Интерференционные явления в слоистых структурах и их применение в задачах приема сигналов и диагностики неоднородных сред

Московский государственный университет им. М.В.ЛомоносоваФизический факультетНа правах рукописиУДК 538.566:621.372:535.417:539.293:537.87Козарь Анатолий ВикторовичИНТЕРФЕРЕНЦИОННЫЕ ЯВЛЕНИЯ В СЛОИСТЫХ СТРУКТУРАХ И ИХПРИМЕНЕНИЕ В ЗАДАЧАХ ПРИЕМА СИГНАЛОВ И ДИАГНОСТИКИНЕОДНОРОДНЫХ СРЕДСпециальность : 01.04.03. – радиофизика; 01.04.05. - оптикаДИССЕРТАЦИЯв виде научного доклада на соискание ученой степенидоктора физико-математических наукМосква 2004г.1Работа выполнена на кафедре радиофизики физического факультетаМосковского государственного университета им. М.В.Ломоносова.Официальные оппоненты:доктор физико-математических наук,чл.-корр. РАН, профессорТрубецковД.И.доктор физико-математических наук,профессорЖелтиковА.М.доктор физико-математических наук,профессорА.А. ВолковВедущая организация: Институт радиотехники и электроники (ИРЭ) РАН,г.Москва.Защита состоится “_18_” _ноября__2004 г.

в _15__час. на заседаниидиссертационного Совета Д 501.001.67 при Московском государственномуниверситете им. М.В. Ломоносова по адресу: 119899, Москва, Ленинские горы,МГУ, физический факультет, ауд._ЦФА_С диссертацией в виде научного доклада можно ознакомиться в библиотекефизического факультета МГУ.Диссертация в виде научного доклада разослана “_14__”_октября__2004 г.Ученый СекретарьДиссертационного Совета,доцентА.Ф. КоролевИНТЕРФЕРЕНЦИОННЫЕ ЯВЛЕНИЯ В СЛОИСТЫХ СТРУКТУРАХ ПРИРЕШЕНИИ ЗАДАЧ ПРИЕМА СИГНАЛОВ И ДИАГНОСТИКИНЕОДНОРОДНЫХ СРЕДОГЛАВЛЕНИЕВведение.Общая характеристика работы.Часть I.Теоретический анализ интерференционных явлений при распространенииэлектромагнитных волн в слоистых структурах.I.Постановка задачи.Методы анализа распространения волн в неоднородныхсредах.1.Матричный метод.2.Метод импедансных характеристик.II.Интерференционные явления в резонансных структурах.1.Интерференционные явления в слое с поглощением.2.Интерференционные явления в многослойных резонансных структурах споглощением.2.1.Многослойный интерференционный поглотитель волновой энергии.2.1.1.Спектральные характеристики.2.1.2.Перестройка по резонансной частоте и полосе поглощения.3.Явлениеволноводнойдисперсии.Однослойноесогласованиевысокоотражающих нагрузок на СВЧ.III.Тонкослойные интерференционные структуры.1.Оптические и структурные свойства.2.Спектральные характеристики.3.Тонкослойные интерференционные фильтры.3.1.Структурные свойства.3.2.Спектральные характеристики.4.Тонкослойные структуры с трехслойным периодом.5.Зависимость характеристик тонкослойных структур от угла падения плоскойволны.6.Особенности прохождения параксиальных пучков через тонкослойныеструктуры.7.Влияние малых потерь в слоях тонкослойных структур на их оптическиехарактеристики.8.Влияние вариации показателей преломления и толщин слоев на оптическиехарактеристики тонкослойных структур.9.Тонкослойные структуры с многослойным периодом.10.Апериодические структуры.IV.Явление нестационарного отражения электромагнитных волн от слоистыхсогласующих структур.1.Отражение волн с изменяющейся амплитудой от слоистых структур.2.Преобразование импульсов с помощью слоистых согласующих структур.Часть II.Экспериментальноеисследованиевозможностииспользованияинтерференционных явлений в слоистых средах для приема сигналов идиагностики неоднородных сред.I.Исследование электрофизических параметров сред.1.Исследование электрофизических параметров диэлектрических пленок воптическом диапазоне.2.Исследованиеэлектрофизическихпараметровполупроводниковидиэлектриков на СВЧ.II.Прием излучений.1.Прием инфракрасных излучений.1.1.Влияние диффузионных процессов на характеристики приемников с СВЧсмещением.1.2.Анализ шумовых характеристик.1.3.Предельная чувствительность и полоса пропускания.1.4.Экспериментальное исследование характеристик приемника ИК-излученийсСВЧ-смещением.2.Приемники миллиметровых излучений на горячих носителях.2.1.Двухчастотный резонатор.2.2Анализ шумовых характеристик.2.3.Предельная чувствительность.2.4.Экспериментальное исследование приемника ММВ.3.Приемники ММВ и СубММВ на эффекте Джозефсона.3.1.Джозефсоновские переходы.3.2.Согласование джозефсоновских переходов с волноведущей линией.III.

Инфракрасная радиометрия.1.Пироэлектрический радиометр средних ИК-излучений.2.Двухволновая ИК-радиометрия.2.1.Двухволновой ИК-радиометр для измерения температуры при лазернойтермообработке деталей.2.2.Двухволновой ИК-радиометр для измерения температуры сильно нагретыхгазовых потоков.IV.Кросс-модуляционные эффекты на неравновесных носителях заряда вполупроводниках при лазерной диагностике и управлении СВЧ-излучением.1.Лазерная диагностика мощных СВЧ-излучений на неравновесных носителяхзаряда в полупроводниках.2.Явление лазерной стимуляции нестационарного поглощения СВЧ-энергии вполупроводниках.3.Фотоуправление СВЧ-мощностью на основе эффектовкросс-модуляции иволноводной дисперсии.V.Интерференционные явления в биологии и медицине.ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫВведение и актуальность темы. Практически во всех процессах взаимодействияэлектромагнитных волн с материальными средами исключительно важную роль играет такоефундаментальное явление, как интерференция.

Изучение интерференционной картиныпозволяет получить комплексную информацию об объекте, будь то среда с пространственнонеоднородным распределением ее электрофизических параметров или сложный объект –структура, моделируемая совокупностью однородных или неоднородных сред. Использованиеинтерференционных эффектов позволяет создать условия для эффективного взаимодействияэлектромагнитного поля со средой, обеспечив максимальную передачу среде энергии волны взаданном спектральном диапазоне (просветляющие покрытия, фильтры, делители и т.п.),реализовать накопление энергии поля на основе интерференционных зеркальных систем(металлических, многослойных диэлектрических, металлодиэлектрических и т.п.).Взаимодействие волны и среды можно охарактеризовать тремя величинами:комплексными коэффициентами отражения и пропускания и энергетическим коэффициентомпоглощения, которые связаны законом сохранения энергии.

Эти феноменологическиепараметры определяются, вообще говоря, всей совокупностью физических процессов,сопровождающих распространение электромагнитной волны в среде. Потоки энергии,определяемые этими тремя характеристиками, могут зависеть от многих факторов:напряженности поля, частоты и угла падения волны, вида модуляции, временивзаимодействия и т.п., которые, в свою очередь, зависят как от надмолекулярного строенияданной среды, так и от ее макроструктуры. Наиболее часто используются следующиепараметры: комплексная диэлектрическая проницаемость среды (в радиофизике СВЧ) икомплексный показатель преломления (в оптике), действительная и мнимая части которых ихарактеризуют как внутреннее строение, так и отклик среды в конкретных условияхрассматриваемого взаимодействия.Всю совокупность проблем взаимодействия электромагнитных волн со средой можноразбить на два класса: определение структуры рассеянного (преломленного, отраженного,прошедшего поля) по известным характеристикам материального объекта – это прямая задача,и восстановление физических свойств среды по измеренным характеристикам рассеянногополя - это обратная задача.

Каждый из этих классов задач представляет собой широкое поледля теоретических и экспериментальных исследований.В настоящей работе представлены основные результаты теоретических иэкспериментальных исследований автора, проведенных им на кафедре радиофизикифизического факультета МГУ в период с 1969 г. и относящихся к интерференционнымявлениям при взаимодействии электромагнитных волн с различного рода слоистонеоднородными средами, как в рамках прямой, так и обратной задач. На момент проведенияисследований, результаты которых представлены ниже, аналогичные работы либо непроводились вовсе, либо соответствующие явления были изучены недостаточно.

Изматериалов оригинальных работ автора, связанных с исследованиями дифракцииэлектромагнитных волн на объектах различной конфигурации, экспериментальными итеоретическимиисследованиямидиффузиинеравновесныхносителейзарядав2полупроводниках, развитием специальной технологии изготовления джозефсоновскихпереходов и двумерных решеток из них, использованы лишь те результаты, которые имеютпрямое отношение к теме доклада. В тексте доклада даны ссылки на соответствующиепубликации, из которых можно получить исчерпывающую информацию об этих результатах.Цели и задачи работы.Основные цели работы связаны с теоретическим и экспериментальным исследованиеминтерференционных явлений при распространении и взаимодействии электромагнитных волнсо слоисто-неоднородными средами, нахождением физических закономерностей, позволяющихустановить связь между электрофизическими и структурными свойствами сред ихарактеристиками интерференционной картины, анализом и обобщением этих связей ивыработкой рекомендаций для построения оптимальных алгоритмов решения задач приема,диагностики и управления электромагнитным излучением, а также задач диагностики иуправления электрофизическими параметрами и состоянием слоисто-неоднородных сред.Основные задачи, которые стояли при реализации поставленных целей исследований,включали:-выбор обобщенной физической модели среды и математического метода анализаформирования интерференционной картины при взаимодействии волны со средой;-нахождение и анализ связи электрофизических и структурных параметров слоистойсреды и ее волновых свойств (коэффициентов отражения, пропускания и поглощения);-обобщение полученных результатов и разработка новых алгоритмов синтеза и анализаслоисто-неоднородных сред;-проведение экспериментальных исследований с целью проверки достоверностианалитических результатов и выработки конкретных рекомендаций для их практическойреализации.Научная новизна работы.Научную новизну работы определяют новые результаты, впервые полученные в процессевыполнения исследований, в частности:-проведен комплексный теоретический и экспериментальный анализ влиянияэлектрофизических и структурных параметров слоистых и слоисто-неоднородных сред на ихволновые характеристики; получены аналитические соотношения, позволяющие находитьоптимальные решения задач приема и преобразования электромагнитных излучений идиагностики параметров и состояния слоисто-неоднородных сред;-впервые определены условия полного поглощения энергии электромагнитной волны вслабо поглощающем слое;-показано, что полное поглощение волновой энергии в слабо поглощающем слоепроизвольной толщины возможно только при несимметричном его расположенииотносительно волновых параметров граничных с ним сред;-впервые для обеспечения полного поглощения волновой энергии в слабо поглощающемслое произвольной толщины предложено использовать многослойный интерференционныйпоглотитель волновой энергии, представляющий собой многослойные диэлектрическиеструктуры с различным числом слоев, обрамляющие слабо поглощающий слой.