Взаимодействие электромагнитного излучения с квазилокализованными модами неоднородных нелинейных сред тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

На правах рукописи

2 2 АПР Ш)

ЖАРОВ Александр Александрович

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ С КВАЗИЛОКАЛИЗОВАННЫМИ МОДАМИ НЕОДНОРОДНЫХ НЕЛИНЕЙНЫХ СРЕД

01.04.03 — радиофизика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени ЛЕКТОРА- физико-математических наук

Нижний Новгород — 1996

Работа выполнена в Институте прикладной физики РАН и Институте физики микроструктур РАН

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук

профессор Степанов Н.С. доктор физико-математических наук профессор Пермяков В.А. . доктор физико-математических наук в.н.с. Власов С.Н. Ведущее предприятие: Институт общей физики РАН

Защита состоится " ' " " »-¿¿ГиХ-_1996г. в ......

часов на заседании диссертационного совета Д 064.05.01 при Научно-исследовательском радиофизическом институте по адресу: 603600, г.Нижний Новгород, ул.Большая Печерская, д.25

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НИРФИ. Автореферат разослан "—-" —-—

_ 1996г...

Ученый секретарь диссертационного совета

кандидат физико-математических наук л __/7

старший научный сотрудник ъ ч.,/^ ■ ^ • Виняйкин

Общая характеристика работы

Актуальность темы

Взаимодействие электромагнитного излучения с неоднородными нелинейными средами относится к числу важнейших проблем радиофизики. Несмотря на то, что систематические исследования распространения электромагнитных волн в средах с неоднородностями показателя преломления начались, фактически, еще в начале текущего века их продолжение и развитие стимулируется и в настоящее время разнообразными научно-техническими приложениями. Среди последних можно выделить ставшие уже привычными УТС, плазменную электронику диагностику ионосферы, радио и оптическую связь и др., а также новые, активно развиваемые направления, такие как нелинейная оптика, интегральная оптика, оптоэлектроника, оптическая и поляритонная спектроскопия конденсированных сред (в особенности структур, предназначенных для микроэлектроники), сверхбыстрая оптическая обработка информации и управление светом с помощью света и т.д. Как нетрудно видеть, перечисленные (прежде всего новые) направления связаны, в основном, с исследованиями нелинейного взаимодействия электромагнитного излучения с веществом. С одной стороны, это обусловлено тем, что в ряде приложений (УТС, диагностика ионосферы, плазменная электроника, ...) достигнутые уровни интенсивности используемого электромагнитного излучения настолько велики, что речь может идти только о веществе в состоянии плазмы, которая в этих условиях ведет себя как сильно нелинейная среда. С другой стороны, некоторые приложения (например, интегральная оптика, нацеленная на создание быстродействующих логических схем и оптических процессоров) принципиально основаны на использовании нелинейных эффектов и их развитие происходит по пути снижения уровня сигнала, что инициирует поиск и получение новых нелинейных сред с экстремально сильными нелинейными свойствами.

Таким образом, особую актуальность в последнее время приобрели именно исследования нелинейного взаимодействия излучения с неоднородной средой. Настоящая работа исходит в какой-то мере из потребностей перечисленных приложений, хотя непосредственно конкретное рассмотрение какого-либо из них не ставит своей целью. Полученные результаты можно, однако, использовать как для интерпретации соответствующих экспериментальных данных, так и для оценки перспек-

тивности тех или иных конкретных применений неоднородных и нелинейных сред.

Цель работы

Представляемая диссертация охватывает широкий круг вопросов, связанных с исследованиями взаимодействия полей излучения с собственными квазилокализованными (т.е. обладающими достаточно малыми радиационными потерями) приповерхностными модами. Основное внимание в работе уделяется изучению резонансного взаимодействия волновых полей, имеющего место при выполнении условий пространственно-временного синхронизма, поскольку именно в такой ситуации взаимодействие наиболее сильно и, как следствие, раньше всего проявляют себя разнообразные нелинейные эффекты.

Исследования резонансного взаимодействия волновых полей в линейных и нелинейных средах проводятся уже сравнительно давно, и этому вопросу посвящена обширная литература, однако до сих пор проблема взаимодействия объемных и кйазилокализованных мод не получила достаточно полного всестороннего и систематического исследования, которое и составляет главную цель представляемой работы.

Научная новизна

Научная новизна работы состоит в исследовании линейных и нелинейных процессов преобразования волновых структур (пучков, пакетов, мод); приводящих к изменению частотного и пространственного спектров излучения, эффектам резонансного, поглощения волн и резонансного просветления систем, содержащих непрозрачные слои и т.д. Новизна работы состоит также в развитии новых методов описания соответствующего взаимодействия в тех случаях, когда известные подходы оказываются неэффективными. Среди таких новых подходов можно отметить метод фазовых диаграмм в задачах распространения волн в многослойных структурах; энергетические методы применительно к исследованию генерации второй гармоники в плазменных приповерхностных пленках и к задаче о возбуждении солитонов на границе раздела линейной и нелинейной сред падающими волновыми пакетами; метод возмущений для описания взаимодействия полей излучения с радиационно затухающими нелинейными поверхностными волнами.

Основные научные результаты

1. Теоретически установлен эффект линейного' просветления непрозрачных многослойных структур, возникающий в результате синхронизованного возбуждения квазилокализованных поверхностных волн. Показано, что прохождение широких волновых пучков через такие системы может сопровождаться гигантским линейным эффектом Гуса-Хенхен как для прошедшего, так и для отраженного пучков, связанным с переносом энергии поверхностной волной вдоль структуры. Развитый применительно к задачам просветления многослойных структур диаграмный подход, основанный на анализе фазовой плоскости, системы уравнений для мнимой и действительной частей поперечного волнового, импеданса, позволяет найти оптимальную внутреннюю структуру многослойной системы (число слоев, их толщины и значения диэлектрической проницаемости) по заранее заданным отражательным характеристикам.

2. Исследованы селективные свойства тонких в масштабе длины волны многослойных плазмоподобных пленок, заключающиеся в подавлении определенных частотных или пространственных спектральных компонент излучения при его отражении от пленок. Показано, что селекция связана с резонансным поглощением р-поляризован-ного электромагнитного излучения в плазменных слоях, состаг вляющих пленку. Установлена принципиальная возможность создания селективного поглотителя с одной или несколькими контролируемыми полосами частот. На примере задачи о спектроскопии методом НПВО многослойных полупроводниковых структур (сверхрешеток) теоретически показано, что эффекты резонансного поглощения р-поляризованных электромагнитных волн, обусловленные возбуждением поверхностных и квазистатических мод в сверхрешетках могут быть использованы для определения их физических характеристик, таких как концентрация и подвижность свободных электронов, частоты собственных колебаний кристаллической решетки, период сверхрешетки и т.д.

3. Теоретически установлен и исследован эффект линейного согласованного поглощения электромагнитного излучения неоднородной изотропной бесстолкновительной плазмой с монотонным распределением концентрации Показано, что согласование может достигаться для р-поляризованных электромагнитных волн,

если в области плазменного резонанса профиль диэлектрической проницаемости удовлетворяет соотношению

где 9 - угол падения волны, представляющему собой условие синхронизма падающего излучения с собственной квазилокализован-ной в окрестности е = 0 модой. Диссипация энергии при этом обусловлена потерями в области плазменного резонанса.

4. Сформулирована самосогласованная теория, описывающая генерацию второй гармоники (ГВГ) р-поляризованного излучения, падающего на тонкую (в масштабе длины электромагнитной волны) однородную резонансную (плазменный резонанс е(ш) = 0) плазменную пленку, расположенную на металлической поверхности. Показано, что в области значений параметров пленки, отвечающих условию "С ка<1, где <1 - толщина пленки, эффективность преобразования излучения во вторую гармонику может на несколько порядков превышать эффективность ГВГ на свободной поверхности металла. Установлено, что определяющий вклад в ГВГ вносят поверхностные нелинейные токи, для которых впервые получено точное выражение. Теоретически исследована резонансная генерация низкочастотного излучения в тонких плазменных слоях под действием бигармонической волны накачки в условиях, когда частота биений близка к плазменной частоте слоя. Установлено, что в бездиссипативном случае интенсивность излученной низкочастотной волны не зависит от толщины слоя при условии точного совпадения частоты биений с плазменной частотой.

5. Исследовано параметрическое взаимодействие поверхностных электромагнитных волн (ПЭВ) на границе раздела .плазмоподобных сред содержащей тонкий переходный слой, в условиях, когда гармоники возбужденных поверхностных волн соответствуют собственным частотам спектра ПЭВ. Получены укороченные уравнения и найдены их некоторые точные решения, описывающие нелинейные эффекты, обусловленные обменом энергией между взаимодействующими волнами. В частности показано, что в отсутствие диссипации возможна полная трансформация низкочастотной волны в высокочастотную, а так же образование связанных состояний у взаимодействующих волн типа кинк - солитон . Обращено внимание

на принципиальную возможность создания эффективных умножителей частоты на основе многослойных нелинейных покрытий.

6. Исследована магнитная параметрическая неустойчивость (по отношению к самовозбуждению квазистационарного магнитного поля - нулевой гармоники) неоднородной плазмы, находящейся в поле сильной электромагнитной волны. Установлено, что пространственная неоднородность плазмы приводит к локализации области неустойчивости в окрестности плазменного резонанса. Показано, что характер пространственно-временной эволюции магнитного поля существенно зависит от амплитуды волны накачки: при не слишком больших амплитудах поля падающей волны имеет место обычная "экспоненциальная" апериодическая неустойчивость, а для достаточно больших амплитуд волны накачки неустойчивость становится взрывной - типа отрицательной диффузии. Выяснено, что взрывной характер нарастания магнитного поля ограничивается только на кинетической стадии неустойчивости благодаря выносу энергии плазменными волнами из области взаимодействия.

7. Теоретически исследована оптическая бистабильность тонких приповерхностных плазменных и сверхпроводниковых пленок, приводящая при облучении их электромагнитными пучками к возбуждению самосогласованной неоднородности вдоль поверхности пленок (домена). Показано, что возникновение соответствующего домена сопровождается локальным (в области доменной стенки) перерассеянием объемных волн в поверхностные. Установлено, что амплитуда генерируемой поверхностной волны слабо зависит от амплитуды поля и поперечной структуры падающего пучка, а энергетическая эффективность процесса максимальна на пороге возбуждения домена.

8. Теоретически исследовано явление нелинейного резонансного возбуждения поверхностных волн на границе раздела линейной и нелинейной кубичной сред за счет дифракции пересекающихся когерентных световых пучков р-поляризации на формируемой ими в нелинейной среде самосогласованной динамической дифракционной решетке. Найдены выражения для амплитуд поверхностных волн, выходящих из области пересечения пучков. Изучены различные режимы взаимодействия пучков с нелинейной средой и определены оптимальные условия возбуждения поверхностных мод как

в области пересечения пучков, так и вне ее. Развита теория, описывающая эффект, обратный, в известном смысле, эффекту возбуждения поверхностных волн - рассеяние падающих электромагнитных пучков на поверхностных волнах. Показано, что при превышении некоторых пороговых значений напряженности падающего поля происходит перекачка энергии из падающего пучка в рассеянный пучок и поверхностную волну, имеющая характер неустойчивости. Установлено, что для определенных углов падения имеет место обратное рассеяние. Рассчитана структура рассеянного поля.

9. Исследован эффект параметрического излучения ПЭВ из плазменных пленок переменной толщины, обладающих кубичной нелинейностью. Показано, что нелинейное излучение ПЭВ из таких пленок имеет, по сравнению с излучением из однородных пленок, ряд особенностей (пространственную локализацию светящейся области, широкую диаграмму направленности и т.д.). Исследована конкуренция радиационных и диссипативных процессов, приводящая, в зависимости от потока энергии в поверхностных волнах, к установлению одного из двух нелинейных режимов, характеризуемых существенно различным соотношением между излучаемой мощностью и потерями в области нелинейного взаимодействия.

10. Показана возможность полного поглощения р-поляризованной электромагнитной волны плавно неоднородной плазмой, в условиях стрикционной фокусирующей нелинейности, в двух нелинейных режимах, соответствующих различным значениям ^глов падения и интенсивности излучения, причем для определенных углов падения имеют место две области сильного (почти полного) поглощения, отвечающие различным мощностям падающей волны. Выход на согласованный режим связан в одном случае с синхронизованным возбуждением высвечивающейся квазистатической моды на плато плотности плазмы с малым положительным значением проницаемости, в другом - квазиповерхностной моды на скачке плотности плазмы. Установлено, что для слоев заметно отличающихся от линейного, дефокусирующая (ионизационная) нелинейность также может приводить к увеличению коэффициента поглощения вплоть до единицы, в то время как для квазилинейных распределений проницаемости всегда снижает его. Явление согласования в этом случае объясняется синхронизованным возбуждением квазиповерхностной моды на плато плотности плазмы

с малым отрицательным значением диэлектрической проницаемости. Исследование эффекта нелинейного согласования плавно неоднородной плазмы в условиях совместного влияния пондеро-моторной деформации профиля плотности плазмы в области плазменного резонанса и спонтанно генерируемого квазистационарного магнитного поля установило возможность реализации сложных бистабильных состояний электромагнитного поля в плазме, имеющих результатом гистерезисы в зависимости коэффициента поглощения от интенсивности падающей волны, из-за рассинхрониза-ции возбужденных на скачке плотности поверхностных волн с волной накачки в самосогласованном квазистационарном магнитном поле.

11. Развита адиабатическая теория, основанная на уравнении энергетического баланса, позволяющая получить динамическую картину отражения пучков и импульсов сильного в-поляризованного электромагнитного излучения, падающих на границу раздела линейной и нелинейной фокусирующей сред под углом больше критического угла для полного внутреннего отражения. Данная теория описывает эффекты филаментации излучения и генерации солитонов в нелинейной среде, гигантского нелинейного сдвига Гуса-Хенхен и запаздывания отраженных импульсов, струйного отражения, проникновения излучения в нелинейную среду исключительно дискретными, вполне определенными порциями энергии. Выяснено влияние слабой диссипации энергии в нелинейной среде на перечислеенные эффекты.

12. Теоретически установлен и исследован эффект нелинейного согласования интенсивных электромагнитных волн с однородными слоями плотной (закритической) слабостолкновительной плазмы. Показано, что он связан с явлением нелинейного просветления плотной плазмы под действием силы Миллера и обусловлен возбуждением самосогласованных волноводных каналов в плазменной среде.

13. Сформулирована теория, описывающая взаимодействие радиаци-онно затухающих нелинейных поверхностных волн с границей раздела линейной и кубично нелинейной диэлектрических сред как в отсутствие, так и при наличии внешних, падающих на границу раздела волн. Получена замкнутая система уравнений для траектории центра тяжести волноводного канала в нелинейной

среде и потока энергии в нем. Показано, что в отсутствие падающих волн накачки самосогласованные волноводные каналы могут либо притягиваться границей раздела либо отталкиваться от нее в зависимости от переносимого каналом потока энергии. Эффекты притяжения и отталкивания (нормальной и аномальной рефракции), приводящие либо к. полному исчезновению приповерхностных солитонных состояний, либо к их смещению вглубь нелинейной среды, объясняются конкуренцией двух факторов: неоднородностью среды, стремящейся загнуть лучевые траектории в сторону оптически более плотной (линейной) среды, и реакцией излучения из-за высвечивания энергии из канала в линейнуую среду, создающей противоположную тенденцию. Установлено, что стационарные однородные солитонные состояния в форме самосогласованных волноводных каналов, расположенных достаточно далеко от границы раздела, в поле плоской однородной волны накачки, падающей из линейной среды, неустойчивы либо по отношению к смещению оси канала от равновесного положения, либо по отношению к фазовым возмущениям, в зависимости от переносимого в канале потока энергии. Показано, что траектории самосогласованных приповерхностных волноводных каналов очень чувствительны к изменению параметров (амплитуды, ширины, фазы) падающих из линейной среды широких волновых пучков. При этом может происходить как увеличение потока энергии в канале, так и индуцированное высвечивание энергии из канала в зависимости от фазовых соотношений, между волной накачки и нелинейной модой. Изучен механизм возникновения гигантского стимулированного нелинейного эффекта Гуса-Хенхен, который обусловлен резонансным взаимодействием возбужденной нелинейной поверхностной волны, обеспечивающей перенос энергии вдоль границы раздела, с падающим волновым пучком.

Практическое значение работы

Полученные в диссертации результаты по резонансному поглощению электромагнитного излучения в неоднородной плазме и плазменных пленках непосредственно использовались для объяснения результатов экспериментов, проводимых в ИПФ РАН. Результат о линейном просветлении слоев непрозрачной плазмы был подтвержден экспериментально, что привело к созданию узкополосного поляризатора излучения на основе

8

металл-диэлектрических пленок. Проведенные в работе теоретические исследования могут быть использованы в исследованиях по лазерному УТС, линейной и нелинейной спектроскопии плазмоподобных и диэлектрических сред, применительно к некоторым проблемам нелинейной и интегральной оптики. Развитые в работе теоретические методы и подходы могут быть использованы при исследовании взаимодействия волн неэлектромагнитной природы с квазилокализованными модами и состояниями (например в гидрофизике, квантовой механике). Некоторые результаты, полученные в диссертации, используются в учебном курсе "Введение в спектроскопию твердого тела", читаемом на факультете ВШ ОПФ ИНГУ.

Полученные в диссертации результаты можно использовать в следующих научно-исследовательских учреждениях: ФИ РАН, ИОФ РАН, Институте атомной энергии, ИС РАН, ФТИ РАН, ИКИ РАН, НИРФИ.

Апробация работы.

Результаты диссертации докладывались на следующих конференциях, симпозиумах и семинарах: Международных конференциях по явлениям в ионизированных газах (Берлин, 1977; Пиза, 1991), Международной конференции по поверхностным волнам в плазме и твердых телах (Охрид, 1985), Международной конференции по физике плазмы (Киев, 1987), Международной конференции по сверхпроводимости (Глазго, 1991), Европейской конференции по лазерам и электрооптике (Амстердам, 1994), Всесоюзном симпозиуме по дифракции и распространению волн (Тбилиси, 1985), Всесоюзной конференции по распространению волн (Ленинград, 1984), Всесоюзных конференциях по взаимодействию электромагнитных излучений с плазмой (Ташкент, 1989; Душанбе, 1991), Всесоюзных семинарах по параметрической турбулентности (Москва, 1984, 1985, 1987, 1988; Алма-Ата, 1986), Российской конференции по физике полупроводников (Н.Новгород, 1993). На всесоюзном семинаре по физике высокотемпературной плазмы (Москва, 1977), на научных семинарах ИПФ РАН, ИФМ РАН, ФИ им. П.Н.Лебедева РАН, ИОФ РАН, НИРФИ, ФТИ им. А.Ф.Иоффе РАН, Лаборатории им Джоуля Солфорд-ского университета (Англия).

Публикации

Основные результаты диссертации опубликованы в 39 работах, список которых приведен в конце автореферата.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, шести глав и заключения. Ее объем составляет 369 страниц, включая 89 рисунков, список работ автора по теме диссертации из 39 наименований и список литературы из 245 наименований.

Содержание работы

Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и списка цитируемой литературы.

Во введении обосновывается актуальность работы, формулируется ее цель и кратко излагается содержание.

В первой главе изучаются основные линейные эффекты, связанные с резонансным возбуждением квазилокализованных поверхностных волн в плоскослоистых неоднородных средах - эффект резонансного просветления многослойных структур и эффект резонансного согласования электромагнитного излучения с мелкомасштабными многослойными системами и плазменными слоями с гладким монотонным распределением концентрации. Первые два параграфа посвящены исследованию эффекта резонансного просветления многслойных структур, содержащих закритические слои плазмоподобных сред, установленный теоретически независимо в работах Рамазашвили [1,2] и работе автора [3]. В принципе, возможность просветления многослойных сред, содержащих непрозрачные слои, очевидна, если в системе образуется резонатор типа Фабри-Перо. В диссертации рассмотрена более нетривиальная ситуация, когда электромагнитные поля в отдельных слоях являются нерас-пространяющимися. Такие системы могут быть прозрачными только для волн р-поляризации за счет возбуждения поверхностных волн на границе раздела слоев, образующих структуру.

« В параграфе 1.1 рассчитаны условия просветления простейшей двухслойной системы для плоской монохроматической волны и показано, что одно из этих условий в точности совпадает с условием синхронизма падающей волны с поверхностной модой на границе раздела слоев, а другое условие дает равенство оптических толщин слоев, свидетельствующее о симметричном характере собственного излучения поверхностной волны. Найдены частотная и угловая ширины линии просветления и показано, что они тем уже, чем больше оптическая толщина слоев. Рассмотренный эффект просветления был впоследствии подтвержден экспериментально Вуковичем, Драгнлой и Лготер-Дэвисом [4] при пропускании излучения лазера (Л = 0, бЗмкм) через серебряную фольгу, зажатую между диэлектрическими призмами.

о Параграф 1.2 посвящен исследованию прохождения широких вол-

новых пучков через многослойные структуры в режиме просветления. Для специально выбранной формы падающего на двухслойную среду пучка получены точные выражения, описывающие поперечные структуры прошедшего и отраженного пучков, в а так же выражения для энергетических коэффициентов прохождения и отражения в зависимости от соотношения между угловыми ширинами падающего пучка и линии прохождения. Вычислены величины сдвига Гуса-Хенхен центров тяжести отраженного и прошедшего пучка относительно падающего, которые определяются длиной радиационного затухания поверхностной волны и могут значительно превышать ширину падающего пучка. Более сложные многослойные структуры в состоянии поддерживать более широкий спектр вытекающих квазиповерхностных волн и, как следствие, иметь несколько "окон" прозрачности. Так для симметричной трехслойной структуры возможно существование двух окон прозрачности за счет возбуждения двух типов поверхностных волн - прямой и обратной, причем сдвиг центров тяжести прошедшего и отраженного пучков будет отрицательным при возбуждении обратной волны.

« В параграфе 1.3 предлагается новый метод исследования отражательных характеристик многослойных сред, названный методом фазовых диаграмм, представляющий собой, по-существу, развитие хорошо известного подхода, основанного на пересчете поперечного волнового импеданса (¿?±). Основная идея данного подхода состоит в построении и исследовании фазовых кривых на комплексной плоскости изображающих поведение мнимой и действительной частей поперечного импеданса в заданной электродинамической системе. В результате любой многослойной структуре ставится в соответствие траектория (диаграмма) на плоскости начальная точка которой определяется значением выходного импеданса, а конечная точка дает значение входного импеданса. Метод фазовых диаграмм удобен, когда возникает задача по заданным отражательным характеристикам многослойной среды определить ее оптимальную внутреннюю структуру. Традиционные методы, основанные на расчете структур полей или пересчете импеданса оказываются в этом случае весьма громоздкими и малоинформативными в силу большого количества параметров, подлежащих оптимизации. В данном разделе метод фазовых диаграмм разобран на примере задач о просветлении многослойных

систем. В частности строго доказано утверждение, что при произвольном импедансе подложки с помощью единственного однородного непоглощающего слоя можно получить любой наперед заданный импеданс на поверхности слоя с тем же знаком реальной части что и у подложки. Тем самым исчерпывается дискуссия, развернутая в работах [4,5] о том, симметричная или несимметричная система из однородных плазмоподобных слоев с мнимым волновым сопротивлением допускает режим полного прохождения. Число слоев, а также параметры всех слоев, кроме последнего, могут быть, в принципе, произвольными.

• В тех случаях, когда в рассмотрении не важна локальная (в отдельных слоях) структура поля, исследование электродинамики мелкомасштабных систем оказывается существенно более удобным в терминах некой эквивалентной однородной и анизотропной (эффективной) среды. В параграфе. 1.4 дан строгий вывод тензора эффективной диэлектрической проницаемости мелкомасштабных многослойных структур. В основе вывода лежит метод возмущений по малому параметру ц — кос1, где И - толщина "сэндт вича". Полученные соответствующие выражения в квазистатическом пределе (нулевом порядке по параметру /х) разумеется хорошо известны в настоящее время. Однако примененной подход дает возможность получать неквазистатические поправки к тензору эффективной диэлектрической проницаемости (в высших порядках по р) и тем самым учитывать эффекты слабой пространственной дисперсии, связанной с наличием собственных (внутренних) выделенных масштабов сэндвича.

• Параграф 1.5 посвящен изучению селективных свойств тонких многослойных плазменных пленок. Показано, что тонкие в масштабе длины волны плазменные или плазмоподобные пленки могут быть использованы в качестве своеобразных селективных элементов, позволяющих направленным образом подавлять определенные частотные или пространственные компоненты в спектре отраженного от пленок сигнала. Это достигается за счет формирования в соответствующих многослойных структурах требуемых частотных и угловых зависимостей коэффициента поглощения падающего на них р-поляризованного излучения, определяемых спектром возбужденных собственных квазистатических мод в отдельных слоях. Теория строится на основе тензора эффективной диэлектрической проницаемости; выражение для которого получено

в предыдущем параграфе. Найдены оптимальные распределения плазменной частоты и частоты соударений в пленке, обеспечивающие практически полное поглощение излучения в некоторой заранее заданной полосе частот. Оценивается роль нелинейных эффектов, дриводящих в случае кубической нелинейности к образованию "щели" в спектре поглощения. Таким образом в данном параграфе была сделана попытка "сконструировать" среду с заданными спектральными свойствами, определяемыми спектром возбуждаемых приповерхностных мод, на основе "многослойной структуры.

В следующем параграфе (п. 1.6) поставлена, в известном смысле, обратная задача: по известным Спектральным характеристикам определить структуру и физические свойства объекта. Эта задача теоретически решается на конкретном примере исследования спектров нарушенного полного внутреннего отражения (НПВО) многослойных полупроводниковых структур (сверхрешеток). Показано, что положение и форма спектральных линий, отвечающих возбуждению в сверхрешетках поверхностных и квазистатических волн сильно зависит от изменения концентрации свободных электронов, их подвижности, периода сверхрещетки или толщины образующих ее слоев, а также от параметров собственных колебаний кристаллической решетки.

Последний параграф первой главы (п.1.7), в отличие от предыдущих параграфов, где изучались линейные эффекты, связанные с возбуждением поверхностных волн, в многослойных кусочно-однородных средах, посвящен эффекту безотражательного (согласованного) поглощения электромагнитного излучения неоднородной плазмой. Установлено, что указанный эффект имеет место при облучении -поляризованной электромагнитной волной плазменного слоя с гладким монотонным распределением диэлектрической проницаемости е(г), удовлетворяющем следующему локальному условию:

5т 9-■

Согласование достигается за счет синхронизованного возбуждения квазиповерхностной моды, поддерживаемой областью плазменного резонанса е(г) = 0; в этой же области происходит бесстолкно-вительная диссипация энергии падающего поля (сосредоточенное резонансное поглощение [6-9]). Приведены конкретные примеры соответствующих безотражательных профилей, рассчитанных на

компьютере. Эффект был обнаружен экспериментально Бродским и др. [10], что фактически, и послужило толчком к его последующим теоретическим рассмотрениям.

В последующих пяти главах диссертации исследуются эффекты возбуждения и излучения поверхностных волн, их трансформация и рассеяние в режиме нелинейного взаимодействия излучения с веществом.

Вторая глава диссертационной работы посвящена изучению квадратичных нелинейных эффектов при взаимодействии объемных и поверхностных волн. В плазме и плазмоподобных средах, которые мы будем рассматривать ниже, такие эффекты возникают из-за энгармонизма движения электронов в высокочастотном поле. Соответствующие электронные нелинейности приводят к генерации четных гармоник излучения (включая нулевую - статическое иоле). Именно преобразование частотного спектра электромагнитного поля и исследуется в настоящей главе.

э В параграфе 2.1 исследуется влияние тонких приповерхностных плазменных пленок на интенсивность генерации второй гармоники (ГВГ) излучения при условии возбуждения в пленке квазистатической моды. Предлагается самосогласованная терия ГВГ, в которой генерируемое излучение на второй гармонике рассматривается как некоторые эффективные нелинейные потерн падающего излучения. Необходимость самосогласованного описания ГВГ связана с возбуждением в пленке электромагнитного поля большой интенсивности, такой, что соответствующие нелинейные потери могут быть сравнимы и даже превышать линейные. ГВГ обусловлена возбуждаемыми в среде нелинейными токами на удвоенной частоте волны накачки. Эти токи имеют объемную и поверхностную составляющие, сосредоточенные соответственно в толще материала и в окрестности границ раздела. Установлено, что в резонансных условиях определяющий вклад в ГВГ дают нелинейные поверхностные токи, для которых впервые получено явное выражение. Показано, что эффективность ГВГ возрастает с возрастанием интенсивности падающего излучения и в экстремально сильных полях может на несколько порядков превышать эффективность ГВГ в отсутствие пленки.

• Второй параграф (п.2.2) посвящен исследованию параметрической генерации низкочастотного излучения в плазменных пленках под

воздействием бигармонической р-поляризованной волны накачки на частоте биений.Рассматривается случай, когда соответствующая частота биений близка к плазменной частоте пленки, что приводит к возбуждению квазистатической моды и генерации нелинейных поверхностных токов большой интенсивности, обеспечивающих переизлучение электромагнитной энергии на разностной частоте. Установлено, что в условиях точного резонанса с квазистатической модой и в отсутствие диссипации энергии в пленке эффективность генерации НЧ излучения не зависит от толщины пленки.

• В следующем параграфе (п.2.3) изучается параметрическое взаимодействие поверхностных электромагнитных волн на границе раздела вакуума с плазмоподобной средой, содержащей тонкий переходный слой. Наличие тонкого переходного слоя на поверхности плазмоподобной среды приводит, при определенных условиях, к появлению щели в спектре поверхностных возбуждений ("щель Аграновича" [11]) и возникновению двух новых ветвей колебаний (высокочастотной и низкочастотной), отвечающих соответственно двум новым типам поверхностных волн. Предполагалось, что низкочастотная и высокочастотная поверхностные волны связаны условиями пространственно - временного синхронизма так, что вторая гармоника низкочастотной моды соответствует примерно частоте высокочастотной. Получены уравнения для медленных амплитуд поверхностных волн, участвующих во взаимодействии, и найдены их некоторые точные решения, описывающие нелинейные эффекты, связанные с обменом энергией между взаимодействующими волнами. Установлены, в частности, возможности практически полной трансформации низкочастотной волны в высокочастотную, образования связанных состояний НЧ и ВЧ поверхностных волн, излучения коротким импульсом волны одного типа цуга волн другого типа и т.д.

• Наконец в параграфе 2.4 исследуется магнитная параметрическая неустойчивость столкновительной плавно неоднородной плазмы, находящейся в поле сильной монохроматической электромагнитной волны Т.Е7-поляризации, приводящая к возбуждению в плазме квазистационариого магнитного поля (КМП) (нулевая гармоника). В гидродинамическом приближении получена замкнутая система уравнений для определения КМП и медленно меняющейся амплитуды продольной составляющей ВЧ поля, возникающей в плазме

при наличии КМП. Теоретические и численные расчеты показали, что неустойчивость, развиающаяся прежде всего в области плазменного резонанса, связана с раскачкой плазменных колебаний и носит пороговый по амплитуде поля падающей волны характер. Установлено также, что по мере увеличения надпороговости волны накачки меняется тип неустойчивости (при малых над-пороговостях - обычная "экспоненциальная" апериодическая неустойчивость, при больших - взрывная неустойчивость, имеющая характер отрицательной диффузии). Показано, что взрывная неустойчивость ограничивается только на кинетической стадии за счет выноса энергии плазменными волнами из области взаимодействия.

Следующая третья глава диссертации посвящена эффектам возбуждения, излучения и рассеяния поверхностных электромагнитных волн (ПЭВ) в средах с кубичной нелинейностью. Как уже отмечалось выше, соответствующие радиационные эффекты могут носить как локальный (нерезонансный) так и распределенный (резонансный) характер. Оба указанных типа могут реализоваться в средах с кубичной нелинейностью в результате модуляций показателя преломления в неоднородном электромагнитном поле. Локальное взаимодействие объемных и поверхностных волн наиболее ярко проявляется в оптически бистабильных средах, поскольку показатель преломления последних может резко изменяться на сравнительно малых масштабах в плавно меняющемся в пространстве электромагнитном поле.

» В первом параграфе главы (п.3.1) изучается бистабильность тонких приповерхностных пленок сред, способных поддерживать поверхностные электромагнитные волны. В качестве примера рассмотрена бистабильность плазменных пленок на частоте излучения близкой к частоте плазменного резонанса, возникающей из-за действия стрикционной нелинейности и бистабильность сверхпроводниковых пленок, связанная с их разогревом в ВЧ поле. В первом случае бистабильность объясняется нелинейным плазменным резонансом; во втором - резкой температурной зависимостью коэффициента поглощения сверхпроводника в области сверхпроводящего перехода. При воздействии на пленки широких электромагнитных пучков, амплитуда поля которых превышает некоторое пороговое значение, на поверхности пленки возникает пространственный переход между устойчивыми состояниями бистабильной системы (доменная стенка). При этом масштаб перехода не связан

с масштабом неоднородности амплитуды внешнего поля и определяется либо физическими характеристиками граничащих сред (например, в случае тепловой нелинейности сверхпроводниковой пленки - масштабом теплопроводности), либо длиной волны излучения. Очевидно, что благодаря фактически скачкообразному изменению проницаемости пленки эффект взаимной трансформации объемных и поверхностных волн может быть достаточно силен.

® Следующий параграф 3.2 как раз и посвящен решению задачи о возбуждении поверхностных волн электромагнитным пучком в бистабильной среде на примере плазменной пленки со стрикцион-ным типом нелинейности. Показано, что рассеяние объемных волн на возникающей доменной стенке приводит к возбуждению поверхностной волны, амплитуда которой практически не зависит ни от амплитуды поля на оси пучка, ни от его поперечной структуры, а энергетическая эффективность процесса максимальна на пороге возбуждения домена.

• Распределенное (резонансное) возбуждение ПЭВ в кубично нелинейной среде с эффективностью значительно превышающей эффективность локального возбуждения может быть реализовано при облучении поверхности нелинейной среды пересекающимися когерентными электромагнитными пучками, интерференция которых приводит к возникновению самосогласованной динамической дифракционной решетки. Решение самосогласованной задачи о возбуждении ПЭВ пересекающимися пучками электромагнитных волн дано в параграфе 3.3. Выведены уравнения для медленной Амплитуды возбуждаемой ПЭВ и проанализированы его решения. Показано, что основной причиной, обеспечивающей ограничение амплитуды поля поверхностной волны, являются нелинейные фазовые расстройки. Получены аналитические выражения, описывающие координатную зависимость амплитуды ПЭВ в области пересечения пучков и найдены оптимальные режимы генерации ПЭВ. Результаты параграфа обобщаются на случай границ раздела, содержащих тонкий нелинейный переходный слой.

• В разделе 3.4 решена задача физически родственная рассмотренной в предыдущем параграфе - рассеяние электромагнитных пучков на ПЭВ. В данном случае динамическая дифракционная решетка генерируется в результате интерференции излучения пучка с ПЭВ. Получены уравнения для медленной амплитуды ПЭВ и

рассеянного пучка. Установлено, что превышение амплитудой падающего пучка некоторого порогового значения ведет к развитию процесса конвективной неустойчивости ПЭВ, связанной с резонансной перекачкой энергии из падающего пучка в рассеянный пучек и поверхностную волну. Найден критерий, определяющий реализацию режима усиления ПЭВ, проходящей через освещенное пучком пятно на границе раздела. Показано, что характерный поперечный масштаб рассеянного пучка, определяемый размером области нелинейного взаимодействия может быть значительно меньше поперечного масштаба падающего и зеркально отраженного пучков. Рассчитаны условия обратного рассеяния, которое может иметь место во вполне определенной области углов падения пучка. Как и в предыдущем параграфе результаты обобщаются на случай границ раздела более сложной структуры.

• Последний параграф данной главы (п.3.5) посвящен исследованию нелинейного излучения энергии ПЭВ из тонких приповерхностных пленок. Рассматриваемые нелинейные радиационные эффекты возникают в результате рассеяния двух когерентных поверхностных волн друг на друге, что объединяет их с изученными выше эффектами возбуждения ПЭВ пересекающимися пучками и рассеяния пучков на ПЭВ. Теория нелинейного излучения ПЭВ строится для общего случая тонких пленок переменной толщины. Излучение объемных волн происходит тогда, когда в пленке возбуждены прямая и обратная ПЭВ с попутными фазовыми и встречными групповыми скоростями в строго определенном интервале толщин пленки, задающим для пленок переменной толщины пространственную локализацию светящейся области. Прямая и обратная волны могут генерироваться как независимыми источниками, так и возникать в результате линейной трансформации на границе области существования ПЭВ. Этот последний случай и рассмотрен в диссертации. На основе уравнений для потоков энергии в поверхностных волнах вычислена эффективность излучения ПЭВ для двух различных постановок граничных условий, когда вне области высвечивания задан поток энергии либо в прямой (а), либо в обратной (б) волне. В процессе излучения энергия черпается из прямой волны (более быстрой) и расходуется на усиление обратной волны и на излучение. При учете диссипации энергии в пленке, показана возможность установления одного из двух режимов, характеризуемых различными радиационными потерями

и различными диаграммами направленности излучения, связанная, фактически, с конкуренцией между диссипацией и усилением обратной ПЭВ. Вычислены эффективности излучения энергии для обоих режимов.

Последующие три главы диссертации посвящены исследованию радиационных эффектов при взаимодействии падающего излучения с сильно нелинейными модами, возникающими в результате самовоздействия электромагнитного поля в кубично-нелинейных средах.

В четвертой главе изучается нелинейное согласование неоднородной плазмы с плоскими интенсивными электромагнитными волнами. Эффект согласования связан с деформацией профиля плотности плазмы в высокочастотном поле под действием усредненной пондеромоторной силы (силы Миллера) [12] и резонансным возбуждением нелинейных квазилокализованных мод. Как известно, в области плазменного резонанса неоднородной плазмы происходит резкое нарастание ("разбухание") параллельной градиенту концентрации компоненты электрического ВЧ поля [б], приводящее с одной стороны к появлению локализованных в этой области потерь энергии [7-9], а с другой стороны к появлению ступенчатых переходов (на повышенных уровнях мощности) через точку плазменного резонанса [13-17] из-за вытеснения плазмы из области сильного поля и образованию вблизи скачка концентрации плазмы "плато" диэлектрической проницаемости с малым положительным значением.

• Параграф 4.1 посвящен исследованию возможностей полного поглощения -поляризованной электромагнитной волны плавно неоднородной плазмой в условиях стриКционной фокусирующей нелинейности. Показана возможность согласования в двух нелинейных режимах, соответствующих различным значениям углов падения и интенсивности излучения. При сравнительно невысоких уровнях мощности падающего излучения и угле падения, отвечающем оптимальному углу линейного поглощения (для которого коэффициент поглощения достигает максимального значения) выход на согласованный режим, обнаруженный впервые Гильден-бургом и др. [18-22], связан с возбуждением высвечивающейся квазистатической моды на плато плотности плазмы с малым положительным значением проницаемости, образующимся в результате стрикционной деформации профиля плотности плазмы в области плазменного резонанса. В случае более высоких плотностей по-

тока энергии падающего излучения и углов падения превышающих оптимальный согласование обусловлено синхронизованным возбуждением квазиповерхностной моды на самосогласованном скачке плотности плазмы. Установлено также, что для определенных промежуточных углов падения волны имеют место сразу две области сильного (почти полного) поглощения, отвечающие различным мощностям падающей волны.

• В параграфе 4.2 изучается влияние как фокусирующей (стрикци-онной), так и дефокусирующей (ионизационной) нелинейностей на поглощающие свойства неоднородной плазмы с монотонным профилем концентрации, отличающимся от линейного. Построенная теоретическая модель предсказывает, что для слоев заметно отличающихся от линейного дефокусирующая нелинейность может приводить к увеличению коэффициента поглощения вплоть до единицы, в то время как для квазилинейных распределений проницаемости всегда снижает его. Явление согласования в этом случае объясняется синхронизованным возбуждением квазиповерхностной моды на плато плотности плазмы с малым отрицательным значением диэлектрической проницаемости. Теоретические результаты подтверждаются численными рассчетами нелинейного волнового уравнения.

• Параграф 4.3 посвящен исследованию эффекта нелинейного согласования плавнонеоднородной плазмы в условиях совместного влияния стрикционной деформации профиля плотности плазмы в области плазменного резонанса и генерации квазистационарного магнитного поля. Построена самосогласованная теория, учитывающая взаимное влияние квазистационарного магнитного и высокочастотного полей в плазме с линейным профилем концентрации. Обнаружены гистерезисные зависимости коэффициента поглощения и напряженности квазистационарного магнитного поля от интенсивности падающей волны. Данный эффект объясняется рассинхронизацией возбужденных квазиповерхност ных волн на скачке плотности плазмы с падающим излучением в самосогласованном магнитном поле.

Решения в виде истинных поверхностных волн имеют место только для -поляризации электромагнитного поля. Последние две главы диссертации посвящены исследованию взаимодействия излучения е-поляризации с нелинейными фокусирующими средами в условиях возбуждения нелинейных радиационно затухающих в-поля-

ризованных поверхностных волн, представляющих собой приповерхностные солитонные образования в форме самосогласованных волноводных каналов [23].

В главе 5 развита теория, описывающая отражение и рассеяние пучков и импульсов электромагнитного излучения границей раздела линейной и нелинейной сред а также генерацию в нелинейной среде самосогласованных волноводных каналов, основанная на уравнении переноса энергии в нелинейной среде.

• В параграфе 5.1 приводятся некоторые известные, впервые полученные в работах Каплана [24-25], результаты стационарной теории отражения плоских монохроматических волн от границы раздела линейной и нелинейной сред в форме удобной для дальнейшего рассмотрения и вычисляются погонные плотность и поток энергии электромагнитного поля в нелинейной среде.

• В параграфе 5.2 дается вывод основного уравнения теории - уравнения переноса энергии в нелинейной среде, основанный на предположениях об адиабатически медленном изменении характеристик электромагнитного поля в нелинейной среде и о близости стационарного решения к реальному динамическому, что позволяет использовать стационарные решения как пробные функции динамической задачи. Получен критерий применимости выведенных уравнений.

• Параграф 5.3 посвящен теории нестационарного отражения плоской монохроматической волны, падающей под углом больше критического угла для полного внутреннего отражения на границу раздела линейной и нелинейной сред. Показано, что при превышении амплитудой падающей волны некоторого порогового значения режим отражения становится динамическим, что выражается в периодической генерации солитонов убегающих вглубь нелинейной среды и периодических вариациях коэффициента отражения. Вычислен период генерации солитонов, становящийся тем меньше, чем выше надпороговость падающего излучения. Стационарное решение в надпороговом режиме описывает филаментацию излучения в нелинейной среде, представляющую собой периодическую решетку самосогласованных волноводных каналов, траектории осей которых уходят от границы раздела вглубь нелинейной среды.

• В параграфе 5.4 представлена теория стационарного рассеяния широких волновых пучков нелинейной средой, базирующаяся все

на том же уравнении переноса. Полученные решения описывают различные физические эффекты, в том числе: гигантский нелинейный эффект Гуса-Хенхен, связанный с переносом энергии вдоль границы раздела самосогласованными волноводными каналами, филаментацию электромагнитного поля в нелинейной среде. Найдены аналитические выражения для сдвига центра тяжести пучка при отражении, число генерируемых в нелинейной среде филамен-тов для падающего пучка заданной поперечной структуры. Показано, что доля прошедшей в нелинейную среду электромагнитной энергии является дискретной величиной, определяемой числом излученных солитонов. Установлено, что в надпороговом режиме, когда в нелинейной среде происходит филаментация излучения, отраженное поле имеет струйный (многопучковьга) характер, причем число струй соответствует числу возбужденных филаментов.

• Следующий параграф 5.5 посвящен исследованию нестационарного рассеяния пакетов электромагнитных волн, падающих на границу раздела линейной и нелинейной сред . Общее исследование исходного уравнения проводилось численно для специально выбранной формы падающего волнового пакета. Обнаружен пространственно-временной эффект Гуса-Хенхен, проявляющийся как в пространственном смещении отраженного сигнала, так и в его временной задержке. Наблюдалось также существенное искажение формы отраженного сигнала, который разбивался в конце концов на серию отдельных пучков, демонстрирующих в явном виде эффект струйного отражения. В случае достаточно коротких импульсов нелинейный эффект Гуса-Хенхен оказался отрицательным, что объясняется перемещением пятна освещенности по поверхности раздела сред со скоростью превосходящей скорость переноса энергии электромагнитного поля в нелинейной среде.

• В параграфе 5.6 изучается влияние слабой диссипации энергии в нелинейной среде на рассеяние волновых структур. В условиях, когда мнимая часть диэлектрической проницаемости достаточно мала по сравнению с действительной при вычислении потерь можно считать, что структура поля близка к структуре поля, определяемой из решения бездиссипативной задачи. В соответствии с данным приближением было модифицировано основное уравнение теории - уравнение переноса энергии. Влияние диссипации исследовалось на примере отражения плоских волн и электромагнитных пучков. В стационарном (допороговом) случае по-

лучено выражение для коэффициента поглощения падающей плоской волны и установлено, что максимальное поглощение (идеальное согласование) достигается на неустойчивой ветви решения. В надпороговом режиме как и в отсутствие диссипации происходит периодическая генерация солитонов с периодом возрастающем по мере увеличения мнимой части диэлектрической проницаемости. Наблюдается также существенное влияние диссипации энергии на характер взаимодействия пучков с нелинейной средой. Так, в частности, повышается порог генерации филаментов и при прочих равных условиях число излученных каналов в диссипативной среде меньше чем в бездиссипативной.

• В последнем параграфе главы (п.5.7) изучается согласование встречных интенсивных в-поляризованных электромагнитных волн со слоем закритической слабостолкновительной плазмы. Согласование в этом случае связано с возбуждением в слое самосогласованных волноводных каналов, образующих резонаторы типа Фабри-Перо для электромагнитных волн.

Наконец, последняя, шестая глава диссертации посвящена исследованию распространения радиационно затухающих нелинейных поверхностных волн вблизи границы раздела линейной и нелинейной сред в поле падающих широких волновых пучков.

• В первом параграфе главы (п.6.1) из исходного двумерного нелинейного волнового уравнения выводится система уравнений для траектории центра тяжести самосогласованного волноводного канала и переносимого им потока энергии. Вывод строится на основе развиваемой в диссертации теории возмущений по малому параметру, определяющему отношение амплитуды поля нелинейной поверхностной волны на границе раздела сред к амплитуде поля на оси самосогласованного канала. Данная теория позволяет определить не только траекторию центра тяжести (ЦТ) канала и проследить за изменением потока энергии в нем (связанным либо с радиационными потерями либо с подкачкой внешними падающими полями), но и рассчитать структуру отраженного поля.

• Второй параграф (п.6.2) посвящен исследованию траекторий ЦТ самосогласованных волноводов в отсутствие падающих полей накачки. Показано, что уравнения определяющие соответствующие траектории эквивалентны уравнениям движения квазичастицы в

меняющемся во времени потенциале, причем в зависимости от потока энергии в канале характер потенциального рельефа отвечает либо притяжению канала к границе, либо его отталкиванию. В первом случае имеет место нормальная рефракция электромагнитных еолн, во втором случае - аномальная. Для объяснения эффектов нормальной и аномальной рефракции им придана "силовая" трактовка, в соответствии с которой траектория ЦТ канала определяется конкуренцией двух сил, действующих на квазичастицу -рефракционной, стремящейся загнуть траектории в сторону оптически более плотной среды и силы реакции излучения, возникающей в результате высвечивания энергии в линейную среду, создающей противоположную тенденцию. Оказывается, что каналы переносящие достаточно большой поток энергии (а, следовательно, достаточно малую ширину) притягиваются границей раздела, в то время как каналы переносящие поток энергии меньше некоторой критической величины (более размытые) отталкиваются от границы раздела. Таким образом по мере распространения электромагнитных волн в самосогласованном волноводном канале его характер взаимодействия с границей раздела может меняться, что обусловлено потерей части запасенной энергии на излучение.

• В следующем параграфе 6.3 рассчитаны возможные траектории движения самосогласованных волноводных каналов в слое нелинейной среды в отсутствие накачки. Показано, что при определенных условиях возможен захват излучения слоем, которому отвечают осциллирующие вблизи центра слоя траектории ЦТ волноводных каналов.

® Параграф 6.4 посвящен исследованию устойчивости стационарных радиационно затухающих нелинейных поверхностных волн в поле плоской монохроматической волны накачки. Рассчеты установили, что такие приповерхностные солитонные образования неустойчивы либо по отношению к возмущениям фазы, либо по отношению к малым смещениям оси канала от равновесного состояния в зависимости от потока энергии переносимого каналом. В результате развития неустойчивости самосогласованный волновод-ный канал либо уходит

вглубь нелинейной среды, либо полностью исчезает из-за высвечивания энергии в линейную среду.

• В последнем параграфе главы (п.6.5) исследуется резонансное взаи-

модействие радиационно затухающих нелинейных поверхностных волн с падающими из линейной среды на границу раздела широкими волновыми пучками. Установлено, что в зависимости от фазовых сотношений между волной накачки и нелинейной модой может происходить как увеличение потока энергии в канале, так и индуцированное высвечивание энергии из канала. Изучен механизм возникновения гигантского стимулированного нелинейного эффекта Гуса- Хенхен, который обусловлен переносом энергии вдоль границы раздела нелинейной модой.

В заключении приведена краткая сводка основных результатов, полученных в диссертации.

Список цитируемой литературы

1 Ramasashvili R.R. Leaking surface waves and transparency of dense plasma layers. Proc. of the Conf. on Surf. Waves in Plasmas Blago-evgrad, Bulgaria, 1981, p.268-271

2 Рамазашвили P.P. О явлении полного прохождения э.м. волн через слой плазмы и полупроводниковых сред при возбуждении поверхностных волн. // Письма в ЖЭТФ. 1986. т.43 с.235-237

3 Жаров А.А., Заборонкова Т.М. Об оптимальном поглощении электромагнитных волн ограниченными плазменными образованиями. // Физика плазмы. 1983 т.9 с.995-1001

4 Vucovic S., Dragila R., Luther-Davies В. High transparency of over-dense plasma layers in metallic films. Surface Waves in Plasmas and Solids. Ed. by S.Vucovic, World Scientific, Singapore 1986, p.364-392

5 Vucovic S., Dragila R. // The Australian National University. Institute of Advanced Studies rep. LPL 8429, 1984

6 Денисов Н.Г. Об одной особенности поля электромагнитной волны, распространяющейся в неоднородной плазме. // ЖЭТФ 1956 т.34 с.609-619

7 Пилия А.Д. О трансформации волн в неоднородной плазме. // ЖТФ 1966 т.36 с.818-823

8 Гильденбург В.Б. О резонансных свойствах неоднородных плазменных объектов. // ЖЭТФ 1963 т.45 с. 1978-1987

9 Hinkel-Lipsker, Fried B.D., Morales G.J. Analitic expression for mode conversion in plasma with linear density profile. // Phys. Fluids B4 (3), 1992 p.559-575

10 Бродский Ю.Я., Гольцмаи B.JI., Нечуев С.И. Аномальное линейное поглощение электромагнитной волны в изотропной плазме. // Письма в ЖЭТФ. 1976 т.24 с.547-551

11 Агранович В.М. Эффекты переходного слоя и пространственной дисперсии в спектрах поверхностных поляритонов. В кн. Поверхностные поляритоны, под ред. В.М.Аграновича и Д.Л.Миллса, М.:Наука, 1985, с. 132-166

12 Гапонов A.B., Миллер М.А. О потенциальных ямах для заряженных частиц в высокочастотных полях. //ЖЭТФ. 1958 т. 14 с. 14841487

13 Гильденбург В.Б. О нелинейных эффектах в неоднородной плазме. // ЖЭТФ 1964 Т.46 с.2156-2164

14 Гильденбург В.Б., Фрайман Г.М. Деформация области плазменного резонанса в сильном высокочастотном поле. // ЖЭТФ. 1975 т.69 с.1601-1606

15 Гильденбург В.Б. Скачок плотности плазмы в поле сильной электромагнитной волны и его влияние на эффективность резонансного поглощения // Взаимодействие электромагнитного излучения с бесстолкновительной плазмой. Сб. научн. тр. - Горький: ИПФАН СССР, 1980, с.83-116

16 Mulser Р. Van Kessel С. Profile modification and plateau formation due to light pressure in laser-irradiated targets. // Phys. Rev. Lett. 1977 v.33 p.902-905

17 Lee K., Forslund D.W., Kindel J.M. Theoretical derivation of laser induced plasma profile. // Phys. Fluids 1977 v.20 p.51-54

18 Гильденбург В.Б., Литвак А.Г., Фрайман Г.М. Деформация профиля плотности и эффективность резонансного поглощения лазерного излучения в неоднородной плазме. // Письма в ЖЭТФ 1978 т.26 с.433-436

19 Гильденбург В.Б., Литвак А.Г., Фрайман Г.М. Резонансное поглощение в лазерной плазме с деформируемым профилем плотности.

27

// Тезисы докладов XII Европейской конференции по взаимодействию лазерного излучения с веществом. Москва, 1978, с.216-217

20 Gildenburg V.B., Litvak A.G., Feigin A.M. Resonance absorption of the laser radiation in the corona and acceleration of particles. Proc. of XIII Europ. Conf. on Laser Interaction with the Matter. Leipzig, 1979,p 385

21 Гильденбург В.Б., Литвак А.Г., Петрова T.A., Фейгин A.M. Резонансное поглощение сильной электромагнитной волны в неоднородной плазме. // Физика плазмы 1981 т.7 с.732-738

22 David F., Mora P., Pellet R. Resonant absorption in a self-consistent density profile at a moderate intensities // Phys. Fluids 1983 v.26 p.747-754

23 Беспалов В.И., Таланов В.И. О нитевидной структуре пучков в нелинейных жидкостях. // Письма в ЖЭТФ 1966 т.З с.471-474

24 Каплан А.Е. Теория явления гистерезисного отражения и преломления света на границе нелинейной среды. // ЖЭТФ 1977 т.72 с.1710-1726

25 Kaplan А.Е., Smith P.W., Tomlinson W.J. Nonlinear Waves in Solid State Physics (ed. by A.D. Boardman et al.), NATO ASI Series, 1990, v.247, p.93

Основные результаты диссертации опубликованы

в работах

1А Жаров A.A., Заборонкова Т.М. Об оптимальном поглощении электромагнитных волн ограниченными плазменными образованиями. // Физика плазмы. 1983. Т.5. С.995-1001

2А Жаров A.A., Кузнецова Е.Ю. Метод фазовых диаграмм в электродинамике плоскослоистых структур. // Изв. вузов. Радиофизика. 1990. Т.ЗЗ. С.826-831

ЗА Жаров A.A., Кондратьев И.Г; О селективных свойствах тонких многослойных плазменных пленок. //Физика плазмы. 1989. Т.15, С.694-699

4А Жаров A.A., Игнатов A.A., Чернобровцева М.Д. Теория спектров НПВО многослойных полупроводниковых структур. В сб. Многослойные полупроводниковые структуры и сверхрешетки. Диагностика, нелинейные высокочастотные эффекты. Ред. Ю.А.Романов, А.М.Белянцев. Н.Новгород, ИПФ АН СССР, 1990. С.80-96

5А Жаров A.A., Кондратьев И.Г., Миллер М.А. О резонансном поглощении электромагнитных волн в неоднородной плазме. // Письма в ЖЭТФ. 1977. Т.25. С.355-357

6А Brodsky Yu.Ya., Goltsman V.L., Zharov A.A., Kondratjev I.G., Miller M.A. and Nechuev S.I. On resonant absorption in inhomogeneous plasma. Proc. of XIII ICPIG, Berlin, 1977. Contr. paper. V.2. P.807-808

7A Жаров A.A., Кондратьев И.Г., Миллер М.А. Резонансное согласование эелктромагнитных волн с изотропной неоднородной плазмой. // Физика плазмы. 1979. Т.5. С.261-270

8А Жаров A.A., Кондратьев И.Г., Котов А.К. К теории генерации второй гармоники излучения в тонких плазменных пленках. V Всес. конф. Взаимодействие электромагнитных излучений с плазмой. Ташкент, 1989. Тезисы докладов, С.61

9А Жаров А.А., Кондратьев И.Г., Котов А.К. О влиянии тонких резонансных приповерхностных плазменных пленок на эффективность генерации второй гармоники падающего электромагнитного излучения. //Физика плазмы. 1990. Т.16. С.1339-1344

10А Жаров А.А; Параметрическая генерация низкочастотного электромагнитного излучения в плазменных пленках под воздействием бигармонической накачки. //Физика плазмы. 1991. Т.17. С.759-761

11А Жаров А. А. Параметрическое взаимодействие поверхностных электромагнитных волн на границе плазмоподобной среды при наличии тонкого переходного слоя. // Физика плазмы. 1991. Т.17. С.20-27

12А Zharov А.А., Zaboronkova Т.М., Kondratjev I.G. Magnetic plasma instability in the field of an intense electromagnetic wave. Proc. of VII Int. Conf. on Plasma Physics, Kiev, 1987. Contr. paper. V.l. P.121-124

13A Альбер Я.Б., Жаров А.А., Заборонкова Т.М., Кондратьев И.Г. Кротова З.Н. О магнитной неустойчивости неоднородной плазмы в поле интенсивной электромагнитной волны // Изв. вузов. Радиофизика:. 1990. Т.ЗЗ. С.170-176

14А Жаров А.А., Заборонкова Т.М., Кондратьев И.Г. Кинетическая стадия магнитной неустойчивости плазмы в поле сильной электромагнитной волны. V Всес. конф. Взаимодействие электромагнитных излучений с плазмой. Ташкент, 1989. Тезисы докладов. С.74

15А Zharov A.A., Zaboronkova Т.М., Kondratjev I.G. То the theory of magnetic instability of an inhomogeneous plasma in the field of a strong electromagnetic wave. Proc. of the XX ICPIG. Pisa, 1991. Contr. paper. V.3. P.378-379

16A Жаров A.A., Заборонкова T.M., Кондратьев И.Г. К теории магнитной неустойчивости плазмы в поле сильной электромагнитной волны. // Изв. вузов. Радиофизика. 1993. Т.36. С.329-332

17А Zharov А.А., Korotkov A.L., Reznik A.N. Electromagnetic power limitting at S-N transition in a thin superconducting film. Ill Int. Supercond. Electron. Conf., Glasgow, 1991. Ext. abstracts. P.217-220

18А Zharov A.A., Korotkov A.L., Reznik A.N. Electromagnetic power limitting at S-N transition in a thin superconducting film. // Supercond. Sci. Technol. 1992. V.5. P.104-106

19A Жаров А.А., Коротков A.JI., Резник A.H. Тепловой S-N переход в тонкой сверхпроводниковой пленке, стимулированный падающим электромагнитным излучением. // СФХТ. 1992. Т.5. С.418-422

20А Жаров А.А. Нелинейное возбуждение поверхностных электромагнитных волн в тонких плазменных пленках световым пучком. // Физика плазмы. 1990. Т.16. С.324-331

21А Жаров А.А., Котов А.К. Нелинейное резонансное возбуждение поверхностных волн в плазменных пленках в поле пересекающихся электромагнитных пучков. VI Всес. конф. Взаимодействие электромагнитных излучений с плазмой. Душанбе, 1991. Тезисы докладов. С. 121

22А Жаров А.А., Котов А.К. Резонансное взаимодействие электромагнитных пучков с поверхностными волнами на границе раздела линейной и нелинейной сред: возбуждение и рассееяние. // ЖЭТФ. 1993. Т.103. С.1511-1526

23А Жаров А.А., Смирнов А.И. Нелинейное излучение поверхностных электромагнитных волн из плазменных пленок переменной толщины. V Всес. конф. Взаимодействие электромагнитных излучений с, плазмой. Ташкент, 1989. Тезисы докладов. С.62

24А Жаров А.А., Смирнов А.И. Излучение электромагнитной энергии поверхностными волнами из плазменных пленок переменной толщины. // Физика плазмы. 1991. Т.З. С.321-326

25А Aliev Yu.M., Zharov А.А., Kondratjev I.G. and Frolov A.A. On the nonlinear theory of absorption of intense electromagnetic waves in an inhomogeneous plasma II Int. Conf. on Surface waves in plasmas and solids. Yugoslavia, Ohrid, 1985. Book of Abstracts. P.55

26A Aliev Yu.M., Zharov A.A., Kondratjev I.G. and Frolov A.A. On the nonlinear theory of absorption of intense electromagnetic waves in an inhomogeneous plasma In: Surface Waves in Plasmas and Solids. Ed. by S.Vucovic, World Scientific, Singapore, 1986. P.507-512

27А Алиев Ю.М., Жаров A.A., Кондратьев И.Г., Фролов A.A. О резонансном поглощении интенсивного электромагнитного излучения- в неоднородной плазме. // Письма в ЖЭТФ. 1985. Т.42. С.437-439

28А Жаров A.A., Кочанкова Е.Ю. Об исследовании нелинейного резонансного поглощения электромагнитных волн в плазме методом фазовых диаграмм. V Всес. конф. Взаимодействие электромагнитных излучений с плазмой. Ташкент, 1989. Тезисы докладов. С.18

29А Жаров A.A., Кондратьев И.Г., Кочанкова Е.Ю. О влиянии различных нелинейностей на эффект резонансного поглощения электромагнитного излучения неоднородной плазмой. // Физика плазмы. 1989. Т.15: С.689-693

30А Жаров A.A., Заборонкова Т.М., Кондратьев И.Г. О рассеянии интенсивных электромагнитных волн плазмой в условиях генерации квазистационарных магнитных полей. Всес. конф. по дифракции и распространению электромагнитных волн. Ленинград. -М.:Наука, 1984. Т.1. С.275-277

31А Жаров A.A., Заборонкова Т.М., Кондратьев И.Г. О резонансном поглощении интенсивных электромагнитных волн плазменными образованиями в условиях генерации квазистационарного магнитного поля. IX Симпозиум по дифракции и распространению волн. Тбилиси, 1985; Т.2. С.407-409

32А Жаров A.A., Заборонкова Т.М., Кондратьев ИТ. К самосогласованной теории генерации квазистационарного магнитного поля в неоднородной плазме. // Физика плазмы. 1988. Т.14. С.108-110

ЗЗА Алиев Ю.М., Жаров A.A., Кондратьев И.Г., Фролов A.A. Нелинейное поглощение электромагнитного излучения неоднородной плазмой. В сб. Взаимодействиее и самовоздействие волн в нелинейных средах, ред. С.С.Моисеев, Ф.Хакимов. - Душанбе: До-ниш, 1988. Т.1. С.7-47

34А Алиев Ю.М., Жаров A.A. К теории Отражения импульсов сильного электромагнитного излучения от плазмы. VI Всес. конф. Взаимодействие электромагнитных излучений с плазмой. Душанбе, 1991. Тезисы докладов. С.105

35А Aliev Yu.M., Boardman A.D., Xie K., Zharov A.A. Conserved energy approximation to wave scattering by a nonlinear interface. // Phys. Rev. E. 1994. V.49. P. 1624-1633

36A Жаров A.A., Котов А.К. О нелинейном согласовании электромагнитных волн с плоским плазменным слоем. // Физика плазмы. 1984. Т.10. С.584-588

37А Aliev Yu.M., Boardman A.D., Xie К., Smirnov A.I., Zharov A.A. Spatial dynamics if self-consistent waveguides near to interfaces between linear and nonlinear media. CLEO/Europ'94, Amsterdam, 1994. Abstracts. P. 6 5

38A Aliev Yu.M., Boardman A.D., Xie K., Smirnov A.I., Zharov A.A. Spatial dynamics of soliton-like channels near to interfaces between optically linear and nonlinear media. // Phys. Rev. E. 1996. (to be published)

39A Boardman A.D., Xie K., Zharov A.A. Polarization interaction of spatial solitons in optical planar waveguides. // Phys. Rev. A. 1995. V.51. P.692-705

Содержание

Введение 6

Отражение и прохождение электромагнитных волн через плоскослоистые неоднородные среды в условиях возбуждения квазилокализованных приповерхностных мод 48

1.1 Эффект просветления многослойных структур.......51

1.2 Прохождение широких электромагнитных пучков через многослойные структуры в режиме просветления .....57

1.3 Метод фазовых диаграмм в электродинамике плоскослоистых структур..........................65

1.4 Тензор эффективной диэлектрической проницаемости мелкомасштабных многослойных структур ...........74

1.5 Селективные свойства тонких многослойных плазменных пленок............ ...................76

1.6 Спектроскопия многослойных структур методом нарушенного полного внутреннего отражения (НПВО) ....... 89

1.7 Эффект безотражательного резонансного поглощения в неоднородной изотропной плазме ......................103

Параметрические эффекты в средах с квадратичной нелинейностью в условиях возбуждения собственных квазилокализованных мод 114

2.1 Генерация второй гармоники излучения в резонансных приповерхностных плазмоподобных пленках........... 116

2.2 Генерация низкочастотного электромагнитного излучения в плазменных пленках под воздействием бигармонической накачки ...................................124

2.3 Взаимодействие параметрически связанных поверхностных волн на границе раздела сред, содержащей тонкий переходный слой...........................130

2.4 Самовозбуждение квазистационарного магнитного поля в области плазменного резонанса неоднородной плазмы . . .146

Возбуждение, излучение и рассеяние поверхностных электромагнитных волн в средах с кубичной нелинейностыо162

3.1 Оптическая бистабильность тонких пленок.........165

3.2 Нелинейное возбуждение поверхностных электромагнитных волн в оптически бистабильных пленках ....... 176

3.3 Нелинейное возбуждение ПЭВ на границе раздела линей--ной и нелинейной сред пересекающимися электромагнитными пучками...... ............................186

3.4 Рассеяние пучков на ПЭВ ................... 201

3.5 Излучение энергии ПЭВ из тонких пленок нелинейных сред206

Нелинейное согласование электромагнитного излучения с неоднородной плазмой 217

4.1 Полное поглощение электромагнитных волн плавно неоднородной плазмой со стрикционной нелинейностью (эффект самосогласования) . . :..................218

4.2 Влияние различных типов нелинейности на эффект резонансного поглощения электромагнитного излучения неоднородной плазмой....................... 225

4.3 Влияние генерации квазистационарного магнитного поля

на эффект самосогласования .................. 234

Рассёяние пучков и импульсов электромагнитного излучения грмшцей раздела линейной и нелинейной фокусирующей сред 240

5.1 Теория стационарного отражения плоской монохроматической волны от нелинейной среды (пространственно-однородный случай) ..........::...... ...... 244

5.2 Уравнение переноса энергии в нелинейной среде ......250

5.3 Нестационарное отражение плоской монохроматической волны от нелинейной среды ......... 255

5.4 Стационарное рассеяние-широких волновых пучков нелинейной средой ....... ^ ..... ;............262

5.5 Нестационарное рассеяние электромагнитных пучков и пакетов нелинейной средой .....................274

5.6 Влияние слабой диссипации в нелинейной среде на рассеяние волновых структур . ................... 282

5.7 Полное нелинейное поглощение электромагнитных волн однородным закритическим плазменным слоем.......288

Динамика радиационыо затухающих нелинейных поверхностных волн вблизи границы раздела линейной и нелинейной сред 295

6.1 Вывод исходных уравнений ..................297

6.2 Динамика самосогласованных волноводных каналов в отсутствие накачки (режим " свободного" высвечивания) . . 306

6.3 Траектории движения самосогласованных волноводных каналов в слое нелинейной среды ...............317

6.4 Устойчивость стационарных радиационно затухающих нелинейных поверхностных волн в поле плоской монохроматической волны ..........................318

6.5 Взаимодействие радиационно затухающих НПВ с падающими широкими волновыми пучками ............323

Заключение 334

Литература

341