морская радиосвязь

3.6. Радиолокатор ПЭВ

Выводы к части II. Почему волна Ценнека не наблюдалась в естественных условиях?

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

В 1873 г. Джеймс Клерк Максвелл сформулировал уравнения, носящие его имя, и предсказал существование электромагнитных волн, распространяющихся со скоростью света [1]. В классических экспериментах Генриха Герца [2, 3] наблюдались электромагнитные волны в свободном пространстве. Результаты этих опытов быстро завоевали мировую известность и признание. Не так просто, поистине драматически, складывалась история исследований поверхностных электромагнитных волн, возникающих на границе раздела двух сред с разными диэлектрическими свойствами [24].

Понятие "поверхностные электромагнитные волны" (ПЭВ) ввёл в науку Арнольд Зоммерфельд [4], когда в 1899 г. рассмотрел задачу об осевом токе в длинном прямом проводе и получил решения уравнений Максвелла, амплитуда которых быстро спадает при удалении от поверхности провода. Эти решения были им интерпретированы как ПЭВ, возможно, по аналогии с поверхностными акустическими волнами Рэлея. На опыте поверхностные электромагнитные волны первым наблюдал, по-видимому, Р.Вуд в 1902 году при рассеянии электронов в тонкой металлической фольге [5]. Явление в то время не было понято и оставалось известным как "аномалии Вуда" вплоть до 60-х годов. Вслед за А.Зоммерфельдом немецкие теоретики Кон [6] и Уллер [7] установили, что плоская поверхность раздела диэлектрика и хорошего проводника оказывает направляющее воздействие на распространение объёмной волны и что ПЭВ возможна на плоской границе раздела сред с малыми потерями.

В 1901 году произошло историческое событие: Гульельмо Маркони осуществил радиопередачу через Атлантический океан на частоте 30 кГц-[8]. Это удивительное открытие навело на размышления относительно механизма распространения радиоволн. О существовании ионосферы Земли в то время еще и не подозревали, поэтому возможность дальней радиосвязи за счет отражения радиолуча от ионосферы не обсуждалась. Вместо этого было высказано предположение, что в его опытах возбуждался новый тип радиоволны-поверхностная волна (ПВ).

Возможно по этой причине, выяснением вопроса занялся в 1907 г. аспирант Зоммерфельда Яцек Ценнек. Он указал на связь исследований Кона и Уллера с вопросом о распространении радиоволн над земной поверхностью. В развитие их результатов Я.Ценнек показал [9], что в среде не только с малыми, но и с большими потерями, уравнения Максвелла с соответствующими граничными условиями допускают решение, которое может быть названо поверхностной волной, направляемой плоской поверхностью раздела двух сред:

П-вектор Герца) 6 т.е. представляет собой совокупность двух плоских волн, одна из которых локализована в воздухе, другая в среде. Если среда обладает конечной проводимостью, то а и Р комплексны. Дисперсионное соотношение для ПВ, распространяющихся по границе раздела сред с диэлектрическими проницаемостями 8 и е0 имеет вид к к,

2 &0 О где к и со - волновой вектор и частота волны; ко - ?

СО С с - скорость света в вакууме. Волна "привязана" к поверхности, её фазовая скорость несколько превышает скорость света в диэлектрике и зависит от свойств подстилающей поверхности. Ценнек считал, что поле реального излучателя на большом удалении от него будет иметь вид найденной им волны. Однако из его работы следует лишь совместимость решений указанного выше вида с уравнениями электродинамики, возможность существования ПВ, но поле никак не связано с антенной, т.е. не раскрыт основной момент проблемы излучения.

Первая строгая теория распространения электромагнитных волн, излучаемая диполем, находящимся на плоской поверхности раздела двух однородных сред (земли и воздуха) была дана А.Зоммерфельдом в классической работе 1909 года [10]. Существенный шаг вперёд, сделанный им, заключался в том, что он не считал землю идеальным проводником, а ат-мосферу-абсолютным изолятором, и приписывал каждой половине некоторую конечную диэлектрическую проницаемость и проводимость.

Зоммерфельд показал, что излучённое диполем электромагнитное поле можно представить в виде суммы поверхностной и объёмной волны. Он считал, что на больших расстояниях преобладает ПВ и таким образом им установлена связь поверхностной волны с источником излучения. Иными словами, он считал доказанным, что на далёких расстояниях поле от точечного источника представляет собой ПВ Ценнека. Концепция ПВ Цен-нека, подкрепленная авторитетом Зоммерфельда, долгое время была почти общепринятой. Её применяли к истолкованию многих аномальных явлений, наблюдаемых при распространении радиоволн, например к т.н. "береговой рефракции", когда волна, бегущая над морем, отражается от берега.

Однако, начиная с 1919 года, в теоретических работах Вейля [12], Ван-дер-Поля [14], В.А.Фока [24] и др. [16, 22] этот вывод был оспорен и признан ошибочным. Сам А.Зоммерфельд, признавая неточности в вычислениях, концепцию поверхностной волны ошибочной не считал. Спор теоретиков мог разрешить только эксперимент. Такой эксперимент первым поставил Фельдман в 1933 г., изучавший распространение радиоволн вбли7 зи поверхности Земли (земной луч) и не обнаруживший ПВ [17]. Затем Барроу [19, 23] в 1937 г. предпринял попытку обнаружить поверхностную волну Ценнека при возбуждении радиоволн над поверхностью озера Сен-нека в штате Нью-Йорк и также потерпел неудачу. Серия крупномасштабных экспериментов была проведена в нашей стране под руководством академиков Л.И.Мандельштамма и Н.Д.Папалекси. В течение ряда лет, с 1934 по 1941 год, изучалось поле излучения обычных радиоантенн, исследовалось распространение радиоволн вдоль земной поверхности (над сушей и морем) но ни при каких условиях не наблюдалась поверхностная электромагнитная волна Ценнека [25]. С тех пор в отечественной радиофизике прочно утвердилось мнение о том, что возбудить эту волну реальными излучателями невозможно, и что сама концепция поверхностной волны Ценнека не соответствует физической реальности [26].

Сложилась парадоксальная ситуация: из уравнений Максвелла следует существование поверхностной электромагнитной волны, а на опыте она не наблюдается. Тем самым под сомнение была поставлена справедливость уравнений электродинамики. Стремление разрешить парадокс заставило автора поставить задачу о проведении самостоятельных исследований в лабораторных условиях. Полученный результат подтверждает правоту Зоммерфельда и Ценнека и устраняет противоречие [86].

В итоге описанных событий интерес к поверхностным электромагнитным волнам сильно упал, и в 40-50 годы они, практически, не исследовались. Возрождение интереса к ПЭВ произошло в 60-е годы в связи с изучением взаимодействия излучения с веществом, в основном, с твердым телом и плазмой. Штерн и Феррел [27], видимо, первыми показали, что пики, наблюдаемые в области низких энергий при неупругом рассеянии быстрых электронов в металлической фольге (аномалии Вуда) можно объяснить возбуждением поверхностных плазмонов на границе раздела металла с покрывающей его пленкой окисла. Эксперименты Пауэлла [28] подтвердили предсказания теории. Поверхностный плазмон описывается верхней частью дисперсионной кривой ПЭВ, расположенной вблизи плазменной частоты. (кривая 4 на рис.2)

В последние годы поверхностные электромагнитные волны исследовались теоретически и наблюдались экспериментально в различных лабораториях мира. При этом были сделаны два существенных вывода. Во-первых, было дано чёткое определение поверхностной волны: это волна, которая экспоненциально затухает при удалении в сторону от поверхности, по которой она распространяется. Распределение поля волны является лучшим доказательством её поверхностного характера. Во-вторых показано, что поверхностную волну можно считать характеристическим видом колебаний для данной поверхности. Возбуждение же ПВ является самостоятельной проблемой и её не следует смешивать с условиями существования волны. Поскольку фазовая скорость ПЭВ несколько отличается от скорости света в воздухе, то возбудить её с помощью объёмной волны можно лишь-при выполнении условия синхронизма- примерного равенства фазовых скоростей, точнее, равенства компонент волновых векторов в направлении распространения. Из этого следует, что не всяким излучателем можно возбудить поверхностную волну. По современным теоретическим представлениям возможны два случая (рис. 1 из работы [85])

Рис.1

Области существования ПЭВ Фано и Ценнека

Фано

-28, 4

-з

-2

-1 уф>

-,/в,

Ценнек 8 п о

1) е-комплексная величина, <?'<-£о, е">0. Тогда на поверхности раздела существуют т. н. волны Фано с фазовой скоростью V < с (прямая 5 на рис2), наблюдающиеся в газоразрядной плазме (поверхностные плазмоны), в полупроводниках и металлах. В настоящее время они активно исследуются и применяются в спектроскопии поверхности [29].

2) г-комплексная величина, с' >-8о, с" >0, .На плоской границе раздела возникает поверхностная волна Ценнека с фазовой скоростью V > с (прямая 6 на рис.2). До наших работ [75, 76] эта волна не наблюдалась. Граница раздела (кривая 1 на рис.1) между областями существования Фано и Ценнека определяется уравнением [85] ы

0 е0 где 8=8' + 18'

При переходе от плоской поверхности раздела к криволинейной с малым радиусом кривизны, меньшим длины волны, волна Ценнека трансформируется в волну Зоммерфельда. Последняя описывается иным, более слож9 ным дисперсионым уравнением, включающим цилиндрические функции Бесселя и Ханкеля. Группе исследователей [86], удалось в лабораторных условиях возбудить волну ПЭВ Ценнека-Зоммерфельда в диапазоне СВЧ, доказать её поверхностный характер и измерить основные характеристики.

Новый этап в исследовании ПЭВ в газовой и твердотельной плазме связан с учётом влияния на проводящую среду внешнего магнитного поля. В магнитном поле проводящая среда становится гиротропной, появляется новая характеристика-частота циклотронного вращения носителей, что приводит к изменению свойств известных ПЭВ (рис.2). Поверхностный плазмон (кривая 4 на рис.2), например, трансформируется в магнетоплаз-мон с чуть меньшей (на несколько %) фазовой скоростью. Считалось, тем не менее, что вляние магнитного поля не очень существенно [30, 31, 68].

Автор экспериментально установил (совместно с В.И.Байбаковым), что в постоянном магнитном поле электродинамические свойства поверхности проводящей среды изменяются кардинально. Это приводит к появлению принципиально нового класса поверхностных электромагнитных волн (кривая 1 на рис.2). Они существуют только на поверхности намагниченной плазмы, обладают уникальными свойствами и распространяются с фазовыми скоростями много меньшими скорости света в вакууме, за что и были названы нами медленными поверхностными магнитоплазменными волнами (МПМВ). Иногда в литературе их называют поверхностными геликонами или волнами Байбакова-Дацко [39, 43]

Рис.2

Спектр поверхностных электромагнитных возбуждений 1-медленные ПМВ; 2-свет в диэлектрике; 3-ленгмюров-ские волны-объёмные плаз-моны; 4-поверхностные плазмоны в плазме (поляри-тоны в диэлектрике, магно-ны в магнетиках); 5-волна Фано; 6-волна Ценнека;

Диссертация состоит из двух частей Первая часть посвящена медленным поверхностным магнитоплазменным волнам в полупроводниках, вто-рая-поверхностным электромагнитным волнам на солёной воде. Медленные ПМВ в твёрдом теле были обнаружены нами в 1971 г. В процессе их

10 десятилетнего изучения была разработана методика возбуждения, выделения из смешанного поля, идентификации и измерения основных характеристик поверхностных электромагнитных волн в лабораторных условиях. Это и позволило в последующие годы на опыте доказать существование поверхностной электромагнитной волны Зоммерфельда-Ценнека.

Медленные ПМВ в 1п8Ь

Теория медленных ПМВ в полупропроводниковой плазме была построена после их экспериментального обнаружения. Существование и свойства медленных поверхностных магнитоплазменных волн следуют из решений уравнений Максвелла, записанных для ограниченной проводящей среды с соответствующими граничными условиями и описываются дисперсионным уравнением четвертого порядка. Теория явления была построена группой харьковских теоретиков под руководством В.М.Яковенко [32, 33, 41, 44, 45]. Основные её положения состоят в следующем.

В постоянном магнитном поле электромагнитные свойства полупроводника анизотропны. Если вектор магнитного поля Н направлен вдоль оси ОЪ, то диэлектрическая проницаемость среды описывается гиротроп-ным тензором 0

XX ху 0 ху УУ

0 0 где недиагональные компоненты соответствуют высокочастотному хол-ловскому току.

В полупроводнике в постоянном магнитном поле существуют две объёмные электромагнитные волны (обыкновенная-антигеликон и не-обыкновенная-геликон, отличающиеся противоположным направлением круговой поляризации) с различными характеристиками распространения. На частотах много меньших частоты столкновений носителей V, а также плазменной Юр и циклотронной сос.( со « Шр, сос, V) при условии V « сос необыкновенные волны имеют небольшое затухание, и полупроводник оказывается для них прозрачной средой с большим эффективным показателем преломления. Однако, ни одна из этих волн не может быть поверхностной, поскольку не удовлетворяют на поверхности полупроводника граничным условиям, заключающимся в непрерывности на границе раздела сред компонент вектора напряжённости магнитного поля волны. Эти условия выполняются для суперпозиции обыкновенной и необыкновенной волн, составляющих на границе раздела поверхностные магнитоплазменные волны

11 двух типов: быстрые (у ~ с), которые в отсутствие внешнего магнитного поля переходят в известные поверхностные электромагнитные волны (поверхностные плазмоны) и медленные (у « с) ПМВ, не существующие без магнитного поля.

Пусть полупроводник занимает полупространство у<0 и граничит с вакуумом. Тогда, при условиях у « С0С; С22| » |8ху| » |£хх|:

8 XX £ 22 ху дисперсия и область существования медленных волн определяются соотношениями

2 со к =

Г>2 , о2

2 2 С СОЗ в[£уу (1 + БШ 2 в) + 218ух БШ в

2)

После упрощения (2) принимает вид со = к2Нпс 2 те

2а)

1 < < 5

Я0.уш@ < О где 3 = а затухание:

8 XX8 22 ху

А со (ку ~ к*)еху со у Л, 2 уу

3)

4)

5) угол между магнитным полем Н 0 и двумерным волновым вектором к в плоскости раздела сред, Х2~компонента волнового вектора в среде, со-частота, с-скорость света в вакууме, п-концентрация основных носителей заряда в полупроводнике, е-заряд электрона.

Соотношение (2а) показывает, что медленные ПМВ имеют квадратичный закон дисперсии, соотношение (З)-что распространение волны вдоль магнитного поля невозможно, т.е. волны являются косыми и существуют только в двух узких секторах. Соотношение (4) означает, что волны являются невзаимными (однонаправленными) относительно направления

12 постоянного магнитного поля. Медленные поверхностные магнитоплаз-менные волны могут существовать в следующих средах :

1) в однокомпонентном полупроводнике с относительно невысокой концентрацией носителей, когда ток смещения больше тока проводимости;

2) в плотной (ток смещения мал) однокомпонентной плазме твердого тела с анизотропной массой носителей; подобное наблюдается, например, в многодолинных полупроводниках;

3) в плотной однокомпонентной плазме с замагниченными электронами и незамагниченными дырками.

Схема области существования медленных ПМВ в конкретном полу-проводике антимониде индия - изображена на рис.3. X

Рис.3. Теоретическая область существования медленных поверхностных волн в антимониде индия (вид на поверхность полупроводника сверху). е1 = 45°-60°,е2= 135°- 150°. Фигурной стрелкой указано направление магнитного поля

На опыте медленные ПМВ обнаружены нами и исследованы в антимониде индия - полупроводнике с высокой подвижностью носителей (до л

77000 см /В.сек при Т=ЗООК), в основном, при комнатных температурах, в диапазоне частот 10 МГц - 2 ГГц и в магнитных полях до 30 кЭ. Разработанный автором экспериментальный метод позволял возбуждать и принимать медленные волны, изучать их свойства в различных режимах распространения:

- стоячей волны (плоский резонатор Фабри-Перо);

- волноводном;

- бегущей плоской волны на свободной поверхности.

Именно в такой последовательности эксперимент протекал во времени. Каждый из этих режимов давал возможность определять те характеристики волны, которые не могли быть получены другими способами, перепро

13 верял и дополнял другие. Экспериментальные доказательства существования нового класса поверхностных электромагнитных волн сводятся к следующим установленным фактам.

Область существования.

На рис.8 представлена схема одного из опытов, в котором наблюдались волны, бегущие по свободной поверхности. Зависимость мощности ВЧ-сигнала, проходящего по поверхности полупроводника, от ориентации магнитного поля приведена на рис.20. Видно, что на поверхности намагниченного полупроводника имеются два выделенных направления, в которых наблюдается наибольшее прохождение сигнала. Эти направления совпадают с секторами теоретической области существования медленных ПМВ.

Медленность волны.

Зарегистрирован вид волны, бегущей по поверхности в данном выделенном направлении, под определенным углом к магнитному полю (рис.18). Сравнение её длины X с длиной электромагнитной волны той же частоты в вакууме Х0 показывает, что Ю3 Я т.е. X « Х0 и волна - медленная.

Дисперсия

Измерениями зависимости длины волны от частоты и напряжённости магнитного поля установлено, что её дисперсия является квадратичной и совпадает с теоретической, определяемой соотношением (2); дисперсионная кривая приведена на рис.43. Дисперсия зависит от величины магнитного поля, т.е. волна является магнитоплазменной.

Невзаимность

Многочисленными экспериментами установлено, что медленные волны обладают однонаправленностью распространения, что подтверждают, в частности, рис.17, 20. Однонаправленность распространения наблюдалась и в режиме их волноводного распространения (рис.31). Волновод-ные моды формируются в том случае, когда поверхность полупроводника ограничена параллельными ребрами, нормальными магнитному полю. В этом случае волна распространяется поперёк поля.

14

Связь с поверхностью

Направления распространения волны однозначно определяются не только ориентацией внешнего магнитного поля, но и ориентацией нормали к поверхности полупроводника. Этот эффект "привязанности к поверхности" наглядно проявляется при возбуждении волны на плоскостях пластинки антимонида индия, намагниченной параллельно её плоскости. Зарегистрированная в опыте схема направлений распространения волны на плоскостях пластинки приведена на рис 28. Волны, возбуждаемые на верхней и нижней плоскостях в соответствии с ориентацией нормалей к этим плоскостям, бегут в противоположные стороны навстречу друг другу.

Поперечная структура поля волны

Распределение поля изображено на рис.44 Видно, что поле поверхностной волны спадает в обе стороны от поверхности полупроводника, однако его максимум находится не на поверхности, а смещён вглубь среды. Подобное распределение амплитуды необычно для поверхностных волн и у других волн этого типа (быстрые поверхностные электромагнитные волны, гравитационно-капиллярные волны на поверхности жидкости, поверхностные акустические волны) не наблюдается. Смещение максимума поля волны под поверхность полупроводника вызвано особенностями распространения электромагнитных волн в гиротропной среде и объясняется интерференцией двух парциальных волн, существующих в объёме полупроводника (обыкновенной и необыкновенной) и имеющих различную скорость спада поля вглубь полупроводника, а на его поверхности находящихся в противофазе.

Затухание

Для собственного антимонида индия при комнатной температуре и в магнитном поле 18 кЭ затухание составляет 2,7 дБ или 1,35 раза по амплитуде на длину волны. В этих же условиях длина волны в направлении магнитного поля равна ~7 мм (в направлении распространения Х-5 мм), поэтому затухание на единицу длины составляет, примерно 0,4 дБ/мм или в два раза по амплитуде на расстоянии 10 мм. У медленной ПМВ затухание на длину волны постоянно и не зависит от частоты.

Поляризация

Максимальное прохождение сигнала по поверхности образца (рис.46) наблюдается при постановке излучателя, возбуждающего ТЕ-волну (Н-компонента поля нормальна поверхности), что соответствует теории ПМВ. Строго говоря, волна поляризованна эллиптически.

15

Научное и практическое значение полученных результатов заключается в том, что спектр известных поверхностных электромагнитных колебаний оптического диапазона частот (плазмоны, поляритоны, магно-ны) дополнен двумя новыми ветвями: медленной поверхностной магнито-плазменной волной и быстрой волной Зоммерфельда-Ценнека, обнаруженными в ВЧ и СВЧ диапазоне, что открывает новое ВЧ-направление исследований в электродинамике поверхности.

На основе медленных ПМВ могут быть созданы новые методы исследования поверхности проводящих сред (металлов, полупроводников, плазмы), способы определения параметров полупроводников, диагностики твердотельной плазмы, а также новые виды датчиков магнитного поля, радиотехнических устройств различного назначения, активных твердотельных приборов СВЧ и магнитоплазменных ЛБВ, управляемых элементов планарных оптических систем обработки информации.

Значение исследований выходит за рамки физики твердого тела. Благоприятные условия для распространения медленных магнитоплазменных волн имеются в ионосфере Земли [96]. В случае их экспериментального обнаружения возможно использование ПМВ для исследования и активного воздействия на ионосферу Земли, а также для создания дополнительных каналов радиосвязи.

Приоритет

Любое новое физическое явление должно быть обсуждено и признано научной общественностью, поэтому уместно привести сведения о приоритете и признании его в России и за рубежом.

Возможность существования медленных ПМВ была теоретически обоснована в статье С.И.Ханкиной и В.М.Яковенко "О возбуждении поверхностных электромагнитных волн в полупроводниках", поступившей в редакцию журнала "Физика твердого тела" 19 июля 1966 года. [32]. Об экспериментальном обнаружении медленных волн В.И.Байбаков и В.Н.Дацко сообщили в приоритетной статье "Поверхностные волны в 1п8Ь", поступившей в редакцию журнала "Письма в ЖЭТФ" 17 января 1972г.[37].

После опубликования нами основных работ, появились статьи, затрагивающие приоритет и значение нового явления. Например, в статье Флай-ва и Куина [39] отмечалось, что "Байбаков и Дацко представили экспериментальные результаты, указывающие на то, что в электронно-дырочной плазме ГпБЬ при комнатной температуре существует новая низкочастотная поверхностная волна"; А.Б.Давыдов и В.А.Захаров [42] указывают на приоритет С.И.Ханкиной и В.М.Яковенко в теоретическом, В.И.Байбакова и В.Н.Дацко в экспериментальном исследовании нового вида поверхностных волн. В статье Э.А.Канера и В.М.Яковенко в журнале "Успехи физических наук" [40] отмечено, что поверхностная геликонная волна, предска

16 занная в работе [32] была недавно обнаружена экспериментально Байбаковым и Дацко в антимониде индия".

В научной литературе широко обсуждался и вопрос о достоверности обнаруженного явления [48, 49]; в дискуссии достоверность была доказана. Независимым экспериментальным подтверждением явилась работа Г.Руй-биса и Р.Толутиса [50].

Поверхностные электромагнитные волны на солёной воде

Любой реальный источник электромагнитного поля, расположенный на границе раздела двух сред, возбуждает как поверхностные, так и объёмные волны, разделение их оказывается сложной экспериментальной задачей. В наших опытах ПЭВ наблюдались в лабораторных условиях на поверхности воды различной солёности (преимущественно 35%о) в диапазоне частот 0.7-6.0 ГГц. Были применены разработанные ранее методы возбуждения и исследования стоячей и бегущей поверхностных волн.

В режиме стоячей волны волна Зоммерфельда-Ценнека (цилиндрическая модификация плоской ПВ Ценнека) впервые наблюдалась на столбе солёной воды, размещённом между двумя металлическими листами, представляющими собой плоский резонатор Фабри-Перо. Были измерены дисперсия и поперечное распределение поля, однозначно свидетельствующие о её поверхностном характере. Поверхностная электромагнитная волна изучалась также на плоской поверхности воды в резонаторе из двух плоских параллельных пластин, погружённых в воду, в условиях её размерного резонанса. При этом было осуществлено отделение ПВ от объёмных полей и измерена её амплитудная структура.

В режиме бегущей волны используя излучатель специальной конструкции, удалось оторвать объёмное излучение от поверхности и направить его вверх под большим углом к горизонту, освободив тем самым ПВ от примеси объёмного поля. В излучении такого источника, расположенного над поверхностью воды, зафиксировано наличие волны, распространяющейся вдоль поверхности, амплитуда которой убывает с расстоянием р до излучателя как что соответствует расходимости ПВ, возбуждаемой аксиально-симметричным источником. Измерения вертикальной структуры поля в этой волне показали, что поле экспоненциально спадает по мере удаления от поверхности, причем измеренные зависимости высоты локализации от частоты и солёности воды оказались в хорошем согласии с теоретическими расчетами.

Проведен анализ результатов единственного известного нам эксперимента (Хансен, США, 1974 г.) по распространению электромагнитного поля декаметрового диапазона (5-30 МГц), возбуждаемых специальными антеннами, над океанской поверхностью на трассе протяженностью 237 км. В отличие от Хансена [73], нашедшего необъяснимую аномалию в распространении электромагнитного поля, нами сделан вывод о том, что в его эксперименте возбуждалась смесь объёмных и поверхностных волн, причём трасса сама выбирала менее затухающие волны. Мы показали, что на частотах меньше некоторой критической частоты, зависящей от солёности (15 МГц в случае Хансена), ПВ Ценнека затухает значительно слабее, чем земной луч. Следовательно, на частоте выше 15 МГц распространение электромагнитного поля происходило земным лучом, а на частоте менее 15 МГц-в виде ПВ Ценнека, чем и объясняется аномалия. Данные по относительному затуханию ПВ, полученные из работы Хансена, хорошо согласуются с результатами наших собственных лабораторных измерений.

Наблюдение и идентификация волны Ценнека в лаборатории является первым шагом в изучении этого явления. Следующий шаг состоит в исследовании её в естественных условиях. Нами рассмотрены различные аспекты распространения ПВ над океанской поверхностью (кривизна Земли, влияние волнения) с точки зрения возможности создания новых каналов дальней радиосвязи и радиолокатора на поверхностной волне Ценнека.

Материал диссертации изложен в следующей последовательности.

Часть I. Медленные ПМВ в полупроводниках

В главе I рассмотрен спектр нормальных электромагнитных волн на поверхности намагниченного полупроводника и изложена теория медленной поверхностной магнитоплазменной волны.

В главе II описаны методика эксперимента, экспериментальная установка, приведены параметры образцов.

В III главе исследованы волны, бегущие по свободной поверхности, найдена область их существования, установлена форма волны, невзаимность распространения и зависимость длины от угла между направлением её распространения и ориентацией магнитного поля, разделены поверхностная волна и подповерхностный геликон.

IV глава посвящена поверхностным волнам в ограниченных структурах (режим волноводного распространения). Установлена область существования волны по магнитному полю, измерено затухание и влияние температуры на характеристики распространения, продемонстрирована ярко выраженная невзаимность и однонаправленность распространения волны относительно магнитного поля.

В V главе приводятся результаты исследования в режиме стоячей волны в поверхностном резонаторе Фабри-Перо. Рассмотрена схема движения волны, определены её структура, дисперсия и скорость. Описан обнаруженный в процессе исследования медленных ПМВ эффект необычной концентрации поля объёмной волны-образование геликонных пучков в объёме полупроводника.

В VI главе предложены 12 радиотехнических устройств, которые могли бы быть созданы на основе медленных поверхностных магнитоплаз-менных волн.

18

Часть II Поверхностные электромагнитные волны на солёной воде

В главе I дан анализ работ по поверхностным электромагнитным волнам без магнитного поля: приведены принципиально важные моменты теории А.Зоммерфельда; критически рассмотрена теоретическая концепция Л.И.Манделыптамма; изложен современный взгляд на поверхностные электромагнитные волны; описаны основные свойства волны Ценнека.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

1 Доказано, что в магнитном поле на поверхности раздела плазмопо-добной среды с диэлектриком существуют медленные (у«с) поверхностные электромагнитные волны.

2 Спектр поверхностных электромагнитных колебаний дополнен низкочастотной ветвью: медленные магнитоплазменные волны обнаружены и исследованы в антимониде индия при 200-400 К, в диапазоне ВЧ и СВЧ и в магнитных полях до 30 кЭ. Установлены область существования; дисперсия; фазовая скорость и затухание, поперечная структура поля; поляризация.

3 Установлено, что в намагниченном полупроводнике объёмный геликон вблизи поверхности трансформируется в псевдоповерхностную волну.

4 Разработан экспериментальный метод исследования поверхностных медленных магнитоплазменных и быстрых электромагнитных волн на поверхности проводящих сред.

5 Обнаружено явление "электромагнитного прокола": в пластинке анти-монида индия, помещённой в мвгнитное поле, нормальное её плоскости, электромагнитное поле СВЧ при неоднородном возбуждении распространяется в объёме в виде волны с аномально сконцентрированным полем, отличающимся от известного геликона.

6 Доказана (в соавторстве с В.И.Байбаковым и Ю.В.Кистовичем) справедливость концепции поверхностной электромагнитной волны Зоммер-фельда-Ценнека. Разработаны передающая и приёмная антенны этой волны.

7 Предложены 12 устройств на основе медленных поверхностных магнитоплазменных волн, получены два авторских свидетельства.

150