Особенности исследования электромагнитных характеристик плоскопараллельных диэлектрических объектов в квазиоптических пучках

Емельянов, Евгений Витальевич

Особенности исследования электромагнитных характеристик плоскопараллельных диэлектрических объектов в квазиоптических пучках тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

Емельянов, Евгений Витальевич АВТОР

кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Томск МЕСТО ЗАЩИТЫ

2012 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.03 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Особенности исследования электромагнитных характеристик плоскопараллельных диэлектрических объектов в квазиоптических пучках»

Автореферат диссертации на тему "Особенности исследования электромагнитных характеристик плоскопараллельных диэлектрических объектов в квазиоптических пучках"

На правах рукописи

Емельянов Евгений Витальевич

ОСОБЕННОСТИ ИССЛЕДОВАНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ПЛОСКОПАРАЛЛЕЛЬНЫХ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ В КВАЗИОПТИЧЕСКИХ ПУЧКАХ

01.04.03 - радиофизика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

2 О ДЕК 2012

Томск 2012

005047479

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Национальный исследовательский Томский государственный университет», на кафедре радиоэлектроники.

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Дунаевский Григорий Ефимович

Официальные оппоненты:

Беличенко Виктор Петрович, доктор физико-математических наук, профессор, федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Национальный исследовательский Томский государственный университет», кафедра радиофизики

Перфильев' Виктйр Иванович, кандидат физико-математических наук, открытое акционерное общество «Научно-исследовательский институт полупроводниковых приборов» (г. Томск).

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное

образовательное учреждение высшего профессионального образования «Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники».

Защита состоится «27» декабря 2012 г. в 1430 на заседании диссертационного совета Д 212.267.04, созданного на базе федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Национальный исследовательский Томский государственный университет» по адресу: 634050, Томск, пр. Ленина, 36, Главный корпус, ауд.119

С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотеке Томского государственного университета.

Автореферат разослан «26» ноября 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета У " Пойзнер Борис Николаевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Исследование свойств материалов и сред, как в радиофизике, так и в других областях науки носит широкий прикладной характер. Новые знания о свойствах и характеристиках материадов, позволяют создавать оборудование, технику и устройства, обладающие совершенно новыми прикладными функциями и возможностями.

В последние годы радиофизические методы исследований свойств материалов получили значительный импульс развития в связи с освоением тера-герцового диапазона частот, занимающего широкую частотную область между длинноволновым ИК и СВЧ диапазонами. Создание новых генерирую-, щих, преобразующих, передающих и детектирующих устройств в этом диа-, пазоне позволяет решать задачи измерений и исследований параметров материалов естественного и искусственного происхождения.

Вместе с тем, наблюдается заметное отставание методического обеспечения измерений и экспериментальных исследований в этом диапазоне, вызванное, в частности, не изученными в полной мере особенностями взаимодействия квазиоптического пучка с объектами различной формы, размеров, электромагнитных параметров.

Одна из существенных особенностей квазиоптического пучка в терагер-цовом диапазоне - сопоставимость его диаметра с длиной волны излучения, ставит под сомнение корректность результатов измерений электромагнитного отклика образцов произвольной формы в пучках указанного размера, причем проявляться эта особенность может даже для объектов, казалось бы, наиболее простой геометрии — плоскопараллельной. '. .,,..„ ..

Актуальность данного диссертационного исследования определяется важностью получения объективных данных о свойствах материалов в указанном диапазоне частот, необходимостью обеспечить исследователей корректными и надежными аналитическими методами. Исследования плоскопараллельных включений, позволяющие на наиболее простых моделях изучить вышеуказанные особенности, связаны также с перспективами создания малоинерционных методов и устройств неразрушающей бесконтактной диагностики на основе квазиоптических пучков и открытых квазиоптических резонаторов.

Актуальность проблемы подтверждается также многочисленными конференциями, семинарами и симпозиумами и нарастающим потоком научных публикаций, касающихся измерений и исследований в терагерцовой области спектра.

Обзор и анализ литературных источников с тематикой, максимально приближенной к содержанию диссертационной работы, выявил следующие проблемы: ограниченность парка экспериментального оборудования и методик измерений характеристик материалов в терагерцовом диапазоне частот; представление взаимодействия квазиоптического пучка с исследуемым объектом либо в приближении плоской волны, что в большинстве случаев некорректно, либо в виде интеграла по бесконечному числу плоских волн, что приводит к большим затруднениям при решении обратной задачи; малое ко-

личество экспериментальных работ по данному направлению, в частности, с использованием открытого квазиоптического резонатора.

Необходимо так же добавить, что вопрос о влиянии поперечного размера квазиоптического пучка на результат проводимых измерений в квазиоптике является открытым и затронут поверхностно.

Цели и задачи диссертационной работы. Разработать модель квазиоптического пучка, представленного в виде суперпозиции конечного числа плоских монохроматических волн, а также оценить степень влияния его поперечного размера (диаметра) на величину измеряемого электромагнитного отклика в том случае, когда взаимодействие пучка происходит с диэлектрическими объектами плоскопараллельной геометрии, экспериментально подтвердить эффективность предложенной модели, а также экспериментально определить коэффициент прохождения электромагнитной волны (ЭМВ) плоскопараллельных диэлектрических образцов с различным поглощением: 1) слабопоглащающих образцов плоских диэлектриков (в том числе с различным влагосодержанием) в открытом квазиоптичёском резонаторе; 2) сильнопоглащающих композиционных материалов плоскопараллельной геометрии на основе полиметилметакрилата (ПММА) и многостенных углеродных нанотрубок (МУНТ) при различной концентрации в композите последних в диапазоне частот 0,1 - 0,8 ТГц.

Для достижения поставленной цели потребовалось решить следующие задачи:

1. Описать взаимодействие квазиоптического пучка, представленного в виде суперпозиции конечного числа плоских монохроматических волн, с диэлектрическим объектом плоскопараллельной геометрии.

2. Провести численные расчеты по определению влияния диаметра квазиоптического пучка на величину измеряемого электромагнитного отклика от диэлектрических образцов заданной плоскопараллельной геометрии.

3. Проверить экспериментально зависимость результатов измерений электромагнитного отклика от диаметра пучка на образцах диэлектриков с известными характеристиками.

4. Провести теоретическое и экспериментальное исследование ОР с включением в виде плоского диэлектрического объекта расположенного под углом к оси резонатора. Определить для данного случая условия существования добротных собственных колебаний ОР (его условия устойчивости). Определить величину сдвига резонансной частоты резонатора и соответствующее ему уширение в зависимости от угла наклона.

V 5. Провести экспериментальные исследования по определению электромагнитного отклика образцов композиционных материалов содержащих МУНТ в квазиоптических пучках, а так же экспериментально определить возможность контроля влажности слабопоглащающих плоскопараллельных образцов в ОР.

Методы исследования.

Для решения задач диссертационной работы применялись следующие методы. ■

1. Для теоретического описания взаимодействия (отражения и прохождения) ' квазиоптического пучка с объектом в виде плоскопараллельной пластины использован метод представления пучка в виде суммы конечного числа плоских монохроматических волн, развитый в работах [1 *, 2*]. Расчет влияния размера пучка на величину измеряемого электромагнитного отклир проведен для ряда величин диэлектрической проницаемости и разных толщин образцов.

2. Для решения задачи включения в ОР диэлектрического слоя под углом к его оси использован метод характеристических матриц для слоистых сред [3 * ], а так же представление квазиоптического пучка в виде суммы двух плоских монохроматических волн с одинаковой амплитудой, падающих на исследуемый объект под углами 0,2 = 0 ± Д0 .

3. Для экспериментального исследования электромагнитного отклика от композиционных материалов выбран метод измерений в открытом пространстве с использованием рупоров и фокусирующих линз, а для определения величины сдвига резонансной частоты и уширения при внесении в ОР образцов с различным содержанием влаги под углом к его оси использован метод панорамного наблюдения резонансных кривых ОР.

На защиту выносятся следующие; положения.

1. Отражению квазиоптического пучка с амплитудой А, длиной волны X и диаметром 2^, падающего под углом 0 на границу раздела двух диэлектрических сред эквивалентно отражение суперпозиции двух плоских монохроматических волн с длинами волн А, =Я.2 = А, и амплитудами А1=А2=А, , падающих под углами О, = 0 + Д9 и 02 = 0 - Дв, если диаметр пучка соответствует условию 2п>5 > ЮА, где Дв = ^^ , 0 < 0, + в, < %.

В случае объектов плоскопараллельной геометрии указанное представление корректно с погрешностью менее 1%, если 2н>5 > 10А. и до если 2и^ = ЗА..

2. Устойчивость открытого резонатора при измерен™ или контроле параметров плоскопараллельных диэлектрических объектов с толщиной й и диэлектрической проницаемостью е, размещаемых под углом 0 в открытом резонаторе, образованном зеркалами с радиусами кривизны Д, =&,=/? сохраняется. если геометрическая длина резонатора Ь такая, что Я < Ьор(е,0) < 2Я и 0 < Ьор(е,©) < Я, где Ьор(е,0) -Ь+И-еД/е-8т2© .

3. Коэффициент прохождения ЭМВ двухфазного композиционного материала на основе полиметилметакрилата и многостенных углеродных нанотрубок в диапазоне частот 0,1-0,8 ТГц при росте концентрации многостенных углеродных нанотрубок в композите от 0,5 до 3,0% уменьшается сублинейно, причем данная сублинейность обладает частотной дисперсией:

- для нанотрубок диаметром 12-14 нм уменьшение происходит в 4,5 раза в диапазоне 0,1-0,25 ТГц, в 5,3 в диапазоне 0,3-0,55 ТГц и в 7 раз в диапазоне 0,55-0,8 ТГц.

- для нанотрубок диаметром 8-9 нм в 3 раза в диапазоне 0,1-0,25 ТГц, в 4,5 в диапазоне 0,3-0,55 ТГц и в 14 раз в диапазоне 0,55-0,8 ТГц.

4. Бесконтактный контроль влажности листовых объектов, не превышающей 6% , возможен в открытом резонаторе в диапазоне частот 27-31 ГГц, если образец расположен под углом от 35 до 50° к оси резонатора.

Достоверность защищаемых положений и других результатов работы. , .

Дортоверность первого и второго научных положений достигается корректной постановкой решаемой модельной задачи и проведением сравнительного численного анализа между степенями аппроксимации квазиоптического пучка в указанном диапазоне его диаметров: при диаметре 2\\\ = 10Х в диапазоне.углов падения пучка от 0 до 90° на границу раздела сред с £, = 1 и е^ = 2,5-9 максимальная погрешность аппроксимации суперпозиции для двух плоских волн составила 1%, для десяти волн 4,3% и для ста волн 5,9%. Достоверность также подтверждается согласием численных оценок с экспериментальными данными, полученными автором в работе: для образцов ПММА с толщинами 0.25Х, 0.33А., 0,5А., 0.66А. и 0,86А, при 2^=9X различие между экспериментом и расчетом составило чуть больше 1%, а при 2= ЗА. - 5%.

Достоверность второго защищаемого положения достигается за счет использования известного подхода к решению задачи об устойчивости ОР, а так -же полным совпадением полученных результатов в частных случаях с

уже известными [4 * ].

Достоверность третьего и четвертого научных положений опирается на данные авторских экспериментальных исследований по изучению электромагнитного отклика тестовых образцов с известными характеристиками в квазиоптических пучках, которые показали согласие с расчетными данными не хуже 12 %. Также, результаты по положению 4 находятся в качественном согласии с результатами, полученными в [5 * ].

Научная новизна.

Впервые, на примере образцов плоскопараллельной геометрии, показана роль диаметра квазиоптического пучка в измерениях электромагнитного отклика.

Впервые .выведены условия устойчивости открытого резонатора с включением в виде диэлектрика плоскопараллельной геометрии, расположенного под углом к оси резонатора.

Впервые получены экспериментальные данные по частотной зависимости коэффициента прохождения ЭМВ композиционных материалов на основе полиметилметакрилата с наполнением МУНТ в 0,5, 1,0, 2,0, 3,0 и 5,0 % в диапазоне частот 0,1-0,8 ТГц. Исследована концентрационная зависимость

электромагнитного отклика композиционных материалов в указанном диапазоне частот.

Впервые показана возможность эффективного бесконтактного радиоволнового контроля листовых объектов с малыми значениями влажности с помощью открытого резонатора.

Научная ценность защищаемых положений и других результатов работы заключается в следующем:

1. Полученное представление квазиоптического пучка в виде суммы двух плоских монохроматических волн позволяет аналитически решить задачу о . нахождении электрофизических характеристик (диэлектрическая проницаемость) материалов и сред в пучках с диаметром 2н>л > ЮЛ. .

2. Модель взаимодействия пучка с объектом по положению 1 позволяет оценить погрешность измерений электромагнитного отклика в пучках с диаметром < 10А,.

3. Полученные результаты о влиянии диаметра квазиоптического пучка на измеряемый электромагнитный отклик от образца указывают на необходимость учета данного обстоятельства исследователем, особенно при исследовании объектов в пучках, размер которых меньше ЮЛ., что гарантирует повышение точности измерений электромагнитного отклика до 5%.

Практическая значимость результатов работы.

1. Содержание положения 3 указывает на возможность создания композиционных материалов на основе многостенных углеродных нанотрубок и поЛи-метилметакрилата с частотно-избирательными свойствами в нижней части ' терагерцового диапазона частот.

2. Положение 4 показывает возможность бесконтактного контроля влагосо- 1 держания листовых материалов, и позволяет создать устройство на основе открытого резонатора для непрерывного контроля влажности бумаги, ткани и других рулонно-листовых материалов.

Практическая значимость работы подтверждена присуждением автору стипендии Правительства Российской Федерации для аспирантов на 2011 -2012 гг. за комплекс научных работ по тематике диссертации, а также победой в конкурсе инновационных проектов студентов, аспирантов и молодых ученых «У.М.Н.И.К. - 2010» с проектом «Разработка лабораторного макета ' компактного гигагерцового влагомера».

Внедрение результатов диссертационной работы.

На основе полученных результатов разработаны и внедрены в учебный процесс две лабораторные работы по курсу «Электродинамика СВЧ» и «Электродинамика КВЧ и ГВЧ» для студентов старших курсов радиофизического факультета Томского государственного университета.

устройств в гигагерцовом и терагерцовом диапазонах частот» государственный контракт № П 2126 от 5 ноября 2009 г.; 3. «Многофункциональная аппаратура гигагерцового и терагерцового диапазонов на принципах нелинейной динамики, квазистатических и квазиоптических подходов» государственный контракт № 14.740.11.0335 от 17 сентября 2010 г.; 4. «Разработка методов и устройств радиоволновой диагностики с применением колебаний миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов» инвентарный № 01200903848; 5. «Разработка лабораторного макета компактного гигагерцового влагомера» договор-№ 2/13125 от 14.01.2011 г. с ООО «Триумф» в рамках государственною контракта № 8691 р/13125 от 14.01.2011 г.; 6. «Разработка физических основ создания методов и средств терагерцовой диагностики фундаментальных характеристик материалов искусственного и природного происхождения » в рамках аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2010 годы)» № 2.1.1/4513.; 7. «Исследование электрофизических свойств веществ и объектов в микроволновой и терагерцовой областях частот» по проекту № П 1635; 8. НИР «Исследование композиционных материалов в гигагерцовой и терагерцовой областях частот» по проекту № П 10.541.09.08.

Результаты диссертационной работы целесообразно использовать в организациях, занимающихся изучением свойств и характеристик материалов в гигагерцовом и терагерцовом диапазонах частот, в частности в Томском гос. ун-те, в ИК СО РАН, Новосибирском гос. ун-те.

Апробация работы. Основные результаты работы и защищаемые положения диссертационной работы были представлены на: VII Международной научно-технической конференции (Москва, 2009 г.), «Студент и научно-1ехличесЬ1Й прогресс» (Новосибирск, 2010 г.), Ежегодная международная научно-техническая конференция молодых ученых «Современные проблемы радиоэлектроники» (Красноярск, 2009, 2012 г.), «6-я конференция студенческого научно-исследовательского инкубатора» (Томск, 2010 г.), Международная научно-практическая конференция «Актуальные проблемы радиофизики. АПР-2010, АПР-2012» (Томск, 2010, 2012 г.), Шестнадцатая Всероссийская научная конференция студентов-физиков и молодых ученых, (г. Волгоград, 2010 г), Современные проблемы радиотехники и телекоммуникаций «РТ-2010» (Севастополь, 2010 г.), 6 всероссийская конференция молодых ученых «Физика и химия высокоэнергетических систем» (Томск, 2010 г.), Информационно-измерительная техника и технологии (Томск, 2011 г.), Материалы двенадцатой Международной научно-технической конференции «Измерение, контроль, информатизация», (Барнаул, 2011 г.), 37th International Conference on Infrared, Millimeter and Terahertz Waves « IRMMW-THz 2012 » (Wollongong, Australia, 2012).

" Публикации. По теме диссертации опубликовано 20 работ, в том числе: 9 статей в рецензируемых журналах из списка ВАК; 1 - учебно-методическое пособие; 10 - в сборниках научных трудов и в материалах конференций.

Личный вклад автора. Автором диссертационной работы проведен расчет, позволяющий учесть влияние поперечного размера квазиоптического

пучка на величину коэффициентов прохождения и отражения ЭМВ, плоскопараллельных образцов. Решена задача о нахождении диэлектрической проницаемости (ДП) образца плоскопараллельной геометрии при известном коэффициенте прохождения, с учетом эффекта влияния апертуры пучка.

Автором реализован квазиоптический радиоспектроскоп на основе интерферометра Маха-Цандера терагерцового диапазона «ИМЦ ТД-1»; собран радиоспектроскоп на основе открытого резонатора 8-мм диапазона и векторного анализатора цепей PNA Е 8363 В фирмы Agilent Technologies, а так же 4-мм резонатора и векторного анализатора цепей PNA-X N 5247 А фирмы Agilent Technologies. Изготовлен перестраиваемый по длине открытый резонатор 4-мм диапазона со связью в виде диэлектрической пленки.

Совместно с научным руководителем работы определён план работы, обсуждены основные результаты исследований; подготовлены к печати науч- * ные работы.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы. Работа содержит: страниц - 135, рисунков - 55, таблиц - 7, приложений - 1. Список литературы - 107 наименований. '

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность задач, поставленных перед диссертационной работой, описаны цели исследования, приведены защищаемые положения, научная новизна, показано практическое применение и дана общая характеристика диссертационной работы.

В первой главе представлен обзор научной литературы по методам исследования электромагнитных характеристик в терагерцовом диапазоне частот. Изложены современные представления и способы контроля и измерений параметров материалов различной геометрии в квазиоптике. Отмечены преимущества и недостатки. Затронуты основные проблемы исследований в данном диапазоне частот: сопоставимость длины волны с размерами исследуемых объектов; сложность интерпретации результатов исследования; отсутствие эталонных образцов и методов измерений. Описывается парк оборудования для проведения экспериментальных исследований, современные тенденции в изучении объектов различной природы и назначения в указанном частотном диапазоне. Формулируется проблема влияния поперечного размера квазиоптических пучков на результаты контроля и измерений параметров диэлектрических материалов плоскопараллельной геометрии.

Вторая глава посвящена оценке влияния степени сжатия квазиоптического пучка на измеряемые значения электромагнитных характеристик диэлектрических объектов плоскопараллельной геометрии.

Рассматривается задача о падении квазиоптического пучка диаметром 2ws под углом 0 на границу раздела двух сред с комплексными дйэлектри-ческими проницаемостями е, и е2 (рисунок 1). Для решения поставленной задачи (нахождения коэффициентов отражения и прохождения пучка от границы раздела сред) квазиоптический пучок, согласно [1 * ] может быть пред-

ставлен в виде суммы плоских монохроматических волн с одинаковыми ам-

АВ

плитудами и падающих на границу раздела под углами ©,. = © ± —,

г =1,2,3.... Здесь Д0 - величина, связывающая размер пучка с длиной волны электромагнитного излучения выражением: 2м>5 = 2тс/М8 . Сравнительный анализ показал (рисунок 2), что в случае, когда размер пучка составляет

величину, лежащую в интервале от 2и.'г > 1 ОХ, для аппроксимации квазиоптического пучка вполне достаточно двух плоских волн с одинаковыми амплитудами и углами падения на границу раздела сред ©12 = 0 +Д8 .

В рамках данной аппроксимации выражения для коэффициентов отражения и прохождения квазиоптического пучка имеют следующий вид (случай вертикальной поляризации - электрический вектор падающей волны лежит в плоскости падения):

^(ссцв/"6' + сов <Э2е*'"а' ) — У/г (сов ф,е''пв| +с05ф2е"°^) " IV,(сов0,е'™э' +соя©2<;"''аг) + №'2(со5ф,е™в' + со8ф,е!1пЭ') ^

■ 2№,,(сов0>е'"9' + со5 02е'"е')_

' " IV, (сов ©¡е*'"0' + С0802е"'о0г) + IV, (аиф,?5'"®' + со8ф2е',п®г)

Здесь цг = 1Д/?> "ф,- УГ0Л преломления соответствующей плоской волны.

Указанный подход к описанию процесса отражения (или прохождения) квазиоптического пучка от границы раздела сред -определение электромагнитного отклика от данной границы, позволяет решить обратную задачу, то есть найти параметры одной из сред по известному (например, определенному экспериментально) электромагнитному отклику, не только численно, как в случае, когда пучок представлен в виде суммы бесконечного числа плоских монохроматических волн, но и аналитически.

границу раздела двух сред под углом ® .

отн

ед.

0.8

0,6 ■ *

.........«"*'>' ■

0.4

" 1

0,2 Л

0 20 40 60 градусы

Рисунок 2 - К сравнительному анализу квазиоптического пучка с его представлением в виде суперпозиции двух плоских волн. 1 - = IX , 2 - = ЗХ , 3- ,7лу, = 5Х, 4 - 2», = ЮЛ ,

5 - «квазиоптический пучок». Вертикальная поляризация.

В работе приводятся результаты расчета коэффициента прохождения ЭМВ диэлектрика плоскопараллельной геометрии, представляющего собой, например, пластину или пленку. На рисунке 3 в качестве примера приведены рассчитанные зависимости коэффициента прохождения ЭМВ образцов диэлектрика с величиной диэлектрической проницаемости е'=2,5 и диэлектрических потерь е* = 0,01 от размера квазиоптического пучка 2и>5 , нормированного на длину волны X, и от толщины диэлектрика /г.

Диэлектрик находится в среде с диэлектрическими характеристиками: ео =1 и ео = 0. пучок падает на него, соответственно, под углами 0", 30° и 60'. Выбор величин диэлектрических характеристик пластины был обусловлен возможностью сравнения расчета с экспериментальными данными, полученными на реальных образцах диэлектриков с известными характеристиками. Видно, что величина коэффициента прохождения эмв является зависимой от диаметра квазиоптического пучка 2и'(.

7Т

0,5

0,0

0.1).' /

- / 0,5// /

" /

1.0/.

В)

Рисунок 3 - Зависимость коэффициента прохождения ЭМВ диэлектрика с величиной диэлектрической проницаемости

е' = 2,5 и диэлектрических потерь е' = 0,01 от размера квазиоптического пучка 2и>,, нормированного на длину

волны X. . Пучок падает под углом а) 0°, б) 30° и в)60°. Горизонтальная поляризация,

В том случае, когда диаметр пучка 2ws < 5Х, наблюдается уменьшение коэффициента прохождения, причем с увеличением угла падения пучка на диэлектрик наблюдается рост величины данного уменьшения. Так же экспериментально показано, что, при 10А, < 2ws < 25А., коэффициент прохождения

постоянен во всем указанном диапазоне изменения диаметра квазиоптического пучка.

На рисунке 4 показаны результаты сравнения экспериментально полученного коэффициента прохождения для пяти образцов различной толщины плоско-

параллельной геометрии из ПММА (е' = 2,5 ,е* = 0,01) с расчетными данными, полученными для указанных образцов, при различных диаметрах квазиоптического пучка, а так же с расчетом для плоской волны. Экспериментальные данные на указанном графике отображены закрашенными точками, расчетные, с учетом размера пучка - пустыми. Наблюдается выраженный завал как расчетного, так и экспериментально полученного коэффициента прохождения с уменьшением диаметра пучка. В случае, когда диаметр 2ы>Ш

отн. ед. о.эе

0,94 0,92 0,90 0,88 0.86 0,84 0,820.80 0,78 0.76 0.74 0.72

*.....-*>■■--■

=г

а = 0,25я пучок плоская й = 0,ззл пучок-плоская

л = 0,5 а

- пучок

- плоская /1=0.66?,

■ пучок НО— плоская » й- Э.86/

>. пучок (у— плоская

Рисунок 4 - Зависимость величины коэффициента прохождения ЭМВ ПММА различной толщины от размера пучка. Закрашенная фигура - эксперимент; пустая фигура - расчет с учетом размера пучка; полузакрашенная фигура - расчет для случая плоской волны, погрешность аппроксимации квазиоптического пучка суперпозицией двух плоских волн составляет 1%, если 2и'5 =ЗХ, погрешность увеличивается до

5%. "'";/; '

Решение обратной задачи позволяет установить степень влияния размера пучка на погрешность в определении величины искомой характеристики образца.

о,%г ; " ~~ Например, при определении ДП об-

разца ПММА толщиной 0,а, при выборе размера пучка 2\\>; = 25А,, погрешность в определении ДП составила 0,01%, а уже при =5Х она оказалась равной 1,6%, и при 2IV, =31 - 7,6%. Величина погрешности в определении ДП образца является зависимой от толщины образца, что видно из рисунка 5. Учитывая сказанное, можно утверждать о необходимости учета поперечного размера квазиоптического пучка при решении как прямых, так и обратных задач его 12

= 5/1

■ - - : ——_в_ , 2«',

------ 2 н; =п

0,0 0,2 0,-1 0.6 0.8 1.0 л/л

Рисунок 5 - Погрешность определения ДП образцов ПММА различной толщины.

рассеяния диэлектрическими объектами.

В третьей главе рассматривается математическая модель открытого квазиоптического резонатора (ОР), образованного вогнутыми зеркалами с радиусом кривизны /?, и К2 с включением в виде многослойного диэлектрика с плоскопараллельной геометрией, расположенного в геометрическом центре резонатора нормально или под некоторым углом © к его продольной оси (рисунок 6). Распределение электромагнитного поля в ОР представляет собой квазиоптический пучок [4\]. В случае, когда «перешеек» пуяка рас-

полагается в геометрическом центре ОР.

Выражение для собственных частот (ппщ рассматриваемого резонатора,

определенное из условия кратности 2к набега фаз приобретаемого волной за полный проход по резонатору, позволяет утверждать о сложной многочас-тотности резонатора даже при подавлении высших типов колебаний (п,т=0).,

Условия устойчивости такого резонатора определялись с использованием геометрооптического подхода. В данном случае устойчивость резонатора означала, что после бесконечно большого числа проходов резонатора отклоненный от оси резонатора луч не выйдет за пределы зеркал, оставаясь внутри каустики, при этом известные условия устойчивости (2) будут выполнятся при существенно новых значениях параметров:

^ Т \

Рисунок 6 - Открытый резонатор с включением

в виде трехслойного шюскопараллелыгого диэлектрика расположенного под углом к его оси.

(2)

гДе ¿'1.2

°р 2

> Ц,р = X ~ эффективная оптическая длина резонато-

У=1

ра, а И], - длина и ДП ;'-го слоя многослойной структуры, включая воздушные зазоры. В том случае, когда в резонатор под углом включен однослойный диэлектрик, оптическая длина равна:

/г ■ е

зш2е

Резонатор, нагруженный многослойной средой, обладает особенностью: при фиксированной геометрической длине его оптическая длина может принимать практически любые значения, в зависимости от электрофизических свойств и толщин отдельных слоев. То есть, при внесении в пустой резонатор многослойной структуры, полностью изменяются условия устойчивости его собственных колебаний.

Известно, что конфокальный резонатор (Ь= Ш), которому соответствует точка А на диаграмме устойчивости (рисунок 7), является неустойчивым. В работе показано, что при внесении в такой резонатор тонкого (И « ) слоя материала с диэлектрической проницаемостью е > 1, ОР становится устойчивым. На диаграмме качественно показано, что в этом случае точка А переходит в точку А'.

Для концентрического резонатора (Ь = 2К), который также является неустойчивым в случае пустого ОР, внесение аналогичного слоя диэлектрика приводит к тому, что произведение увеличивается ( > 1) и резонатор «уходит» в «глубокую» неустойчивость. На диаграмме этот случай отображен точкой В'.

Также существует и обратный случай, когда изначально устойчивый резонатор, путем внесения в него плоского диэлектрика, например при измерениях, или контроле параметров последнего, может быть введен в положение неустойчивости. Данное обстоятельство должно быть принято во внимание экспериментатором.

Далее, с использованием представления волны, распространяющейся в резонаторе, суммой двух плоских волн, были найдены вносимые диэлектриком относительная частотная расстройка (3) и изменение добротности резонатора (уши-рение резонансной кривой) (4):

8г

1Я

-......... ■ и ||| )........(!"-........

¿V*

-г,о -1.о , ар 1.о 2.о ^ рисунок 7- Диаграмма устойчивости ОР.

§/ = /-/о

ь-ы

%-аг8%>

(3)

2Л/ =

сое © + -

2лЬ

БП12 ©

•НГЬ (4)

, к - толщина диэлектрика, с -

где ¡\.0=с//0, = к __ ,---—

^/г-ьт2©,

скорость света, /0 - резонансная частота пустого ОР, Ь - длина резонатора,

0 - угол наклона диэлектрика к оси резонатора, |/|2 и ащ(г) - квадрат модуля

и аргумент коэффициента прохождения для пучка, представленного в виде суперпозиции двух плоских монохроматических волн с одинаковыми амплитудами.

Такой подход, как было показано во второй главе, оправдан, так как в общем случае в открытом резонаторе распространяется пучок с гауссовым профилем.

Соотношения (3) и (4) могут быть записаны для обеих поляризаций в раз« вернутой аналитической форме, что позволяет решить обратную задачу, то есть определить диэлектрическую проницаемость образца по измеренному сдвигу резонансной частоты, при известной толщине образца, или определить толщину при известной диэлектрической проницаемости.

В [5* ] экспериментально показано, что в том случае, когда вектор электрической составляющей электромагнитного поля лежит в плоскости падения волны, наблюдается постоянство сдвига резонансной частоты 8/ в большом диапазоне значений углов, что позволяет утверждать о слабой зависимости результатов измерений от углового положения образца и его продольного перемещения в резонаторе. Данные исследования и расчетные формулы были проведены и получены в условиях, когда толщина образца много меньше длины волны (А-0.01Я,). В настоящей работе с использованием расчета показано (рисунок 8) и экспериментально подтверждено, что обнаруженный эффект постоянства сдвига резонансной частоты наблюдается и при толщинах образцов порядка ОДА.. в/

: И = 0,0«. 17

/27

10 20 30 40 30 60 70

Рисунок 8-Расчет сдвига резонансной частоты ОР при внесении в него диэлектрика с толщинами 0,01А., О, IX и 0.5Л.. 1 - горизонтальная поляризация., 2 - вертикальная поляризация

Так же, для обеих поляризаций экспериментально показано уменьшение влияния продольных и поперечных перемещений образцов с толщинами, значительно превышающими 0, IX на измеряемую величину сдвига и ушире-ния резонансной частоты при его наклоне к оси ОР. Получение аналогичных экспериментальных результатов, но уже по включению трех- и двухслойных образцов в ОР, может лечь в основу методов и средств для контроля параметров сред, которые не имеют строгой геометрической формы (жидкости, газы, сыпучие вещества и т.п.).

Четвертая глава включила в себя описание применяемых методов экспериментального исследования электромагнитного отклика, описание измерительных установок, позволяющих проводить измерения в диапазоне частот от 30 до 800 ГГц.

Для исследования характеристик слабопоглащающих материалов в диапазоне частот 30-60 ГГц было реализовано два измерительных высокочастотных комплекса, которые состоят из 8-мм открытого резонатора и векторного анализатора цепей PNA Е 8363 В фирмы Agilent Technologies, а так же 4-мм резонатора и векторного анализатора цепей PNA-X N 5247 А фирмы Agilent Technologies. Блок-схемы данных комплексов идентичны и представлены на рисунке 9. В качестве измерительной ячейки использован ОР, который хорошо зарекомендовал себя для измерения тонких образцов плоскопараллельной геометрии [5 * ]. В случае наших измерений образец помещался под наклоном к оси ОР. что позволило повысить точность измерений и контроля, благодаря уменьшению влияния продольных вибраций исследуемого образца на величину относительного сдвига резонансной частоты. Двухфазные композиционные материалы на основе полиметилметакрилата и МУНТ являются материалами, которые эффективно поглощают ЭМИ излучение в исследуемом диапазоне частот [8], поэтому ОР не пригоден для исследования их электромагнитных свойств: при включении таких материалов в ОР добротность последнего сильно падает, что приводит к значительному росту погрешности определения относительного сдвига резонансной частоты.

Поэтому, для решения поставленной задачи, а именно - определение зависимости коэффициента прохождения ЭМВ композитов от содержания в них МУНТ, разработана и реализована схема радиоспектроскопа на основе элементов интерферометра Маха-Цандера терагерцового диапазона «ИМЦ ТД-1». Блок-схема квазиоптического радиоспектроскопа представлена на рисунке 10.

В качестве генератора электромагнитного излучения здесь используются лампы обратной волны (ЛОВ), а детектором служит ячейка Голея. Использование элементов «ИМЦ ТД-1» позволило укомплектовать измерительную схему и при этом расширить диапазон исследований до 0,8 ТГц включительно.

Важно отметить, что экспериментальные исследования с использованием квазиоптического радиоспектроскопа были проведены в пучках диаметром от 10Х. и больше. Благодаря конструкционным особенностям ОР, исследова-

Рисунок 9 - Блок схема комплекса измерений на основе ОР.

Рисунок 10 - Блок-схема квазиоптического радиоспектроскопа. Здесь 1- ЛОВ; 2- тефлон-овые фокусирующие линзы; 3- крепеж образца; 4- исследуемый образец; 5- ячейка Голея (ОАП).

ния с их использованием были проведены в пучках диаметром 5~1Х, а значит, погрешность измерений электромагнитного отклика, связанная с размером пучка, не превышала 3%.

В главе приведены результаты экспериментального исследования ОР с включением в виде плоского диэлектрика; экспериментальные результаты по определению влажности листовой бумаги по сдвигу резонансных частот ОР в низкочастотной области терагерцового диапазона - 30 ГГц; исследование электромагнитного отклика композитов на основе МУНТ - в диапазоне частот 0,1 - 0,8 ТГц. Описывается методика получения МУНТ и изготовления композиционных материалов.

Для отработки методики измерений и контроля параметров плоских диэлектриков в ОР были изготовлены тестовые образцы из ПММА с диэлектрической проницаемостью е'= 2,5 и диэлектрическими потерями е" = 0,01 толщинами от 0,75 до 2,95 мм. Так же отклик параметров ОР изучался на образцах текстолита, флана, трансформаторной бумаги и различных пленок.

В ходе эксперимента исследуемый образец размещался в геометрическом центре резонатора. Поворот относительно оси ОР, а, соответственно, и угол падения пучка на образец, изменялся с помощью штатива - держателя образца. Продольные перемещения образца в объеме резонатора так же осуществлялись за счет перемещения штатива.

В результате проведения экспериментальных исследований на тестовых образцах были получены следующие результаты: показана возможность контроля параметров плоских диэлектриков в ОР; обнаружен участок углов наклона образца к оси, на котором наблюдается инвариантность сдвига резонансной частоты относительно малых угловых колебаний. Исследование от-лика параметров ОР на продольные перемещения образца показало снижение чувствительности к последним при увеличении угла наклона образца к оси резонатора.

С использованием отработанной методики измерений параметров плоских диэлектриков в ОР были проведены исследования листовой бумаги с различным содержанием влаги.

Измерения проводились в 8-мм диапазоне длин волн в ОР длиной /,= 13,4 см, образованном вогнутыми зеркалами с диаметром апертуры 2а-\2 см и радиусом кривизны R=20 см. Диаметр пучка в центре резонатора составлял величину 5 - 6А,. Использовался основной (осевой) тип колебаний, схема измерения «на проход». Блок-схема установки приведена на рисунке 11. Измерительная установка включает в себя: ЭВМ, векторный анализатор цепей PNA Е8363В фирмы Agilent Technology, 8-мм открытый резонатор, аналитические весы AUX320 фирмы Shimadzu, сушильный шкаф (ВШ), коаксиальные линии свя зи, а так же волноводно-коаксиальные переходы (ВКП-1, ВКП-2).

Рисунок 11 - Блок-схема установки для измерения влажности листовых диэлектрических объектов.

С целью обеспечения контролируемой влажности образца резонатор помещался в пластиковый корпус вытяжного шкафа, где устанавливался на подставке с возможностью изменения угла © между оптической осью резонатора и плоскостью образца.

Влажность и температура контролировались гигрометром психометрическим ВИТ-2. Образец подвешивался посредством нити к весам А11Х320, конструкцией которых предусмотрено такое крепление.

Измерения проводились на образцах писчей бумаги. Размер листа определялся конструкцией резонатора (диаметром пучка поля резонатора), и в нашем случае составлял размер А5. «Сухой» лист бумаги предварительно взвешивался. Под термином «сухой» понимается бумага с естественным содержанием влаги. Далее после пропитки дистиллированной водой лист бумаги вертикально размещался в наклоненный под углом © ОР и одновременно крепился к измерительным весам.

Вес «сухого» листа принимался за исходный, содержание влаги определялось изменением веса: ЦГ„=(Р -Р )/р , здесь Ж. -влажность листа, Р -

% V. ал сух I / 'сух "*> 'ел

вес влажного листа, Р - вес «сухого» листа.

Измерения значений коэффициента прохождения ЭМВ резонатора (параметр 520 были проведены в окрестности четырех резонансных частот/рез: 27,5 ГГц; 28,6 ГГц; 29,7 ГГц; 30,8 ГГц, полученные результаты на примере сдвига для 27,5 ГГц показаны на рисунке 12 в виде резонансных кривых, амплитуда и ширина которых изменяется по мере изменения влажности образца.

Приведенные на рисунке 12 результаты показывают возможность

0,000

27,4 27,6 ^ ГГц

Рисунок 12 - Изменение вида резонансной кривой ОР с ростом влажности исследуемого объекта.

применения ОР для измерения влажности листовых материалов и доказывают возможность достоверной калибровки устройства контроля влажности листовых, материалов на основе ОР, в диапазоне от 0 до 6%. , Данные экспериментальные результаты были получены в ходе изучения отклика параметров ОР на внесение плоскопараллельных объектов, которые имеют небольшие диэлектрические потери. С ростом потерь исследуемых материалов необходимость применения ОР в качестве измерительной ячейки

теряет свой смысл. Поэтому для исследования современных композиционных материалов, в основу которых входят МУНТ и потери которых велики, достаточно однократного взаимодействия волны с образцом. Такое взаимодействие в диапазоне частот от 0,1 до 0,8 ТГц было реализовано с помощью ру-порно-линзовой системы (рисунок 10), обеспечивающей измерение коэффициента прохождения.

Для получения МУНТ были использованы методы термического разложения этилена на Ре-Со-содержащих катализаторах при температуре 660 700 °С. В качестве связующего в композиционном материале использовался полиметилметакрилат. Для получения композитов была использована методика коаглуционного осаждения.

Исходные образцы композитов представляли собой тонкие пластины, приблизительно равномерные по толщине. Измерения толщины образца производились с помощью микрометра в 10 - 15 точках, выбранных случайно, результаты измерений усреднялись.

Образцы отличались коэффициентом наполнения МУНТ в композите. Измеренные параметры образцов, названия и концентрация МУНТ указаны в таблице 1.

Таблица 1 - Образцы композиционных материалов на основе МУНТ

№

Концентрация МУНТ,1

0,5

1,0

2,0

3,0

5,0

Толщина, мм

0,22

0,23

0,22

0,24

0,23

0,25

0,23

0,24

0,25

0,22

Название образца

РбРСМ 1 _Е 1 Зр/РММА о,;

РбРСА 1_ЕЗр/РММ А 0,5%

Р6РСА1 _ЕЗр/РММА 1,С

РбРСМ 1 „Е13 р/РММА 1,

Р6РСМ1 _Е13р/РММА 2,0

РбРСА1_ЕЗр/РММА 2,1

РбРСМ1_Е13р/РММА 3,0%

Р6РСА1БЗр/РММА 3,'

Р6РСА1_ЕЗр/РММА 5,0%

РбРСМ 1 13р/РММА 5,С

Необходимо отметить существенное различие образцов -диаметр МУНТ в их составе. Диаметр МУНТ для образцов серии «Рбк:м1»» (таблица

1) лежит в диапазоне 12-14 нм, а у образцов серии «Р6РСА1» (таблица 1) диаметр составил 8-9 нм. .■..-,

Исследование электромагнитного отклика композитов (измерялся коэффициент прохождения) производилось в диапазоне 0,1 -4- 0,8 ТГц в режиме частотной перестройки в 960-х точках.

Итогом экспериментальных исследований коэффициента прохождения ЭМВ композитов на основе МУНТ, являются следующие результаты: исследована зависимость коэффициента прохождения от концентрации МУНТ в композите (рисунок 13) - с ростом концентрации наблюдается падение величины коэффициента прохождения; средняя величина коэффициента прохождения ЭМВ композитов с МУНТ диаметром 8-9 нм выше, чем с МУНТ Диаметром в 12-14 нм; с ростом частоты дня всех образцов наблюдается нормальная дисперсия коэффициента прохождения. Показано так же (рисунок 13), что коэф-

фициент прохождения ЭМВ двухфазного композиционного материала на основе полиметилметакрилата и многостенных углеродных нанотрубок в диапазоне частот 0,1-0,8 ТГц, при росте концентрации многостенных углеродных нанотрубок в композите от 0,5 до 3,0%, уменьшается сублинейно. Например, для нанотрубок диаметром 12-14 нм уменьшение происходит в 4,5 раза в диапазоне 0,1-0,25 ТГц, в 5,3 в диапазоне 0,3-0,55 ТГц и в 7 раз в диапазоне 0,55-0,8 ТГц. В указанном диапазоне частот данная сублинейность обладает частотной дисперсией, г

ез

Рисунок 13 - Концентрационная зависимость коэффициента прохождения ЭМВ композиционных материалов на основе МУНТ.

Таким образом, на основании полученных результатов, можно сделать вывод о возможности управления электромагнитным откликом, и в частности, коэффициентом прохождения ЭМВ композиционных материалов на основе МУНТ, путем изменения концентрацию последних в композите.

В заключении приводятся основные результаты диссертационной работы: 1. Показано влияние размера квазиоптического пучка на величину коэффициента прохождения ЭМВ материалов плоскопараллельной геометрии; 2. Определены условия, при которых квазиоптический пучок может быть представлен в виде суперпозиции двух плоских монохроматических волн; 3. Решена задача о нахождении ДП плоских диэлектриков в пучках по известному коэффициенту прохождения и с учетом размера пучка; 4. Описана математическая модель ОР с включением в виде плоского многослойного диэлектрика расположенного под углом к оси резонатора; 5. Записаны условия устойчивости собственных мод ОР с включением в виде наклоненного к оси резонатора плоского диэлектрического слоя; 6. Записаны выражения для относительного сдвига и уширения резонансной частоты, позволяющие определить электромагнитные характеристики возмущающего резонатор плоскопараллельного объекта; 7. На современном измерительном оборудовании реализовано три измерительных СВЧ, КВЧ и ГВЧ комплекса; 8. Экспериментально исследованы и определены:

- относительный сдвиг резонансной частоты и уширение резонансной кривой, вносимое плоскими диэлектрическими объектами в 8-мм ОР;

- влияние угла наклона плоского диэлектрика относительно оси ОР на величину сдвига резонансной частоты и уширение для вертикальной поляризаций ЭМИ; влияние продольных и поперечных перемещений на эти же величины для обеих поляризаций;

- возможность контроля малых значений влажности листовой бумаги в ОР; 3

- коэффициент прохождения ЭМВ композиционных материалов на основе МУНТ в диапазоне частот 0,1 - 0,8 ТГц.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ АВТОРА ОТРАЖЕНЫ В РАБОТАХ

Статьи в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК

1. Емельянов Е.В., Дорофеева Г.А., Мазов И.Н., Кузнецов В.Л. Исследование электромагнитных характеристик композиционных материалов на основе многостенных углеродных нанотрубок в открытом резонаторе Н Изв вузов. Физика. - 2010. - № 9/2.- С. 188 - 190.

2. Емельянов Е.В., Дунаевский Г.Е., Сусляев В.И Исследование влажности листовых материалов комбинацией радиофизического и суховесового методов // Изв. вузов. Физика. - 2010. - № 9/2,- С. 192 - 195.

3. Дунаевский Г.Е., Сусляев В.И., Емельянов Е.В., Кулешов Г.Е. Измерение влажности листовых материалов комбинацией радиофизического и суховесового методов // Электронный научный журнал «Исследовано в России». -2010. - http://zhurnal.ape.relarn.ru/articles/2010/006.pdf. - С. 72 - 81.

4. Emelyanov Е„ Dunaevsky G„ Suslyaev V., Kuznetsov V., Mazov I., Kuznetsov S. Examination of physical parameters of the composites containing multiwall carbon nanotubes in the range of frequencies 0.1-0.8 THz // Изв вузов

Физика.-2010.-№9/3,-С. 315-317.

5. Емельянов Е.В., Дорофеева Г.А. Диэлектрическая проницаемость композиционных материалов на основе многостенных углеродных нанотрубок, измеренная методом открытого квазиоптического резонатора // Доклады Томского университета систем управления и радиоэлектроники - 2010 - №

2 (22). -ч. 1,- С. 38-41. ' . " .

6. Дунаевский Г.Е., Сусляев В.И., Емельянов Е.В., Кулешов F.E. Комплекс методов и средств радиоволновой диагностики фундаментальных характеристик гетерогенных материалов и сред в гигагерцовом и терагерцовом диапазонах // Изв. вузов. Физика. 2011. Т. 54. № 9-2. С. 138-146.

7. Дунаевский Г.Е., Емельянов Е.В. СВЧ-датчик для контроля влажности листовых материалов на основе открытого резонатора // Ползуновский ; вестник,- 2011. - № 3/1.- С. 80 - 82.

8. Zhuravlev V. А. , Suslyaev V. I. , Dunaevskii G. Е„ Emelyanov Е. V., Mazov I. N. , Moseenkov S. I. , Kuznetsov V. L. Complex permittivity of polymer composites containing carbon nanostructures in frequency range 0.17 -И.1 THz'//' ' 37th International Conference on Infrared, Millimeter and Terahertz Waves « f IRMMW-THz 2012 »/ University of Wollongong, Australia, September 23-28 2012.-2 p. ' «

9. Emelyanov E. V., Dunaevskii G. E, Suslyaev V. I., Zhuravlev V. A Mazov I. N„ Moseenkov S. I, Kuznetsov V. L. Terahertz transmission spectra of com- -posite materials based on MWNT with different time of ultrasonic processing //

37th International Conference on Infrared, Millimeter and Terahertz Waves « IRMMW-THz 2012 »/ University of Wollongong, Australia, September 23 - 28, 2012.-2 p.

Учебно-методическое пособие

10. Дунаевский Г.Е., Емельянов E.B. Измерение диэлектрической проницаемости плоских диэлектриков с помощью квазйоптического открытого резонатора: Учебно-методическое пособие. — Томск. 2009 г. - Электронный ресурс: URL: http://rff.tsu:ni/~dept2web/files/lab01_kvc.pdf. (дата обращения: 12.11.2012).

Статьи в сборниках статен и трудов конференций

• 11. Емельянов Е.В. Моделирование радиофизического контроля плоских объектов в терагерцовом диапазоне с помощью квазиоптического СВЧ резонатора // Современные проблемы радиоэлектроникихб. науч. Тр. - Красноярск: ИПК СФУ, 2009 - С; 157-160.

12. Емельянов Е.В. Квазиоптический метод измерения электромагнитных параметров материалов в КВЧ и терагерцовом диапазонах // Материалы VII Международной научно-технической конференции, 7-11 декабря 2009 г. - Москва: МИРЭА, 2009 - С. 35-40.

13. Емельянов Е.В. Исследование электромагнитных свойств, композиционных материалов на основе многостенных углеродных нанотрубок в терагерцовом диапазоне частот // Шестнадцатая Всероссийская научная конференция студентов-физиков и молодых ученых, г. Волгоград, 22-29 апреля 2010 г.: материалы конф., информ. Бюл.: в 1 т. - Т. 1. — Екатеринбург ; Волгоград: Изд-во АСФ России, 2010. С. 194-192.

14. Емельянов Е.В., Коровин Е.Ю., Мазов И.Н. Исследование электрофизических параметров композиционных материалов, содержащих многостенные углеродные нанотрубоки в диапазоне частот 0,1 - 0,8 ТГц // Физика и химия высокоэнергетических систем: Сборник материалов VI Всероссийской конференции молодых ученых (14-17 апреля 2010 г., г. Томск). - Томск: ТМЛ-Пресс, 2010. С. 312 - 316.

15. Емельянов Е.В. Установка для измерения влажности листовых диэлектриков (суховесовой и радиофизический метод) // Шестнадцатая Всероссийская научная конференция студентов-физиков и молодых ученых, г. Волгоград, 22-29 апреля 2010 г.: материалы конф., информ. Бюл.: в 1 т. - Т. 1. -Екатеринбург; Волгоград: Изд-во АСФ России, 2010. С. 551-553.

16. Емельянов Е.В. Применение открытого резонатора для измерения влажности плоских листовых диэлектриков // Современные проблемы радио, техники и телекоммуникаций «РТ-2010»: Материалы 6-ой междунар. молодежной науч.-техн. конф., 19-24 апреля 2010 г. - Севастополь: Изд-во Сев-НТУ, 2Q10. С. 264 - 265.

Д7. Емельянов Е.В. Измерение влажности листовых материалов радиофизическим и суховесовым методами // Материалы XLVIII Международной

научной студенческой конференции «Студент и научно-т< гресс»: Физика, Новосиб. Гос. Ун-т. Новосибирск, 2010. С. 11

18. Емельянов Е.В., Дунаевский Г.Е., Сусляев В.И. Лаб< компактного СВЧ-датчика для контроля влажности листовых материалов // Материалы двенадцатой Международной научно-технической конференции «Измерение, контроль, информатизация», 29 - 30 марта 2011 г. - Барнаул* Изд-во АлтГТУ. С. 174 - 177.

19. Дорофеева Г.А., Емельянов Е.В. Диэлектрическая проницаемость композиционных материалов на основе многостенных углеродных нанотру-бок, измеренная на СВЧ и КВЧ // Информационно-измерительная техника и технологии: материалы II Научно-практической конференции/ - Томск: Изд* во Томского политехнического университета, 2011. - С. 80-81

20. Емельянов Е.В. К вопросу о взаимодействии квазиоптического пучка с многослойной средой // Современные проблемы радиоэлектроникихб. науч. Тр. - Красноярск: ИПК СФУ, 2012 - С. 157-160.

Цитируемая литература

[1 * ] Третьякова С.С. Дифракция волновых пучков на плоских периодических структурах / С.С.Третьякова, O.A. Третьяков, В.П. Шестопалов // Радиотехника и электроника. 1972. №7. С. 1366-1373.

[2 * ] Кузьмичев И.К. О предельных возможностях уменьшения размеров зеркал открытых резонаторов / И.К. Кузьмичев, A.C. Тищенко, К. Шёнеманн // Известия вузов. Радиофизика. 2002. Т.45. №6. С. 509-515.

[3 * ] Борн М., Вольф Э. Основы оптики / М. Борн, Э. Вольф - М.: Наука, 1970. 856 с.

[4 * ] Вайнштеин JI. А. Открытые резонаторы и открытые волноводы / Л. А. Вайнштеин - М.: Советское радио, 1966. 474 с.

[5 * ] Дунаевский Г. Е. Открытые резонаторные преобразователи / Г. Е. Дунаевский - Томск: Изд-во НТЛ, 2006. 300 с.

Отпечатано на участке оперативной полиграфии редакционно-шдательского отдела ТГУ

Заказ №££5" от «26» И 20 <2 г. Тираж 400 экз.

Содержание диссертации автор исследовательской работы: кандидата физико-математических наук, Емельянов, Евгений Витальевич

ВВЕДЕНИЕ.

1 Исследование электромагнитных параметров материалов в терагерцовом диапазоне частот.

1.1 Основные проблемы исследований в терагерцовом диапазоне частот.

1.2 Исследование свойств материалов с использованием современной квазиоптической техники.

1.3 Выводы.

2 Взаимодействие квазиоптического пучка с многослойной средой.

2.1 Отражение суперпозиции континуума плоских волн от плоского слоя.

2.1.1 Представление квазиоптического пучка в виде суперпозиции континуума плоских монохроматических волн.

2.1.2 Сравнительный анализ различных представлений квазиоптического пучка.

2.2 Влияние поперечного размера квазиоптического пучка на величину коэффициента прохождения электромагнитной волны плоских диэлектриков

2.2.1 Эффект влияния диаметра пучка.

2.2.2 Экспериментальная проверка эффекта влияния диаметра пучка.

2.2.3 Решение обратной задачи.

2.3 Выводы.

3 Диэлектрический слой в открытом резонаторе.

3.1 Слоистая среда в открытом резонаторе. Добротность и резонансные частоты.

3.2 Открытый квазиоптический резонатор с наклонным диэлектриком.

3.2.1 Математическая модель открытого резонатора с наклонным диэлектриком плоскопараллельной геометрии.

3.2.2 Влияние угла наклона диэлектрика на параметры открытого резонатора

3.3 Условия устойчивости открытого резонатора с многослойной диэлектрической средой.

3.3.1 Условия устойчивости резонатора с наклонным диэлектриком.

3.4 Выводы.

4 Экспериментальные исследования электромагнитных характеристик плоских диэлектрических объектов в квазиоптических пучках.

4.1 Влияние угла наклона и продольного перемещения плоскопараллельного диэлектрического образца на характеристики ОР.

4.1.1 Блок-схема экспериментальной установки на основе 8-мм открытого резонатора.

4.1.2 Измерительная ячейка.

4.1.3 Алгоритм измерения сдвига резонансной частоты при внесении плоского диэлектрика в ОР.

4.1.4 Тестовые измерения материалов с известными значениями диэлектрической проницаемости.

4.1.5 Чувствительность параметров открытого резонатора к продольным перемещениям наклонного диэлектрика.

4.1.6 Оценка погрешности измерения сдвига резонансной частоты и уширения резонансной кривой.

4.1.7 Электродинамическое масштабирование 4-мм открытого резонатора

4.2 Экспериментальная проверка возможности контроля влагосодержания с помощью ОР.

4.2.1 Экспериментальная установка для синхронных измерений диэлектрической проницаемости и влажности плоских листовых материалов.

4.2.2 Исследование влажности и ДП листовой бумаги.

4.3 Измерение электромагнитных параметров композиционных материалов МУНТ/ПММА в диапазоне 0,1 - 0,8 ТГц.

4.3.1 Измерительная установка. Методика измерений.

4.3.2 Тестовые измерения.

4.3.3 Экспериментальные результаты.

4.3.3.1 Изготовление КМ и получение МУНТ.

4.3.3.2 Экспериментальные результаты.

4.4 Выводы.

Введение диссертация по физике, на тему "Особенности исследования электромагнитных характеристик плоскопараллельных диэлектрических объектов в квазиоптических пучках"

Актуальность темы. Исследование свойств материалов и сред, как в радиофизике, так и в других областях науки носит широкий прикладной характер. Новые знания о свойствах и характеристиках материалов позволяют создавать оборудование, технику и устройства, обладающие совершенно новыми прикладными функциями и возможностями.

В последние годы радиофизические методы исследований свойств материалов получили значительный импульс развития в связи с освоением терагерцового диапазона частот, занимающего широкую частотную область между длинноволновым ИК и СВЧ диапазонами. Создание новых генерирующих, преобразующих, передающих и детектирующих устройств в этом диапазоне позволяет решать задачи измерений и исследований параметров материалов естественного и искусственного происхождения.

Одна из существенных особенностей квазиоптического пучка в терагерцовом диапазоне - сопоставимость его диаметра с длиной волны излучения, ставит под сомнение корректность результатов измерений электромагнитного отклика образцов произвольной формы в пучках указанного размера, причем проявляться эта особенность может даже для объектов, казалось бы, наиболее простой геометрии - плоскопараллельной.

Цель диссертационной работы.

Разработать модель квазиоптического пучка, представленного в виде суперпозиции конечного числа плоских монохроматических волн, а также оценить степень влияния его поперечного размера (диаметра) на величину измеряемого электромагнитного отклика в том случае, когда взаимодействие пучка происходит с диэлектрическими объектами плоскопараллельной геометрии, экспериментально подтвердить эффективность предложенной модели, а также экспериментально определить коэффициент прохождения электромагнитной волны (ЭМВ) плоскопараллельных диэлектрических образцов с различным поглощением: 1) слабопоглащающих образцов плоских диэлектриков (в том числе с различным влагосодержанием) в открытом квазиоптическом резонаторе;

2) сильнопоглащающих композиционных материалов плоскопараллельной геометрии на основе полиметилметакрилата (ПММА) и многостенных углеродных нанотрубок (МУНТ) при различном процентном содержании в композите последних в диапазоне частот 0,1 - 0,8 ТГц.

Для достижения поставленной цели потребовалось решить следующие задачи:

5. Провести экспериментальные исследования по определению электромагнитного отклика образцов композиционных материалов содержащих МУНТ в квазиоптических пучках, а так же экспериментально определить возможность контроля влажности слабопоглащающих плоскопараллельных образцов в ОР.

Методы исследования.

Для решения задач диссертационной работы применялись следующие методы.

1. Для теоретического описания взаимодействия (отражения и прохождения) квазиоптического пучка с объектом в виде плоскопараллельной пластины использован метод представления пучка в виде суммы конечного числа плоских монохроматических волн, развитый в работах [58, 73]. Расчет влияния размера пучка на величину измеряемого электромагнитного отклика проведен для ряда величин диэлектрической проницаемости и разных толщин образцов.

2. Для решения задачи включения в ОР диэлектрического слоя под углом к его оси использован метод характеристических матриц для слоистых сред [81], а так же представление квазиоптического пучка в виде суммы двух плоских монохроматических волн с одинаковой амплитудой, падающих на исследуемый объект под углами 0,2 = 0 ± А0.

На защиту выносятся следующие положения.

1. Отражению квазиоптического пучка с амплитудой А, длиной волны X и диаметром , падающего под углом 0 на границу раздела двух диэлектрических сред эквивалентно отражение суперпозиции двух плоских монохроматических волн с длинами волн Х]-Х2=Х и амплитудами А\=А2~А, падающих под углами 0, = 0 + А9 и 02 = 0 - Д0 , если диаметр пучка соответствует условию 2мв >10Х, где АО = ^^ , 0 < 0, + ©2 < л.

В случае объектов плоскопараллельной геометрии указанное представление корректно с погрешностью менее 1%, если 2ч>5 > 10А, и до 5%, если = ЗА,.

2. Устойчивость открытого резонатора при измерении или контроле параметров плоскопараллельных диэлектрических объектов с толщиной к и диэлектрической проницаемостью е , размещаемых под углом 0 в открытом резонаторе, образованном зеркалами с радиусами кривизны Я]=Я2=Я сохраняется, если геометрическая длина резонатора Ь такая, что К < Ьор (е, 0) < 2Я или 0 < Ьор (е,0) < Я, где Ьор (в, 0) = Ь + к ■ б/л/е-бш2©.

- для нанотрубок диаметром 12-14 нм уменьшение происходит в 4,5 раза в диапазоне 0,1-0,25 ТГц, в 5,3 в диапазоне 0,3-0,55 ТГц и в 7 раз в диапазоне 0,550,8 ТГц.

Достоверность защищаемых положений и других результатов работы.

Достоверность первого научного положения достигается корректной постановкой решаемой модельной задачи и проведением сравнительного численного анализа между степенями аппроксимации квазиоптического пучка в указанном диапазоне его диаметров: при диаметре 2и>5 = 10А, в диапазоне углов падения пучка от 0 до 90° на границу раздела сред с 8,=1 и гг =2,5-9 максимальная погрешность аппроксимации суперпозиции для двух плоских волн составила 1%, для десяти волн 4,3% и для ста волн 5,9%. Достоверность также подтверждается согласием численных оценок с экспериментальными данными, полученными автором в работе: для образцов ПММА с толщинами 0,25А,, 0,ЗЗА,, 0,5>., 0,66Х и 0,86Х при =9Х различие между экспериментом и расчетом составило чуть больше 1%, а при 2м>5 = ЗА, - 5%.

Достоверность второго защищаемого положения достигается за счет использования известного подхода к решению задачи об устойчивости ОР, а так же полным совпадением полученных результатов в частных случаях с уже известными [48, 49, 84].

Научная новизиа.

Впервые выведены условия устойчивости открытого резонатора с включением в виде диэлектрика плоскопараллельной геометрии, расположенного под углом к оси резонатора.

Научная ценность защищаемых положений и других результатов работы заключается в следующем:

1. Полученное представление квазиоптического пучка в виде суммы двух плоских монохроматических волн позволяет аналитически решить задачу о нахождении электрофизических характеристик (диэлектрическая проницаемость) материалов и сред в пучках с диаметром 2м?$ > 1 ОХ.

2. Модель взаимодействия пучка с объектом по положению 1 позволяет оценить погрешность измерений электромагнитного отклика в пучках с диаметром < 1ОХ.

3. Полученные результаты о влиянии диаметра квазиоптического пучка на измеряемый электромагнитный отклик от образца указывают на необходимость учета данного обстоятельства исследователем, особенно при исследовании объектов в пучках, размер которых меньше 1 ОХ,, что гарантирует повышение точности измерений электромагнитного отклика до 5%.

Практическая значимость результатов работы.

1. Содержание положения 3 указывает на возможность создания композиционных материалов на основе многостенных углеродных нанотрубок и полиметилметакрилата с частотно-избирательными свойствами в нижней части терагерцового диапазона частот.

2. Положение 4 показывает возможность бесконтактного контроля влагосодержания листовых материалов, и создать устройство на основе открытого резонатора для непрерывного контроля влажности бумаги, ткани и других рулонно-листовых материалов.

Практическая значимость работы подтверждена присуждением автору стипендии Правительства Российской Федерации для аспирантов на 2011 - 2012 гг. за комплекс научных работ по тематике диссертации, а также победой в конкурсе инновационных проектов студентов, аспирантов и молодых ученых «У.М.Н.И.К. - 2010» с проектом «Разработка лабораторного макета компактного гигагерцового влагомера».

Внедрение результатов диссертационной работы.

Результаты работы использованы при выполнении следующих проектов: 1. «Многофункциональная аппаратура гигагерцового и терагерцового диапазонов на принципах квазистатических и квазиоптических подходов» государственный контракт № П 2476 от 19 ноября 2009 г.; 2. «Создание композиционных материалов на основе керамических оксидных ферримагнетиков для устройств в гигагерцовом и терагерцовом диапазонах частот» государственный контракт № П 2126 от 5 ноября 2009 г.; 3. «Многофункциональная аппаратура гигагерцового и терагерцового диапазонов на принципах нелинейной динамики, квазистатических и квазиоптических подходов» государственный контракт № 14.740.11.0335 от 17 сентября 2010 г.; 4. «Разработка методов и устройств радиоволновой диагностики с применением колебаний миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов» инвентарный № 01200903848; 5. «Разработка лабораторного макета компактного гигагерцового влагомера» договор № 2/13125 от 14.01.2011 г. с ООО «Триумф» в рамках государственного контракта № 8691 р/13125 от 14.01.2011 г.; 6. «Разработка физических основ создания методов и средств терагерцовой диагностики фундаментальных характеристик материалов искусственного и природного происхождения » в рамках аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2010 годы)» № 2.1.1/4513; 7. «Исследование электрофизических свойств веществ и объектов в микроволновой и терагерцовой областях частот» по проекту № П 1635; 8. НИР «Исследование композиционных материалов в гигагерцовой и терагерцовой областях частот» по проекту № П 10.541.09.08.

Апробация работы. Основные результаты работы и защищаемые положения диссертационной работы были представлены на: VII Международной научно-технической конференции (Москва, 2009 г.), «Студент и научно-технический прогресс» (Новосибирск, 2010 г.), Ежегодная международная научно-техническая конференция молодых ученых «Современные проблемы радиоэлектроники» (Красноярск, 2009, 2012 г.), «6-я конференция студенческого научно-исследовательского инкубатора» (Томск, 2010 г.), Международная научно-практическая конференция «Актуальные проблемы радиофизики. АПР-2010, АПР-2012» (Томск, 2010, 2012 г.), Шестнадцатая Всероссийская научная конференция студентов-физиков и молодых ученых, (г. Волгоград, 2010 г), Современные проблемы радиотехники и телекоммуникаций «РТ-2010» (Севастополь, 2010 г.), 6 всероссийская конференция молодых ученых «Физика и химия высокоэнергетических систем» (Томск, 2010 г.), Информационно-измерительная техника и технологии (Томск, 2011 г.), Материалы двенадцатой Международной научно-технической конференции «Измерение, контроль, информатизация», (Барнаул, 2011 г.), 37th International Conference on Infrared, Millimeter and Terahertz Waves « IRMMW-THz 2012 » (Wollongong, Australia, 2012).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 20 работ, в том числе: 9 статей в рецензируемых журналах из списка ВАК; 1 - учебно-методическое пособие; 10 - в сборниках научных трудов и в материалах конференций.

Личный вклад автора. Автором диссертационной работы проведен расчет, позволяющий учесть влияние поперечного размера квазиоптического пучка на величину коэффициентов прохождения и отражения ЭМВ, плоскопараллельных образцов. Решена задача о нахождении ДП образца плоскопараллельной геометрии при известном коэффициенте прохождения, с учетом эффекта влияния апертуры пучка.

Совместно с научным руководителем работы определён план работы, обсуждены основные результаты исследований; подготовлены к печати научные работы.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Работа содержит: страниц - 135, рисунков - 55, таблиц - 7, приложений - 1. Список литературы - 107 наименований.

Заключение диссертации по теме "Радиофизика"

4.4 Выводы

На современном измерительном оборудовании реализовано три измерительных СВЧ, КВЧ и ГВЧ комплекса, а также экспериментально исследованы и определены:

- относительный сдвиг резонансной частоты и уширение резонансной кривой, вносимые плоскими диэлектрическими объектами в 8-мм ОР;

- влияние угла наклона плоского диэлектрика относительно оси ОР на величину сдвига резонансной частоты и уширение для поляризованного ЭМИ; влияние продольных и поперечных перемещений на эти же величины для обеих поляризаций;

- возможность контроля малых значений влажности листовых материалов в ОР;

- зависимость коэффициента прохождения ЭМВ композиционных материалов на основе МУНТ в диапазоне частот 0,1 - 0,8 ТГц, от концентрации нанотрубок в композите.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В настоящей работе описана модель взаимодействия квазиоптического пучка, представленного в виде двух плоских монохроматических волн, с диэлектрическими объектами плоскопараллельной геометрии. Затронуты вопросы влияния поперечного размера квазиоптического пучка на величину электромагнитного отклика плоскопараллельных образцов. Обсуждаются особенности измерения в квазиоптических пучках параметров и характеристик материалов с использованием ОР и в свободном пространстве. Результаты диссертационной работы :

1. Показано влияние поперечного размера квазиоптического пучка на величину коэффициента прохождения ЭМВ материалов плоскопараллельной геометрии;

2. Определены условия, при которых квазиоптический пучок может быть представлен в виде суперпозиции двух плоских монохроматических волн;

3. Решена задача о нахождении ДП плоских диэлектриков в пучках по известному коэффициенту прохождения и с учетом размера пучка;

4. Описана математическая модель ОР с включением в виде плоского многослойного диэлектрика расположенного под углом к оси резонатора;

5. Получены условия устойчивости собственных мод ОР с включением в виде наклоненного к оси резонатора плоского диэлектрического слоя;

6. Выведены выражения для относительного сдвига частоты и уширения резонансной кривой, позволяющие определить электромагнитные характеристики возмущающего резонатор плоскопараллельного объекта;

7. На современном измерительном оборудовании реализовано три измерительных СВЧ, КВЧ и ГВЧ комплекса;

8. Экспериментально исследованы и определены:

- влияние угла наклона плоского диэлектрика относительно оси ОР на величину сдвига резонансной частоты и уширение резонансной кривой для вертикальной поляризаций ЭМИ; влияние продольных и поперечных перемещений на эти же величины для обеих поляризаций;

- возможность контроля малых значений влажности листовой бумаги в ОР;

- коэффициент прохождения ЭМВ композиционных материалов на основе МУНТ в диапазоне частот 0,1 - 0,8 ТГц.

По результатам, полученным в работе, можно сделать выводы:

1. В квазиоптике, где явлением дифракции пренебречь нельзя, необходим учет влияния поперечного размера пучка при исследовании электромагнитного отклика от образцов плоскопараллельной геометрии.

2. При измерении или контроле параметров диэлектриков плоскопараллельной геометрии в ОР необходимо принимать во внимание тот факт, что устойчивость резонатора с исследуемым диэлектриком зависит от величины ДП, толщины и угла наклона последнего к продольной оси ОР.

3. В ОР возможен бесконтактный контроль влажности листовых объектов, расположенных под углом к продольной оси резонатора.

4. Коэффициент прохождения ЭМВ композиционного материала на основе МУНТ/ПММА в диапазоне частот 0,1 - 0,8 ТГц с ростом концентрации от 0,5 до 3 % уменьшается нелинейно, причем данная нелинейность обладает частотной дисперсией.

Список источников диссертации и автореферата по физике, кандидата физико-математических наук, Емельянов, Евгений Витальевич, Томск

1. Siegel Р.Н. Terahertz technology / Р.Н. Siegel // IEEE Trans. Microwave Theory Tech. 2002. V. 50. P. 910-928.

2. Ferguson B. Materials for terahertz science and technology / B. Ferguson, X.-C. Zhang // Nature Mater. 2002. V. 1. P. 26-33.

3. Tuniz A. Stacked-and-drawn metamaterials with magnetic resonances in the terahertz range / A. Tuniz et al. // Opt. Express. 2011. V. 19. P. 16480-16490.

4. Merchant D.F. Chemical tapering of polymer optical fibre / D.F. Merchant // Sens. Actuators , A. 1999. V. 76. P. 365-371.

5. Zhukovsky S. V. Plasmonic rod dimers as elementary planar chiral meta-atoms / S. V. Zhukovsky // Opt. Lett. 2011. P. 2278-2280.

6. Singh R. Terahertz metamaterial with asymmetric transmission / R. Singh // Phys. Rev. В. V 80. 2009. P. 153104

7. Takahashi T. Observation of coherent Cerenkov radiation from a solid dielectric with short bunches of electrons / T. Takahashi et al. // Phys. Rev. E 50. 1994. P. 4041.

8. Aznabet M. Polypropylene-Substrate-Based SRR- and CSRR-Metasurfaces for Submillimeter Waves/ M. Aznabet et al. // Optics Express. 2008. V. 16. P. 18312— 18319.

9. Vitiello M.S. Nanowire and graphene architectures for THz generation / M.S. Vitiello et al. // 36th International Conference on Infrared, Millimeter and Terahertz Waves « IRMMW-THz 2011 »/ Huston, USA, 2011. 2 p.

10. Auston D.H. Picosecond optoelectronic switching and gating in silicon / D.H. Auston//Appl. Phys. Lett. 1975. V. 26, № 3. P. 101-103

11. Darmo C. Surface-modified GaAs terahertz plasmon emitter/ C. Darmo et al. // Appl. Phys. Lett. 2002. V. 81, №5. P. 871-873.

12. Kersting R. Coherent plasmons in n-doped GaAs / R. Kersting et al. // Phys. Rev. B. 1998. V. 58. № 8. P. 4553-4559.

13. Davies A.G. The development of terahertz sources and their applications / A.G. Davies // Phys. Med. Biol. 2002. V. 47. P. 3679-3689.

14. Wells-Gray E. M. A dynamic light scattering approach for monitoring dental composite curing kinetics / E. M. Wells-Gray et al. // Dent. Mat. 2010. V. 26. P. 634-642.

15. Pickwell E. A comparison of terahertz pulsed imaging with transmission microradiography for depth measurement of enamel déminéralisation in vitro / E. Pickwell et al. // Caries Res. 2007. V 41. P. 49-55.

16. Elimat Z. M. Study of ac electrical properties of aluminum-epoxy composites / Z. M. Elimat et al. // Journal of Physics D: Applied Physics. 2008. V. 41. P. 165408.

17. Li Y. J. Dielectric behavior of metal-polymer composite with low percolation threshold / Y. J. Li et al. // Applied Physics Letters. 2006. V. 89.

18. Mazov I.N. Electrophysical and electromagnetic properties of pure MWNTs and MWNT/PMMA composite materials depending on their structure / I.N. Mazov //

19. Fullerenes, Nanotubes and Carbon Nanostructures. 2010. V.18. N 4. P. 505-515.

20. Kawase K. Non-destructive terahertz imaging of illicit drugs using spectral fingerprints / K. Kawase, Y. Ogawa, Y. Watanabe // OPTICS EXPRESS. 2003. V. 11. №20. P. 2549-2554.

21. Jacobsen R.H. Chemical recognition of gases and gas mixtures with terahertz waves /R.H. Jacobsen, D.M. Mittleman, M.C. Nuss //OPTICS LETTERS. 1996. V. 21. № 24. P. 2011 -2013.

22. Mittleman D.M. Recent advantages in terahertz imaging / D.M. Mittleman, G. Gupta, B. Neelamani, R.G. Baraniuk, J.V. Rudd, M. Koch // Appl. Phys. 1999. V. 68. P. 1085- 1094.

23. Назаров M.M. Терагерцовая импульсная спектроскопия биологических тканей / M.M. Назаров, Е. А. Кулешев, В.В. Тучин, А.П. Шкуринов // Квантовая Электроника. 2008. Т.38. № 7. Р. 647-654.

24. Kawaguchi S. Low-frequency dynamics of bacteriorhodopsin studied by terahertz time-domain spectroscopy / S. Kawaguchi, O. Kambara, M. Shibata, H. Kandori, andK. Tominaga//Phys. Chem. Chem. Phys. 2010. V. 12. P. 10255.

25. Tera-hertz radiation in biological research, investigation on diagnostics and study of potential genotoxic effects (THz-bridge) // Final Report. 2012. (http://www.frascati.enea.it/THz-BRIDGE/).

26. Nishitani J. Terahertz radiation from coherent antiferromagnetic magnons exited by femtosecond laser pulses / J. Nishitani et al. // Appl. Phys. Lett. 2010. V.96. P. 221906.

27. Lyatti M. Liquid identification by Hilbert spectroscopy / Y. Divin, U. Poppe and K. Urban // Supercond. Sci. Technol. 2009. V. 22. P. 114005.

28. Yamacli S. A method for determining the dielectric constant of microwave PCB substrates / S. Yamacli, C. Ozdemir, A. Akdagli // Int. J. of Infrared and Millimeter Waves. 2007. V. 29, №. 2. P. 207 216.

29. Wang S. Pulsed terahertz tomography / S.Wang and X-C Zhang // J. Phys. D: Appl. Phys. 2004. V.37.

30. Киричук В.Ф. Достижения саратовской школы в изучении влиянияэлектромагнитных волн КВЧ- и ТГЧ-диапазонов на человека и животных / В.Ф. Киричук // Миллиметровые волны в биологии и медицине. 2007. № 3-4. С. 6-62.

31. Auston D.H. Smith picoseconds photoconducting Hertzian dipoles / D.H. Auston, K.P. Cheung // Appl. Phys. Lett. 1984. V. 45. P. 284 286.

32. Fattinger Ch. High-brightness terahertz beams characterized with an ultrafast detector / Ch. Fattinger, D. Grischkowsky // Appl. Phys. Lett. 1989. V. 55. P. 337 -339.

33. Grischkowsky D. Terahertz time domain spectroscopy of water vapor / D. Grischkowsky, S. Keiding, M. Van Exter, Ch. Fattinger // Opt. Lett. 1989. V. 14. P. 1128- 1130.

34. Nuss M.C. Millimeter and submillimeter spectroscopy of solids / M.C. Nuss, J. Orenstein// Topics in applied phys. 1998. V. 74. P. 7.

35. Kafka J. D. Picosecond and femtosecond pulse generation in a regeneratively mode-loked Ti:sapphire laser / J. D. Kafka, M.L. Watts, J. Pieterse // IEEE J. Quantum Elect. 1992. V. 28. P. 2151-2162.

36. Горшунов Б. П. Методы терагерцовой-субтерагерцовой JIOB-спектроскопии проводящих материалов / Б. П. Горшунов, А. А. Волков, А. С. Прохоров, И. Е. Спектор // ФТТ.- 2008.- Т.50.- С. 1921 -1932.

37. Glyavin M.Yu. Generation of 1.5-kW, 1-THz coherent radiation from a gyrotron with a pulsed magnetic field / M.Yu. Glyavin, A. G. Luchinin, and G.Yu. Golubiatnikov // PRL. 2008. V. 100 P. 15101.

38. Мухин В.И. Исследование свойств наноструктурированного оксигидроксида алюминия в терагерцовом диапазоне частот / В.И. Мухин, А.Н. Ходан, М.М. Назаров, А.П. Шкуринов // Известия вузов. Радиофизика. 2011. Т.54. №. 8-9. С. 656-665.

39. Nazarov M.M. The use of combination of nonlinear optical materials to control teraherz pulse generation and detection / M.M. Nazarov et al. // Aplplied Physics Letters. V. 94. №.2.

40. Takahashi M. Interpretation of temperature-dependent low frequency vibrational spectrum of solid-state benzoic acid dimer / M. Takahashi, Y. Kawazoe, Y. Ishikawa and H. Ito // Chem. Phys. Lett. 2009. V.479. №.211.

41. Li Y.J. Dielectric behavior of metal-polymer composite with low percolation threshold / Y.J. Li, M. Xu, J.Q. Feng and Z.M. Dang // Applied Physics Letters. 2006. V. 89. P. 72902.

42. Каценеленбаум Б.З. Квазиоптические методы формирования и передачи миллиметровых волн / Б.З. Каценеленбаум // Успехи физических наук. 1964. Т. 83. В. 1.С. 81-105.

43. Вайнштейн JI.A. Открытые резонаторы со сферическими зеркалами / JI.A. Вайнштейн // ЖЭТФ. 1963. Т. 45. С. 684.

44. Р.А. Валитов Техника субмиллиметровых волн / Валитов Р.А., Дюбко С.Ф., Камышан В.В. -М.: Советское радио. 1969. 478 с.

45. Вайнштейн JI.A. Открытые резонаторы и открытые волноводы / JI.A. Вайнштейн М.: Советское радио. 1966. 474 с.

46. Culshaw W. Интерферометр Фабри-Перо для радиоволн миллиметрового диапазона / W. Culshaw // Pros. Phys. Soc. 66 В. 1953. V. 7. №. 403. P. 597 608.

47. Culshaw W. Measurement of permittivity and dielectric loss with a millimeter wave Fabri-Perot interferometer / W. Culshaw // Proc. IEE. 1961. V. 109, pt B. №. 23. P. 820.

48. Cullen A.L. Improvement in open-resonator permittivity measurement / A.L. Cullen, P. Nagenthiram, A.D.Williams // Electronics Letters. 1972. V. 8. №. 23. P. 577 -579.

49. Afsar M.N. Millimeter and submillimeter wave measurements of complex optical and dielectric parameters of materials / M.N. Afsar, K.J. Button // Int. Journ. of Infrared and Millimeter Waves. 1981. V. 2. №. 5. P. 1029 1044.

50. Afsar M.N. Precise millimeter wave measurements of complex refractive index,complex dielectric permittivity and loss tangent / M.N. Afsar, K.J. Button // IMTC-84: IEEE Instrum. and Meas. Tech. nol. conf. Proc. Long. Beach. Calif., 1984. P. 11 - 15.

51. Asfar M.N. The measurement of the Properties of Materials / M.N. Asfar, Y. Birch, R.N. Clarke // Pros, of the IEEE. 1986. V. 74. № 1. P. 183 199.

52. Шестопалов В.П. Эффект дифракционного излучения и его применение в электронике / В.П. Шестопалов, И.М. Балаклицкий, О.А. Третьяков // Электронная техника. Сер. I. Электроника СВЧ. 1972. № 12. С. 50 66.

53. Шестопалов В.П. Физические основы миллиметровой и субмиллиметровой техники. Т. 1. Открытые структуры / В.П. Шестопалов Киев: Наукова думка, 1985. 216 с.

54. Третьякова С.С. Дифракция волновых пучков на плоских периодических структурах / С.С.Третьякова, О.А. Третьяков, В.П. Шестопалов // Радиотехника и электроника. 1972. №7. С. 1366-1373.

55. Андросов В.П. Поляризационные спектральные характеристики открытых резонаторов с внутренними неоднородностями / В.П. Андросов, Э.И. Велиев, А.А. Вертий //Изв. вузов. Радиофизика. 1983. Т. 26. № 3. С. 318 -328.

56. Вертий А.А. Исследование влияния размеров зонда на характер измеряемых распределений полей в открытых резонансных системах / А.А. Вертий, Ю.И. Леонов//Изв. вузов. Радиоэлектроника. 1976. №19. С. 105- 107.

57. Fox A.G. Resonant Modes in a Maser Interferometer / A.G. Fox, T. Li // Bell Sist. Techn. Journ. 1961. V. 40. No. 2. P. 453 -488.

58. Ципенюк Ю.М. Дробное тело в открытом резонаторе / Ю.М. Ципенюк // Электроника больших мощностей. 1965. № 4. С. 173 177.

59. Lynch А.С. Open Resonators for the measurement of permittivity / A.C. Lynch //

60. Electron. Lett. 1978. V. 14. No. 18. P. 596.

61. Cullen A.L. The absolute determination of extinction cross- sections by the use of an open resonator / A.L. Cullen and A. Kumar // Pros. Roy. Soc. Lond. 1970. V. A315. P. 217-230.

62. Выставкин A.H. О возможности применения открытого резонатора для создания узкополосного перестраиваемого приемника миллиметровых и субмиллиметровых волн / А.Н. Выставкин, В.Н. Губанков // Изв. вузов. Радиофизика. 1968. Т. 2. № 5. С. 748 755.

63. Биленко Д.И. Измерения модуля и фазы коэффициента отражения полупроводников в миллиметровом диапазоне длин волн / Д.И. Биленко // Изв. вузов. Радиофизика. 1970. Т. 13. № 3. С. 453 -461.

64. Белостоцкий В.В. Интегральные уравнения открытого резонатора с диэлектрическим включением / В.В. Белостоцкий, Е.Н. Васильев. // Радиотехника и электроника. 1979. Т. 24. № 7. С. 1308 1315

65. Белостоцкий В.В. Открытый резонатор с диэлектрическим диском / В.В. Белостоцкий, Е.Н. Васильев, Э.В. Седельникова // Сб. научн.-метод. статей по прикл. электродинамике. 1983. № 5. С. 225 251.

66. Заридзе Р.С. Исследование резонансных свойств некоторых открытых систем / Р.С. Заридзе, Д.Ш. Хатиашвили Тбилиси: Изд-во Тбил. ун-та. 1984. - 116 с.

67. Sclegel D. Measurements of anisotropy of films in the microwave region by resonator perturbation method / D. Sclegel and M. Stockhausen // J. Phys. E.: Sci. Instrum. 1972. V. 5. No. 11. P. 1045- 1046.

68. Tang C.M. Determination of scattering width of a long thin wire using an open resonator / C.M. Tang and A.L. Cullen // Electron. Lett. 1978. V. 14. No. 8. P. 245 -246.

69. Ячин В. В. Дифракция трехмерного гауссовского пучка с круговой симметрией пространственного распределения поляна проницаемых экранах при малых углах падения /В. В. Ячин // Радиофизика и радиоастрономия. 2010. Т. 15. №1. С. 80-88.

70. Tuz V. Three-dimensional gaussian beams scattering from a periodic sequence ofbi-isotropic and material layers / V. Tuz // Progress In Electromagnetics Research B. 2008. V. 7. P. 53-73.

71. Дунаевский Г.Е. Возбуждение поверхностной волны на диэлектрике в открытом резонаторе / Г.Е. Дунаевский, А.С. Дутов, А.С. Завьялов // Томск, 1981. Деп. в ВИНИТИ 6.02.81. № 607-81 ДЕП. 5 с.

72. Кузьмичев И.К. О предельных возможностях уменьшения размеров зеркал открытых резонаторов / И.К. Кузьмичев, А.С. Тищенко, К. Шёнеманн // Известия вузов. Радиофизика. 2002. Т.45. №6. С. 509-515.

73. Борн М. Основы оптики / М. Борн, Э. Вольф М.: Наука. 1970. 856 с.

74. Никольский В.В. Теория электромагнитного поля / В.В. Никольский М.: Высшая школа. 1961. 372 с.

75. Вайнштейн JI.A. Электромагнитные волны / JI.A. Вайнштейн М.: Сов. Радио. 1957. 572 с.

76. Сапарина Д.О. Свойства оптического резонатора, содержащего слоистый метаматериал / Д.О. Сапарина, А.П Сухоруков. // Оптика и спектроскопия. 2009. Т. 107. №3. С. 438-442.

77. Виноградова М.Б. Теория волн / М.Б. Виноградова, О.В. Руденко, А.П. Сухоруков. -М.: Наука. 1979. 384 с.

78. Дунаевский Г. Е. Открытые резонаторные преобразователи / Г. Е. Дунаевский Томск: Изд-во НТЛ, 2006. 300 с.

79. Казанцев Ю.Н. Расчет характеристик открытых резонаторов / Ю.Н. Казанцев // Изв. вузов. Радиофизика. 1967. Т. 10. №. 4. С. 518-529.

80. Камышан A.B. О возбуждении открытого резонатора из волновода отверстием связи / A.B. Камышан, В.В. Камышан // Радиотехника: Респ. межвед. сб. 1972. Вып. 20. С. 203-207.

81. Ищенко Е.Ф. Открытые оптические резонаторы / Е.Ф. Ищенко M.: Советское Радио. 1980. 208 с.

82. Ехнович A.C. Справочник по физике / A.C. Ехнович- М.: Изд-во Просвещение. 1990. 384 с.

83. Гошин Г.Г. О применении метода электродинамического подобия при моделировании широкополосных устройств СВЧ /Г.Г. Гошин, A.B. Фатеев // Изв. вузов. Физика. 2010. - № 9/2.- С. 180- 181.

84. Кричевский Е.С. Контроль влажности твердых и сыпучихматериалов / Е.С. Кричевский, А.Г. Волченко, С.С. Галушкин-М.: Энергоиздат. 1987. 136 с.

85. Millimeter submillimeter quasioptical spectrometer / Users manual. - M. 2010. 58 P

86. Емельянов Е.В. Исследование влажности листовых материалов комбинацией радиофизического и суховесового методов / Е.В. Емельянов, Г.Е. Дунаевский, В.И. Сусляев // Изв. вузов. Физика. 2010. № 9/2. С. 192 195.

87. Дунаевский Г.Е. СВЧ-датчик для контроля влажности листовых материалов на основе открытого резонатора / Г.Е. Дунаевский, Е.В. Емельянов // Ползуновский вестник. 2011. № 3/1. С. 80 82.