Туннельная интерференция встречных электромагнитных волн в средах с комплексным показателем преломления тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

На правах рукописи

ЕФИМОВ Владимир Викторович

ТУННЕЛЬНАЯ ИНТЕРФЕРЕНЦИЯ ВСТРЕЧНЫХ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН В СРЕДАХ С КОМПЛЕКСНЫМ ПОКАЗАТЕЛЕМ ПРЕЛОМЛЕНИЯ

01.04-07 - Физика твердого тела

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Ульяновск - 1995

Работа выполнена в филиале Московского государственного университета им. М.В.Ломоносова в г.Ульяновске

Научный руководитель

доктор физико-математических наук, профессор Семенцов Д.И.

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор Горелик B.C.,

кандидат физико-математических наук, научный сотрудник Гришачев В.В.

Ведущая организация:

Институт радиотехники и электроники РАН \ (Фрязинекая часть)

- /

iOOCs. TtriTTQ

/Ь

часов

Зашитя состоится

на заседании диссертационного совета К 053.37.02 филиала Московского государственного университета им. М.В.Ломоносова в г. Ульяновске по адресу: 432700, г. Ульяновск, ул.-Л.Толстого, 42.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке филиала МГУ им. М.В.Ломоносова в г. Ульяновске.

Автореферат разослан » J^ » Q/Z/Y)iQдфД 1995 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

с/'

¿с.

Моливер С.С.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРНОТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Плсскослоистые структуры, описывающиеся комплексным показателем преломления, находят широкое применение в современных оптических системах и устройствах, интегральной оптике и квантовой электронике. Зачастую они служат основой как пассивных элементов (отражатели, светоделители, компенсаторы и т.д.;, так и активных (усилители, модуляторы, фильтры и т.д). В целом оптические свойства таких структур к настоящему времени достаточно хорошо изучены [1-31- Интерес к вопросам, касающимся особенностей: распространения в средах с: комплексным показателем преломления встречных электромагнитных волн и их интерференционного взаимодействия, был связан с задачей переопределения энергетических коэффициентов прохождения и отражения волны, падающей из поглощающей среды на границу раздел0 п ппл^'готшгд г л ^ и последнее время интерес к данной проолеме возник в связи с обнаружением аффекта просветления в тонких металлических пленках, реализующегося в процессе интерференции встречных волн [с]. Подобная интерференция была названа туннельной (ТИ) в силу наличия шаслой компоненты у волновых векторов волн, распространяющихся в сильно поглощающей среде.

Условия реализации эффекта просветления слоев с комплексным показателем преломления, особенности ТИ в усиливающих и диспергирующих средах, ее вклад в формирование полного энергетического потока электромагнитного поля встречных когерентных волн, возможность управления полным и интерференционным потоками представляют несомненный интерес и требуют дальнейшего изучения. Поэтому избранная тема исследований является актуальной как в научном, так и в практическом отношении.

Цель^рзСоты - исследование особенностей интерференционного взаимодействия когерентных встречных электромагнитных волн в средах с комплексным показателем преломления, а такие анализ возможностей практического применения ТИ в поглощающих и усиливающих средах. В соответствии с этим были поставлены и решены следующие задачи:

- исследование влияния интерференционного туннелирования на формирование потоков электромагнитной энергии вне и внутри елся с комплексным показателем преломления;

- определение распределения полного и интерференционного

потоков по толщине елся в случае падения на елой встречных волн, анализ условий просветления;

- определение распределения тепла в поглощающем слое в условиях ТИ;

- исследование связи пропускательной способности сильно поглощающих слоев (металлических пленок) с ТИ встречных волн, реализующейся в них;

- анализ особенностей ТИ, отражения и прохождения встречных волн б усиливающих слоях;

- исследование ТИ в средах а частотной дисперсией в области нормальней и аномальной дисперсии;

- экспериментальная реализация эффекта просветления в тонких металлических пленках.

Научная новизна работы заключается в том, что:

- теоретически рассмотрены особенности интерференции встречных волн ь средах с комплексным показателем преломления, при которой создается туннельный интерференционный поток (МП), не имеющий места в прозрачных средах;

- показано, что формирующийся туннельный ИП в зависимости от фазовых соотношений волн на границах раздела сред может как усиливать, так и ослаблять диссипацию внергии в слое;

- доказана определяющая роль ТИ встречных вода в процессе прохождения света через поглощающие слои: для нормально:1© падения волны вклад туннельного ИП в прошедший поток определяется квадратом отношения- мнимой части показателя преломления и его модуля;

- установлено, что для сред с аномальной дисперсией эффект просветления реализуется не только в самой полосе поглощения, но и в коротковолновой ее окрестности, где данная среда может считаться непоглощающей;

- показано, что в реальных средах с отрицательным поглощением ввиду малости мнимой части показателя преломления по сравнению с действительной Ш формируется, главным образом, однонаправленными волнами.

Практическая ценность работы состоит в том, что:

- показана возможность туннельного увеличения прозрачности (просветления) сильно поглощающих слоев при наличии встречной когерентной волны;

- предложены способы управления интерференционным енергети-

ческим потеком излучения за счет изменения амплитудно-фазовых соотношений взаимодействующих волн, а также оптических параметров среды в области их резонансной зависимости от частоты излучения .

На защиту выносятся перечисленные выше новые научные и практические результаты.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались на 17-й конференции по распространению радиоволн (Ульяновск, 1993), на III Международном совещании-семинаре "Инженерно-физические проблемы новой техники" (Москва. 1994), на 29-й научно-технической конференции (Ульяновск, 1995), на 15-сы Международном симпозиуме по теории электромагнетизма (15th URSI International symposium on electromagnetic theory, St.Petersburg, Russia, 1995); на научных семинарах в ТвГУ (Тверь) и МГТУ и?/ .1!. Э .Баумана.

НуОлшгащш. Основное содержание диссертации опубликовано в 10 работах, список, которых приведен в конце автореферата.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Она изложена на 137 страницах машинописного текста, содержит 40 рисунков и 2 таблицц. Список литературы включает 121 наименование.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Но введении кратко рассмотрено современное состояние исследований, дано обоснование актуальности темы, сформулированы цель и задачи диссертационной работы, приведена структура диссертации, перечислены основные результаты и положения, выносимые на защиту.

Глава первая является литературным обзором, в котором рассмотрены проявления TU в конкретных физических, системах. В 1.1 проведен анализ тлеющихся работ по вопросу переопределения энергетических коэффициентов отражения R и прохождения Г, когда плоская волна падает из поглощающей среды на границу раздела с прозрачной средой. Трудность введения данных коэффициентов стандартным образом связана в зтом случае с возникновением туннельного Ш, формирующегося в результате интерференции встречных волн: падающей и отраженной U,5!. В JL2 показаны характерные особенности интерференции реактивных компонент электромагнитного

— и-. —

поля как частного случая 111 [7,8]. Введение понятия интерференции реактивных компонент поля позволило авторам [8] е единых физических позиций рассмотреть такие различные на первый взгляд явления, как полное внутреннее отражение света и безызлучатель-ный перенос энергии между атомами среды. Приведены результаты исследования роли интерференции реактивных компонент электромагнитного поля в электродинамике переноса энергии в пространстве между атомами в процессе их диполь-дипольного взаимодействия. В 1.3 обсуждается роль ТМ встречных волн в различных практических устройствах.

Во второй главе исследуются особенности туннельной интерференции встречных волн в сильно поглощающих немагнитных средах - металлических пленках и диэлектрических слоях в области аномальной дисперсии.

Б 2.1 отвлекаясь от эффектов отражения на границах слоя решена задача об интерференции встречных волн в неограниченной поглощающей среде с комплексным показателем преломления л ~ п- in,

1 с

На основе уравнений Максвелла получены выражения для усредненной по времени плотности потока энергии суммарного поля в среде S - (c/8ft)Re[E,H ]. Показано, что в поглощающей среде наряду с затухающими потоками каждой волны образуется туннельный Ш

^ = Ж ЛВ -*2ехр sin[?a- уъ+ k^d - 2yj], (1)

где А, В и ip , t?b - амплитуды и фазы волн на границах, выделенного в среде слоя; d - era толщина; у ~ координата; к г - действительная и мнимая части волнового числа к = к - Из (1) следует, что величина Sxnt определяется мнимой частью л, ив прозрачней среде, где по = О, туннельный ИП отсутствует.

В 2.2 взаимодействие встречных волн рассмотрено в общем случае наклонного падения двух когерентных линейнополяризованных волн с амплитудами А и В на противоположные стороны поглощающего слоя, занимающего в гакууме область пространства 0 < у < а. Основное внимание уделено роли ТИ в процессе формирования потоков лучистой энергии вне и внутри такого слоя. Анализ проводился для волн ТЕ и ТМ поляризации. В рамках данного рассмотрения получены выражения для различных составляющих потока электромагнитного поля вне и внутри, слоя. Основной интерес с точки зрения переноса энергии через слой представляют нормальные к поверхностям слоя компоненты потоков энергии. Показано, что внутри слоя возникло-

вение ИП связано со взаимодействием не только однонаправленных, но и встречных волн. В силу непрерывности тангенциальных компонент поля нормальные компоненты как полного, так и ИП являются непрерывными функциями при переходе через границы раздела сред. Расчеты показали, что нормальные компоненты ИП отраженных и прошедших волн вне слоя в областях 1 (у < 0) и 3 (у > й) имеют вид:

^ + ~ гу*^ * СГЛ + г2£2)оов5]оовс =

= + -созГА - Д ± 5)совг, (2)

где А и А - набеги фаз при прохождении через слой и оттзакении

и Г "

волн; 5 - разность фаз падающих волн на границах раздела сред;

X - угол падения; г = г + гги г = г + - амплитудные, а

Д = |г|2 и 2' = |£|2 - энергетические коэффициенты отражения и

пропускания. На основе численного анализа исследован механизм

формирования ИП Анализ проведен в широких интервалах углов

падения г и разности начальных фаз падающих волн Ар . В качества

ве расчетных были выбраны оптические параметры меди на длине волны падающего света X = 589.3 нм: п = 0.62; л2 = 2.57 И]. Показано, что складывается из ИП, создаваемых на поверх-

ностях слоя однонаправленными и встречными волнами, т.е. ^ = + Ь'^. На рис.1 (а,б) приведены рельефы поверхностей нормированных потоков З^т.Др ) и ) на границе слоя

1 у Ъ а ¿у Ь а

у ~ а, полученные для ТМ-волн. Здесь и ниже нормировка проводилась на величину штока падающей волны = (с/8п)Аг при условии равенства амплитуд падающих волн, т.е. А = В. Толщина слоя принималась равной глубине скин-слоя й для данного металла. Видно,.

В

что нормальные составляющие ИП отраженных и прошедших волн вне слоя образуются, главным образом, в результате ТИ встречных волн внутри него. Этот вывод справедлив и в случае взаимодействия ТЕ-еолн.

В 2.3 подробно анализируются особенности интерференции встречных волн, нормально падающих на поглощающие и прозрачные слои. Получены явные зависимости полного и ИП внутри и вне слоя от параметров слоя и разности фаз на его границах. На рис.2 для медной пленки приведены зависимости от ее толщины нормированных полных потоков в области 1 (кривая 1) и 3 (кривая 2), ИП в области 3 (кривая 3) при 5 = -ЗЯ/4 и А - В. Кривая 4 соответствует

прошедшему через слой потоку при

а

наличии только одной падающей из области 1 на слой волны той же амплитуды. Знак потоков определяет их направление по отношению к положительному направлению оси у. При больших

А <■■/«» ицмч Л (й » а )

полные потоки справа и слева от слоя становятся одинаковыми и направленными к пленке, а эффект просветления, заключающийся в значительном превышении величины туннельного ИП над величиной прошедшего потока одиночной волны, особенно выражен.

Проведен анализ роли фазовых соотношения между встречными волнами на процесс формирования потоков электромагнитной энергии

и тепловыделения в

о «

т

0.8

VI

¡71 п

СО 0.0

-0.4

А4

1 —_ 1 - г 1 ,-■--

30 ВО ^90 120 150

<1, нм

2 ~———-—

Рис.2.

слое. Показано, что ИП в зависимости от 5 способен как усиливать, так и ослаблять диссипацию электромагнитной энергии в пленке с комплексным п. Максимальная диссипация имеет место при 5 = 2тп (т - целое) и соответствует си-

I

о л ь

о <а

т

С«

гл

0.0

-0.4

120 160 d, нм

Г а I \\1 |

---- -----j 60 у, нм

- \ \

_

Рис.4,

туации, когда ИП на границах раздела сред направлен в слой, а минимальная - при 8 -= (2т + 1)я, когда ИП вне слоя направлен от его границ. В этих случаях ИП не

только противоположны по направлению, но и равны по величине. На рис.^ показаны зави~ симости нормированной мощности электромагнитной энергии, поглощенней в пленке, с учетом и без учета интерференции встречных волн от толщины слоя d для различных 8 и вышеуказанных расчетных данных при уело-Л - В, соответствующем максимальной эффективности интерференционной диссипации. Видно, что форма кривых, величина и положение их максимумов зависят от фазовых условий на границах слоя. Например, при S - и/2 вклад интерференции в процесс поглощения равен нулю, и кривая 3 отражает типичную зависимость Did) = 1- Rid) - Tid). При 8 - зг (кривая 5)

для достаточно тонких слоев (d < d^) поглощение в слое пренебрегло мало. На рис.4 представлено распределение по координате полного S„ (а) и интерференционного s'nt (б) потоков внутри слоя для различных значений его толщины при hip = 0 и А - В. Для малых толщин (d £ d_) зависимости S2(y) и s;n (у) близки к линейным. Увеличение толщины слоя приводит к нелинейности указанных зависимостей и уменьшению интервала значений потоков S2nt и Внутри слоя полный поток электромагнитной энергии направлен к сечению, в котором Б^ -О.

В случае падения встречных волн на слой прозрачного (re ^ 0) диэлектрика ИП ео всех трех областях оказывается одинаковым, формируется однонаправленными волнами и хшеет вид:

с

с

,1В/ ИГ -sgn(sinfed)-sin? , (3)

'lnL 4П

где sgn(u) - знаковая функция.

В ?..4 исследуется роль ТИ в процессе прохождения через поглощающий слой одиночной световой волны. В этом случае нормальная составляющая полного потока внутри слоя

S„ - S + S + S , (4)

¿¿у - int

где потоки £+ характеризуют перенос энергии прямой и обратной волнами, а образуется в результате взаимодействия этих волн

int

в режиме туннельной интерференции. В случае нормального падения волны имеем

= «Ь"1оД2 - ■/ + 2я1)охр(-2?г2у) , S__ - -яЬаД2 - у - Sajcxp^iy/), (5)

S =

int 2

[у • sirüllii {d - у) + 2а2соо2к1 (d - у) J ,

2

где g = (с/8!Е)Л2|С?|2, Ь = охр, а = 1/п = 0^ + 1а

V = 1 - ос2 - сф С = ГгкооБЛй + {(а2+ 1}:з1пйс^ 1

Из (5) следует, что на выходе (у = й) из поглощающего слоя ИП всегда положителен, т.е. оонаправлен о потоками падающей и прямой волн. Вклад в поток прошедшей волны, обусловленный ТИ встречных волн в слое, определяется отношением 5, /Б , взятым

2 у

на границе слоя. Для нормального падения эта величина равна + я2). В сильно поглощающих слоях, где п2 >> п , туннель-

31

35 37

Т/Л О '2, Гц

1/-10"12, Гц

37

ный ИП встречных волн почти полностью определяет нормальную составляющую прошедшего потока, а для нормального падения волны -пропускательную способность слоя.

В 2.5 рассмотрены особенности интерференции встречных волн в средах, обладающих частотной дисперсией. Проведен анализ баланса энергетических потоков при прохождении света через диспергирующий слой и эффекта просветления при наличии встречной волны. Численный анализ проводился как для гипотетической диспергирующей среды с единственной собственной частотой поглощения, так и для реальной среды, характеризуемой наличием нескольких линий поглощения. В расчетах использовались данные дисперсионного анализа а-кварца [9]. На рис.5

Рис.5.

для значений толщины слоя кварца й = 0.1 (а), 0.5 (б) и 1 мкм (в) и нормального падения волн представлены расчетные зависимости от частоты излучения энергетического коэффициента пропускания Т и так называемого коэффициента интерференционной прозрачности г--•

I - ВТ [6], представляющего собой, как следует из (2), максимально возможное значение нормированного ИП на границах слоя. На

рис. 5 (г) приведена форма выбранной линии поглощения кварца (I/ = 3.24-Ю13 Гц), где сплошная линия соответствует действительной части е , а пунктир - мнимой части е^ диэлектрической проницаемости с. Видно, что для всех толщин слоев эффект просветления наблюдается в самой полосе поглощения, где среда является диссипирующей. С ростом толщины слоя область эффективного просветления, где I » Т, расширяется в сторону коротких волн, захватывая частотный диапазон, в котором среда может считаться не-поглощающей, так как е2—> 0. Таким образом, эффект просветления, являющийся следствием туннельной интерференции встречных волн, помимо сильно поглощающих сред может быть реализован и в средах, характеризующихся почти полным отсутствием потерь энергии излучения на джоулево тепло. В этом случае кроме условий со —» 0 и е < 0 среда должна описываться показателем преломления, действительная часть которого принимает свои минимальные значения. Из зависимостей видно, что изменяя частоту излучения в области аномальной дисперсии и ее окрестности, можно значительно менять величину ИП, что позволяет по сути управлять прозрачностью диспергирующего слоя.

В третьей главе теоретически изучены особенности интерференции встречных волн, падающих на усиливающие слои. Проводится оценка вклада ТИ в формирование отражательной и прспускательной способностей усиливающих слоев.

В 3.1 для нормального падения одиночной волны исследуется распределение полного потока внутри слоя с отрицательным погло-

щением, расмотрены зависимости коэффициентов отражения R и прохождения Т усиливающего слоя от его толщины. На рис.6 в полулогарифмическом масштабе представлены огибающие зависимостей коэффициента прохождения Т от толщины, усиливающего слоя (сплошная линия - огибающая максимумов, пунктир - минимумов). Кривые получены на основе известных соотношений [3] для падающего излучения с длиной волны X - 694.3 нм и расчетных параметров среды: пщ- 1.763 и ло - - icf4. Анализ показывает, что вблизи толщин для которых выполняется фазовое условие генерации k d + tp = mrc, где ф - arctg[2nn(п^ + n^ - 1}"1] - набег фазы отраженных на границах слоя воли, имеют место узкие максимумы (пики) указанных зависимостей, наблюдаемые на зависимости T(d) в произвольно выбранном узком интервале толщин. Расстояние между пиками определяется интервалом толщин Ad = Х/2п , а положение соответствующего пика отвечает толщине d^ = Х(яя - <р)/2юг . При выбранном масштабе рисунка пики не разрешаются. Только огибающие указанных пиков отражают зависимость амплитудных значений коэффициента Т от толщины. Аналогичным образом рассмотрена зависимость R(d). Показано, что на толщине

1 п 1 + 1

отражательная способность слоя R становится равной единице, и поток в области 1 S = 0. Это означает, что в области у < О устанавливается стоячая волна и перенос энергии отсутствует. С приближением толщины слоя к значению d амплитуда осцилляций

Г

R(d) заметно уменьшается, достигая нуля при d = d , где огибающие максимумов и минимумов функции R(d) терпят явно выраженный излом. Вблизи толщины d - 2d выполняется амплитудное условие

max г

генерации. На рис.7 приведена.зависимость нормированного полного потока внутри усиливающего слоя S^ от координаты у для различных толщин слоя d: 0.6 (кривая 1), 0.7 (2), 0.8 (3), 1-0 (4), 1.2 (5), 1.5 (6), 2.0 (7), 3.0 мм (В). Для достаточно тонких слоев (кривая 1) поток Sz по всему слою направлен вдоль потока падающей волны и практически экспоненциально нарастает при переходе от входной поверхности слоя к выходной. Кривая 2 соответствует толщине, на которой Sn(Q) - S « О, т. е. R * 1. Увеличение d приводит к появлению внутри слоя области 0 £ у < у , где полный энергетический поток направлен против потока падающей волны

(здесь ¿'„(Уа) ~ О) - Координата сечения, где поток меняет на правление определяется выражением уп а й - й . Дальнейший рост

О г

толщины слоя приводит к смещению уо к выходной границе слоя (кривые 3-8). При й > 2с2 величина потока (й) может стать

г Л

меньше величины потока Ь"(0), и при й >> 26. практически все из-

2 г

лучение, Еошедшее в слой и усиленное им, выходит через входную поверхность (кривая 8). При й а>, т. е. при переходе к полубесконечной среде, полный поток в усиливающей среде направлен против потока падающей волны.

Проделанный анализ позволяет сделать вывод.о том, что роль ТИ в процессе прохождения света через реальный усиливающий слой крайне незначительна в силу |лп| << 1. Потоки излучения вне слоя обусловлены энергетическим балансом прямой и обратной волн внутри слоя, сформированных в результате многократных отражений на его границах. Отмечено также, что рассмотренная задача о прохождении излучения через усиливающий олой с толщиной й > сг при постоянном коэффициенте усиления £ = 4Кп2/Х не является полностью адекватной реал^ому процессу. Коэффициент усиления по мере нарастания интенсивности распространяющейся в среде волны падает, и поскольку процесс взаимодействия излучения с усиливающей средой перестает быть как линейным, так и стационарным, линейное приближение к рассматриваемой задаче уже не применимо.

В 3.2 рассмотрено взаимодействие встречных волн, нормально

падающих на усиливающий слой. С учетом того, что в реальных усиливающих средах всегда |гга1 « 1 и, следовательно, |а21 << |а I, получены выражения для 1411 во всех трех средах:

± совк й-вЪк й-соБб'),

(7)

+ созй^-нК^а - 2&п<у) • оов<5| .

Таким ооразсм, в усиливающих средах, в отличие от сильно поглощающих, встреч1ше волны играют незначительную роль в формировании МП во всем пространстве. Эти потоки создаются, в основном, однонаправленными волнами. Однако, подобное интерференционное взаимодействие представляет интерес в связи с проблемой управления величиной лазерного излучения, генерируемого в активной среде. Изменяя фазовые соотношения падающих волн на границах раздела сред, можно эффективно управлять величиной и направлением интерференционных, а значит и полных потоков энергии вне усиливающего слоя. Так, при 8 - Р.{2т + 1 )/2 (т - целое) -что приводит к увеличению полного потока излучения, идущего от слоя, с одной его стороны и подавлению с другой. При 8 - тР.

= - что означает усиление либо ослабление (в зависи-

мости от параметров слоя) полного потока вне слоя одновременно в обеих областях. На рис.8 в произвольно выбранном узком интервале толщин представлены зависимости нормированных полного (а) и интерференционного (б) потоков от величины й для фиксированной разности фаз Д® = О и А = Б. Сплошная лшшя соответствует пото-

Ьа

кам в области 3, а пунктир - в области 1. Видно, что полный и интерференционный потают являются осциллирующими функциями толщины слоя с тем же периодом асцилляций Ас1. Положение и величина узких пиков определяются фазовыми условиями на границах раздела сред. ИП для разных интервалов толщин слоя имеет разное направление, что приводит либо к усилению суммарного потока излучения, либо к полной или частичной его компенсации. В отдельных интервалах толщин это вызывает нетривиальную ситуацию, когда полный поток вне усиливающего слоя направлен к его поверхностям. Проведено исследование распределений нормированных полного и интерфе-

с1, мм

20

10

О «5

хл

.3 т

о

-10

-20

- А б 1 < 1 1 1

* т 1 \ * < 4 / у' % \ ' V , 1 « 1 > * * 1

\ ч / \ ,1.0010, / Л 1 / * ! \ ь ^ * ' \ * 1 1 > 1 \ ' ' ' 1 * > 1 ' \ 4 1 1 1 1 \ 1.0015

1 ! * 1 II ; ' \ 1 » V

ренционного п токов по ксор динате у внут ри усиливающе го слоя для в: шеуказанных расчетных пар метров и раз личных толщи слоя. Показа но, что дашш распределения носят линейны характер дл достаточно то: ких (|й„|(3 < слоев и с рос том толщин слоя становят ся все боле нелинейными.

В 3.3 "с

Рис.8.

следуется влияние частотно: дисперсии вбл зи частоты ла верного перех

да на формирование интерференционных энергетических потоков усиливающей среде. Установлено, что эффект просветления, имеющи место в сильно поглощающих средах, в средах с отрицательным по глощением не проявляется, поскольку во всем диапазоне частот И встречных волн значительно меньше энергетического потока оди ночной волны.

В четвертой главе экспериментально исследуется интерферен ция встречных волн в сильно поглощающих слоях - металлически пленках, а также в магнитогиротропных слоях - феррит-гранатовы пленках, в которых возможно управление интерференцией внешен магнитным полем.

В 4.1 приводятся результаты эксперимента по просветлени

сильно поглощающих <П3» п ) пленок встречной когерентной волной. В качестве экспериментальных образцов использовались тонкие пленки меди, полученные напылением в вакууме на стеклянные подложки. Схема установ-0 1 2 3 d /cL, ки представляла собой

Рис.9. двухлучевой интерферо-

П метр типа Маха-Цендера,

в котором один пучок являлся сигнальным, а второй представлял собой встречную когерентную "подсветку", модулированную по фазе. Фазовую модуляцию обеспечивало зеркало во втором плече интерферометра, закрепленное на колеблющейся пьезокерамической пластине. После подачи встречной волны наблюдалось резкое возрастание амплитуды модулированного сигнала на выходе пленки (на порядок и более при достаточно больших толщинах металлической пленки d > а , где d - глубина скин-слоя для данного матершла). На

В Б

рис.9 в полулогарифмическом масштабе представлены экспериментальные зависимости нормированных прошедшего потока (коэффициент Г) (кривая 1), его удвоенной величины (2Г) (кривая 2) и макси-

11ПТТТГТПТ1Л nnnTTilTTTTit ТЛГТ а К i О ^ пяя пялгтм rrrr г*т тг rr m ТТТПТГТТТ т W

ivjcj^jijilv^i (jijuiwiiui Uli i j / ^i.'j i.nwiv WA »IA J. ^W^IJJJU w-»

int

Нормировка проводилась на величину интенсивности сигнального луча на входе в пленку, при этом в измерениях поддерживалось равенство интенсивностей сигнального и подсвечивающего пучков. Измерения проводились на выходной границе слоя. При таких условиях нормированный £г°а* представляет собой коэффициент интерференци-

int

онной прозрачности. Видно, что для d > d значения Т и Sra°x. до-

Q lUt.

статочно удовлетворительно аппроксимируются двумя прямыми разного угла наклона, что свидетельствует об экспоненциальном характере зависимостей ТШ) и Sfax(d), показатели которых, судя по

int

наклонам прямых, отличаются приблизительно в два раза. В целях увеличения результирующего потека на выходе из сильно поглощающего слоя достаточно большой толщины реализовать эффект просветления слоя встречной когерентной волной энергетически более выгодно по сравнению с увеличением мощности падающего излучения.

В 4.2 экспериментально исследуется возможность управления ИИ встречных волн, нормально падающих на противоположные стороны плоского магнитогиротрогаюго слоя. В качестве экспериментальных использовались образцы композиционного состава (В1,Ьи,У)з(Б'е,Са)в01^, выращенного на подложке гадолиний-галли-евого граната в плоскости (111). Выбор образцов был обусловлен значительной величиной удельного вращения плоскости поляризации в оптическом диапазоне длин волн. Показано, что с помощью внешнего магнитного поля, перемагничиващего пленку, можно изменять оптические параметры среды и в конечном итоге управлять величиной формирующегося Ш сигнального луча и "подсветки".

В заключении приведены основные результаты, полученные в диссертационной работе. ,3

ВЫВОДЫ

В диссертационной работе были теоретически исследованы особенности интерференции когерентных линейнополяризованных плоских волн, падающих на противоположные стороны сильно поглощающего слоя. Проведена оценка вклада многолучевой интерференции однонаправленных волн и туннельной интерференции встречных волн в про-пускательную способность поглощающих плоских слоев. Проанализированы характерные особенности ТИ в диспергирующих и усиливающих слоях. Экспериментально подтверждена возможность просветления поглощающего слоя конечной толщины при определенных фазовых соотношениях встречных волн. Основные результаты диссертационной работы сводятся к следующему:

1. В случае падения встречных волн на противоположные стороны плоского слоя с комплексным показателем преломления внутри и вне его образуется интерференционный поток электромагнитной энергии, значение которого определяется величиной мнимой части показателя преломления, а направление - разностью фаз падающих волн на его поверхностях.

2. Для сильно поглощающего слоя (металлическая пленка) во всем интервале углов падения нормальная составляющая ИП, характеризующая интерференционный перенос энергии через слой, в основном, обусловлена туннельной интерференцией встречных волн внутри него. При падении встречных волн на прозрачные слои ИИ встречных волн внутри слоя отсутствует, а имеющийся - полностью

обусловлен взаимодействием однонаправленных волн.

3- При определенных фазовых соотношениях падающих волн и толщинах слоя реализуется эффект просветления, заключающийся в значительном превышении величины туннельного ИП над величиной прошедшего потока одиночной волны (при одинаковых суммарных энергетических потоках падающих волн).

4. Туннельный Щ в зависимости от фазовых соотношений встречных волн способен как усилить диссипацию электромагнитной энергии слоем, так и почти полностью ее устранить в результате перераспределения электромагнитного поля и тепловыделения внутри слоя.

5. Туннельная интерференция встречных волн имеет место и при падении на слой одиночной волны, определяя практически полностью пропускательную способность сильно поглощающего слоя. Например, для нормального падения волны вклад туннельного МП в прошедший поток определяется квадратом отношения мнимой части показателя преломления и его модуля.

6. Для сред с аномальней дисперсией эффект просветления реализуется не только в самой полосе поглощения, но и в коротковолновой ее окрестности, где данная среда может считаться непо-глощающей.

7. Частотная и полевая зависимости показателя преломления приводят к зависимости туннельного потока в диссипирующей среде от частоты и внешних полей, что, в принципе, позволяет осущест-

т^ттатг. тггтотч ттпттттй тл^миплпгтим лтт/^а

-------.---- .>' - f------ w - , . ...... , ...... .......... - -

8. В реальных средах с отрицательным поглощением ввиду малости мнимой части показателя преломления по сравнению с действительной ИП формируется, главным образом, однонаправленными волнами. ИП вне усиливающего слоя при соответствующих фазовых соотношениях создает нетривиальную ситуацию, когда полный поток излучения вне олоя направлен к его поверхностям.

Основное содержание диссертации изложено в следующих публикациях:

1. Семенцов Д.И., Ефимов В.В., Афанасьев С.А. Туннельная электромагнитная интерференция в условиях ферромагнитного резонанса.// Письма е ЖТФ,- 1993.- Т.19, вып.11.- С.6-11.

2. Афанасьев С.А., Ефимов В.В., Семенцов Д.И., Широков A.A. Туннельная интерференция в активных средах.// Тез. докл. 17-й

Конференции по распространению радиоволн. Секц.3-5. Ульяновск, 21--24 сентября 1993.- Ульяновск.- 1993.- С.48-49.

3. Афанасьев С.Л., Ефимов В.В., Семенцов Д.И. Энергетические потоки при интерференционном туннелировании металлических пленок.// Письма в ЗКТФ,- 1993.- Т.19, вып.22.- С.84-88.

4. Ефимов В.В., Семенцов Д.И. Прохождение света через плоскопараллельный слой с отрицательным поглощением.// Инженерно-физические проблемы новой техники. Тез. докл. 3-го Международного совещания-семинара. Москва, 17-19 мая 1994.- М.: Моск. гос. техн. ун-т.- С.182-183.

5. Афанасьев С.А., Ефимов В.В., Семенцов Д.И. Интерференция встречных волн в тонком диэлектрическом слое.// Опт. и спектр.- 1994.- Т.76, N 3.- С.475-478.

6. Ефимов В.В., Семенцов Д.И. ..Особенности прохождения излучения через слои с комплексным показателем преломления.// Опт. и спектр.- 1994.- Т.77, N 1.- С.72-76.

7- Ефимов В.В., Семенцов Д.И. особенности интерференции встречных волн в поглощающих средах с частотной дисперсией.// Тез. докл. 29-й научно-технической конференции. 4.1. Ульяновск, февраль 1995.- Ульяновск: Ульян.гос.техн.ун-т.- 1995.- С.39-40.

8. Sementsov D.I., Afanasyev S.A., Efimov V.V. Tunnel interference of countor-running waves in the media 7/ith complex refractive index.// Proc. of the 15th URSI International symposium on eJ.eotromagn.etic theory. May 23-26,-1995-- Russia, St.Pe-

+ ^nnc: T1 on oo

' 9. Sementsov D.I., Efimov V.V. Interference characteristic features of the transmission of opposing waves through layers with a complex refractive index.// J. Phys. D: Appl. Phys.-1995.- V.28P.1225-1231.

10. Ефимов В.В., Семенцов Д.И. Интерференция встречных волн в поглощающей среде с частотной дисперсией.// Журн. техн. физ.-1995.- Т.65, N 10.~ С.184-186.

Список цитированной литературы

1. Борн М., Вольф Э. Основы оптики.- M.s Наука.- 1973--719 с.

2. Розенберг Г.В. Оптика тонкослойных покрытий.- М.: Гос. изд. физ.- мат. литературы.- 1958.- 570 с.

3. Бойке Б.Б., Петров Н.С. Отражение света от усиливающих и нелинейных сред.- Минск: Наука и техника.- 1988.- 208 с.

4. Веремей В.В., Горбунова Т.Л., Пуговкин JI.B.// Опт. и спектр.- 1978.- Т.44, вып.2.- 0.345-350.

5- Минков И.М.// Опт. и спектр. - 1985- - Т.58, вып.2. -С.466-469.

6. Сидоренков В.В., Толмачев В.В.// Письма в ЖТФ,- 1989.-Т.15, вып.21.- С.34-37; 1990.- Т.16, вып.З.- С.20-25; 1990.-Т.16, вып.20.- С.5-9.

7- Бакрадэе Р.В., Бряндт Н.Б., Толмачев В.В.// Механика сплошной среды.- М.: ВЗПИ.~ 1984.- 0.3-15.

8. Колоколов А.Л., Скроцкий Г.В.// Успехи фиг. наук.-1992.- Т.162, Ы 12.- С.165-174.

9. Золотарев В.М., Морозов В.Н., Смирнова Е.В. Оптические

ГТ/О Л'-Т/'л ГТТТТТГ ТП ГГГ»Т^Т->ГЧ7ТТГ1ТТГ Т* <П(Т*ГТ7*ТТТГГ1 ПТЛТТ V TT — TT • Y'rt rrr n Яс1ТТТ*ХТТ>П

отд-ние.- 19Ö4.- 215 с.

Подписано в печать с оригинал-макета 19.10.95. Формат 84x108/32. Усл. псч. л. 1,3. Тираж 60 зкз. Заказ № 79

Подразделение оперативной полиграфии фМГУ. 432700, г.Ульяновск, ул. Л.Толстого, 42, фМГУ.