Диссертация (1103230), страница 4
Текст из файла (страница 4)
Так в работах [15,16]обсуждается и обосновывается перспектива применения коротких электромагнитных импульсов в системах радиолокации и комплексах радиоэлектронной борьбы.На сегодняшний день в оптике происходит переход от импульсов фемтосекундной продолжительности к импульсам, продолжительность которых измеряется в аттосекундах [40].Столь короткие импульсы неизбежно имеют достаточно широкий спектр, поэтому работа сподобными импульсами накладывает дополнительные требования на устройства для управления и их анализа.
Такие элементы, как, например, зеркала, должны, во-первых обладатьтребуемыми амплитудно-частотными и фазовыми характеристикам в широком диапазонедлин волн; во-вторых, эти параметры должны быть стабильны в широком спектральномдиапазоне.С другой стороны, при распространении короткого электромагнитного импульса в веществе его форма может существенно изменяться вследствие дисперсии [41–43].
Отсюда возникает дополнительная задача компенсации изменений характеристик импульса, вызванныхдисперсией среды.Из сказанного выше видно, что применение коротких и сверхкоротких электромагнитных импульсов открывает для науки новые возможности и ставит новые задачи. Одной изних является управление формой электромагнитного сигнала. Задачи генерации и измерения параметров электромагнитных импульсов малой длительности являются также крайневажными задачами современной экспериментальной физики.1.2Преобразование импульсов многослойными структурамиКак известно [44–48], для управления электромагнитными сигналами большой длительности широко применяются многослойные структуры, методы анализа и синтеза которых внастоящее время достаточно хорошо отработаны.
Но практика применения многослойныхструктур для управления импульсами малой длительности выявила наличие целого рядановых эффектов [11, 17–20, 25], что делает задачу исследования взаимодействия коротких исверхкоротких электромагнитных импульсов с многослойными структурами весьма актуальной.15При взаимодействии электромагнитного сигнала с многослойной структурой в результате интерференции волн, отраженных от ее слоев, формируются прошедший и отраженныйсигналы. При большой длительности падающего сигнала время установления стационарногопроцесса в многослойной структуре пренебрежимо мало по сравнению с длительностью сигнала, и поэтому влияние нестационарного процесса на формирование отраженного и прошедшего сигналов не рассматривается.
В случае коротких импульсов длительность переходногопроцесса может стать сравнимой с длительностью сигнала. В таких случаях учет влияниянестационарного процесса в структуре на формирование отраженного и прошедшего сигналов становится необходимым. Более того, в отличие от устройств для управления импульсамибольшой длительности, при синтезе многослойных структур для коротких и сверхкороткихимпульсов приходится обращать особое внимание на их дисперсионные характеристики [42].1.2.1Многослойные диэлектрические зеркалаДостаточно полно задача синтеза многослойных устройств для управления короткими и сверхкороткими импульсами была решена для зеркал. Поскольку зеркала являютсянеотъемлемой частью оптических резонаторов, работа над данной задачей была начата впервую очередь.
При этом были разработаны не только зеркала с широкой рабочей полосойи заданной дисперсионной характеристикой, например, [49], но и многослойные структурынового класса, так называемые «чирпирующие зеркала». Чирпирующие зеркала имеют отрицательную групповую дисперсию в рабочей полосе частот и позволяют сжимать импульсы cчастотной модуляцией [4], [5], [6], [7].Анализ многослойных зеркал первоначально базировался на спектральном подходе [44].Были также разработаны численные и рекуррентные методы, позволяющие снизить количество требуемых вычислений для решения подобных задач по сравнению с методом Фурье.С развитием вычислительной техники для анализа взаимодействия импульсных сигналов смногослойными структурами активно стали применяться численные методы, такие, как метод конечных разностей во временной области [50], [51].
Применение этих методов совместнос алгоритмами оптимизации многослойных структур позволило уменьшить время, требуемоедля создания многослойного зеркала с заданными характеристиками, а также улучшить егопараметры.Например, авторы работы [52] провели комплексное исследование возможности создания зеркала на базе молибден-кремниевой апериодической структуры для работы в аттосекундном диапазоне. В теоретической части их работы предлагается ряд параметров, позволяющих определить эффективные конфигурации предполагаемой апериодической структуры,и проводится численное моделирование с целью нахождения оптимального набора толщинслоев.16Интересным является тот факт, что оптимальное число слоев оказывается существенноменьшим, чем используется в периодических структурах (двадцать против пятидесяти), ипри этом достигается достаточная ширина рабочего диапазона.Практическая часть работы заключается в создании реального зеркала с рассчитанными в теоретической части параметрами.
Представлены результаты экспериментальногоисследования его характеристик и проведено сравнение фактического результата с теоретически рассчитанными значениями. Данное сравнение показывает, что выбранный методчисленного моделирования действительно позволяет эффективно рассчитать характеристики зеркала, а созданное реальное зеркало обладает всеми заявленными характеристиками.В дальнейшем были предприняты попытки аналитического описания апериодическихзеркал. Так в работе [5] авторы рассматривают характеристики многослойного зеркала с апериодической структурой специального вида и предлагают полуаналитический метод расчетаего отражающей способности и оптимизации толщин слоев. Хотя фактически получаемая система уравнений крайне сложна и может быть решена только численно, данный метод, темне менее, позволяет отказаться от использования методов типа Монте-Карло, требующихсущественных затрат времени на расчет заведомо неудачных конфигураций.В качестве примера применения предложенного метода авторы рассчитывают отражающую способность апериодического зеркала, толщина первых двенадцати (из двадцати пяти)слоев которого возрастает, например, согласно формуле: = ,12 4(1.1) — толщина слоя номер , — длина волны отражаемого света в вакууме, — показательпреломления вещества, — параметр отвечающий за вид кривой возрастания толщины, = 1соответствует линейному возрастанию толщины, = 2 - квадратичному.
Слои, начиная сдвенадцатого, в обоих случаях имеют четвертьволновую толщину.Численные расчеты показали, что такая апериодичность толщины слоев позволяет существенно снизить осцилляции групповой дисперсии, характерные для зеркал с периодической структурой. Спроектированное, а впоследствии изготовленное зеркало, обладает отрицательной групповой дисперсией, требуемой для генерации коротких импульсов из падающего на зеркало чирпированного импульса. Авторам работы удалось, используя созданноезеркало и титан-сапфировый лазер с синхронизацией мод, сконструировать генератор самоиндуцированных сверхкоротких импульсов с длительностью 6.5 фемтосекунд.В работе отмечается, что использование аналитического подхода к проектированию зеркал позволяет полностью избежать ряда недостатков, таких, как возникновение внутреннихрезонансов, негативно влияющих на характеристики зеркала.Хотя на сегодняшний день на рынке уже существует большое количество коммерческидоступных оптических зеркал для работы с сверхкороткими оптическими импульсами, исследования в этой области продолжаются.
В первую очередь они направлены на разработкузеркал, способных эффективно работать в области ультрафиолетового [53] и рентгеновско17го излучения, а также на разработку новых алгоритмов их синтеза и численной оптимизации [54, 55].1.2.2типаМногослойные диэлектрические структуры неотражающегоСуществует большое количество публикаций, которые касаются вопроса взаимодействия электромагнитных импульсов малой длительности с многослойными зеркалами [4–7, 52–55].
Несмотря на это, количество работ, затрагивающих вопрос взаимодействия сверхкоротких и коротких электромагнитных импульсов с многослойными структурами неотражающего типа, а также посвященных проблемам их синтеза, существенно меньше. К данномутипу структур, в первую очередь, можно отнести многослойные просветляющие покрытия,фильтры, поляризаторы [24].Вопрос распространения сверхкоротких световых импульсов через оптические устройства рассмотрен, например, в [41–43].
Однако основной акцент авторы работ делают на общих закономерностях, без детализации геометрических характеристик и типа оптическогоустройства. Характеристики устройства в этих работах задаются его комплексным коэффициентом передачи. Для анализа авторами применяется спектральный подход к описаниювзаимодействия коротких световых импульсов с оптическими устройствами, а также преобразование Фурье. Рассматривается задача фильтрации частотно-модулированного (ЧМ)импульса фильтром с гауссовым коэффициентом передачи.
Показано, что крайне важнымпараметром, влияющим на изменение длительности импульса, является ширина полосы пропускания фильтра относительно ширины спектра падающего на фильтр сигнала. При узкополосном сигнале длительность прошедшего через фильтр сигнала не изменяется, в противномслучае происходит его уширение.
Также отмечается, что в случае падения широкополосногосигнала с частотной модуляцией на фильтр с узкой полосой возможно практически полноеподавление модуляции.Спектральный анализ взаимодействия сверхкоротких импульсов с многослойнымиструктурами применяется не всегда. Так анализ во временной области проведен в статьях[8, 9], посвященных вопросу взаимодействия электромагнитных импульсов с многослойными интерференционными фильтрами. Однако в них приведены лишь результаты численногорасчета, без подробного обсуждения механизмов формирования прошедшего и отраженногосигналов.В ряде публикаций сообщается о наблюдении в ходе численного эксперимента расщепления отраженного импульса.
В работах [10, 11] был проведен подробный анализ отражениясверхкоротких электромагнитных импульсов от многослойного фильтра. Было показано, чтоотраженный сигнал может расщепляться на серию коротких импульсов. Рассмотрение ведется от простых моделей апериодического многослойного фильтра к более сложным. Основная18цель работы [11] — синтез многослойных широкополосных фильтров с применением методаконечных разностей во временной области и генетического алгоритма [12]. Оптимизацияпроизводится во временной и частотной областях.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
