Содержание к диссертации
Стр.
ВВЕДЕНИЕ 4
Глава I. ОБЩИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ МНОГОСЛОЙНЫХ ИНТЕРФЕРЕН
ЦИОННЫХ СТРУКТУР 13
1.1. Методы анализа и синтеза многослойных интерфе
ренционных структур 4........ 14
1.2. Одночастотный синтез неотражающих многослойных
структур 21
1.3. Распределение волновых полей в резонансно-
слоистых системах 30
Глава II. СПЕКТРАЛЬНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ МНОГОСЛОЙНЫХ
ИНТЕРФЕРЕНЦИОННЫХ СИСТЕМ 37
2.1. Спектральные характеристики многослойных интер
ференционных поглотителей в окрестности основ
ного резонанса 38
2.2. Спектральные характеристики многослойных
периодических структур при наклонном падении
излучения 46
2.3. Многослойный интерференционный поглотитель на
основе высокоотражающей металлической подложки.. 61 2.4. Многослойный интерференционный поглотитель
с тонким слабопоглощающим слоем ...69
Глава III. СИСТЕМЫ С НАРУШЕННЫМ ПОЛНЫМ ВНУТРЕННИМ
ОТРАЖЕНИЕМ 76
3.1. Анализ и синтез слоистых структур с нарушенным
полным внутренним отражением 77
3.2, Слоистые диэлектрические структуры в запредель
ных металлических волноводах . 84
3.3. Тонкопленочные электронные интерферометры 96
Глава ІУ. НЕСТАЦИОНАРНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СЛОИСТЫХ
ИНТЕРФЕРЕНЦИОННЫХ СТРУКТУР 108
4.1. Методы анализа нестационарных характеристик
слоистых систем 109
4.2. Нестационарные характеристики многослойных
интерференционных систем резонансного типа ..... 117 4.3. Нестационарные характеристики нерезонансных
слоистых структур 125
4.4. Экспериментальное исследование нестационарных
режимов слоистых структур 135
Глава У. НЕКОТОРЫЕ ПРИМЕНЕНИЯ РЕЗОНАНСНО-СЛОИСТЫХ
СТРУКТУР В РАДИОФИЗИКЕ И ОПТИКЕ 141
5.1. Фотоуправляемые устройства СВЧ 141
5.2. Селективные приемники инфракрасных излучений
на основе МИП и их применение в Ж-радиометрии.. 153
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 164
ПРИЛОЖЕНИЕ 168
ЛИТЕРАТУРА 170
Введение к работе
Область применения многослойных интерференционных систем (МИС) охватывает широкий диапазон электромагнитных волн в радиофизике (от СВЧ до рентгеновских), акустику, физику твердого тела, физику плазмы и др.; явление интерференции волн различной физической природы лежит в основе работы ряда твердотельных и плазменных устройств, систем с электронными потоками и т.п. Широкое применение МИС обусловлено, прежде всего, исключительно большими возможностями формирования их спектральных характеристик, сочетающимися с конструктивной простотой МИС -достаточно подобрать соответствующие материалы слоев, задать их толщину, порядок следования и общее количество слоев в структуре.
Вместе с тем определение указанных параметров многослойных систем, обладающих необходимыми спектральными характеристиками, является сложной задачей, решение которой в общем случае требует привлечения ЭВМ. Принимая во внимание естественную взаимосвязь спектральных характеристик МИС со структурными свойствами последних, решение задачи синтеза в целом ряде случаев можно существенно упростить.
В настоящей диссертации основное внимание уделяется исследованию многослойных структур резонансного типа, на спектральной характеристике которых имеется один или несколько ярко выраженных экстремумов (пропускания Т, поглощения W или отражения R ). Благодаря этому свойству резонансные МИС широко применяются в качестве полосовых фильтров, селективных поглощающих и отражающих систем и т.д. В некотором роде они представляют собой своеобразную модификацию интерферометра Фабри-Перо, в качестве зеркал которого используются периодические
многослойные структуры или металлические покрытия. Как известно, спектральные характеристики таких систем (в частности, ширина резонансных пиков) определяются отражательной:.способ-ностью зеркал - таким образом, задача формирования необходимых спектральных характеристик системы сводится в основном к анализу и синтезу спектральных характеристик зеркал.
Резонансные свойства МИС связаны с накоплением волновой энергии в системе и, следовательно, с возрастанием амплитуд полей в слоях - их величина в том или ином слое возрастает с увеличением коэффициента отражения подсистем, обрамляющих данный слой. Использование этого свойства является одним из методов увеличения эффективности взаимодействия падающего излучения со слабопоглощающими слоями. В этом случае даже малое изменение волновых параметров слоев приводит к значительному изменению интегральных характеристик слоистой системы - на этом основано действие различного рода устройств, управляющих параметрами волны (амплитудой, частотой или фазой). Включение чувствительного к внешнему воздействию элемента (полупроводниковой вставки, сегнетоэлектрика и т.п.) позволяет существенно уменьшить уровень мощности управляющего сигнала, и поскольку система при этом обладает высокой селективностью к частоте излучения, эти достоинства делают МИС весьма перспективными для использования, например, в интегральной СВЧ-электронике.
С возрастанием полей увеличивается поглощаемая.каждым слоем волновая энергия, а следовательно, и коэффициент поглощения W системы в целом - это используется в многослойных интерференционных поглотителях (МИП) волновой энергии с тонким слабопоглощающим слоем. Если к резонансному слою примыкает металлическое зеркало, то поглощение в последнем также будет
возрастать при увеличении амплитуды стоячей волны в слое, что и происходит в МИП на основе высокоотражающей подложки. Поглощенная энергия мокет преобразовываться в другие виды (тепловую, энергию возбужденных неравновесных носителей и т.д.) и регистрироваться каким-либо способом - такие детекторы излучений являются селективными устройствами и могут обеспечивать практически полное преобразование волновой энергии в полезный отклик.
Свойства многослойных структур существенно зависят от угла падения волны, так как при этом изменяются френелевские коэффициенты отражения от границ слоев и эффективные оптические толщины. Вследствие этих причин резонансные структуры проявляют ярко выраженное свойство пространственной селекции принимаемых излучений. Зависимость положения резонансных пиков поглощения (в МИП) и пропускания (в фильтрах) от угла падения волны позволяет, кроме того, производить плавную перестройку МИП или фильтров по частоте. Некоторые особенности на спектральных характеристиках структур проявляются вблизи брюстеровских углов падения р-поляризованной волны. Исследование этих и других вопросов также представляет значительный практический интерес.
При достаточно больших углах падения волны на структуру в некоторых слоях могут наблюдаться режимы полного внутреннего отражения. Спектральные характеристики такого рода систем имеют ряд примечательных особенностей: высокая добротность резонансных пиков может быть достигнута при малом.количестве слоев; отсутствуют побочные максимумы пропускания (в случае фильтров) или поглощения (в МИП) в значительно более широкой полосе частот, нежели для систем обычного типа.
В СВЧ-диапазоне слоистые диэлектрические структуры распо-
лагаются, как правило, в металлическом волноводе. Однако физические процессы, происходящие в этих и плоскопараллельных неограниченных в поперечном направлении слоистых системах, и их свойства эквивалентны, так как согласно концепции парциальных волн любая волноводная мода может быть представлена в виде суперпозиции плоских волн, наклонно падающих на диэлектрическую слоистую структуру с бесконечными в поперечном направлении размерами. В частности, системами с полным внутренним отражением являются диэлектрические структуры с запредельным режимом работы волновода в отдельных слоях. Они также широко применяются в СВЧ-диапазоне.
Глубокая физическая аналогия наблюдается между проникновением электромагнитных волн через слои с полным внутренним отражением и квантовым туннелированием свободных электронов через потенциальные барьеры. Более того, система из нескольких близко расположенных потенциальных барьеров может проявлять резонансные свойства, обусловленные эффектами резонансного возрастания плотности вероятности нахождения электронов в отдельных слоях. На вольт-амперной характеристике таких систем появляются участки с отрицательным сопротивлением, что мояет быть использовано (и такие попытки предпринимаются) для создания усилительных и генераторных устройств. Анализ и синтез такого рода электронно-волновых слоистых систем может проводиться на основе методики, разработанной для МИС электромагнитного диапазона; для этого достаточно установить соответствие между характеристическими волновыми параметрами обоих типов систем.
За последнее время в связи с быстрым развитием физики сверхкоротких лазерных импульсов, СВЧ-радиолокации с повышен-
ной разрешающей способностью и т.д. актуальное значение приобретает вопрос о нестационарных характеристиках многослойных интерференционных систем. Естественно, временные свойства МИС однозначно определяются их стационарными спектральными характеристиками, что позволяет использовать методы Фурье-анализа. Однако эти методы, как правило, требуют проведения значительных по объему расчетов на ЭВМ, что усложняет анализ и, тем более, синтез МИС с оптимальными временными характеристиками. Для этого более эффективными оказываются методы исследования нестационарных характеристик непосредственно во временной области.
Отметим, что с целью последовательного изложения материала актуальность и современный уровень развития рассматриваемых проблем более подробно раскрывается в соответствующих главах и параграфах диссертации.
Исходя из вышесказанного, сформулируем основные задачи, рассмотренные в данной диссертации:
Проведение анализа интерференционных явлений в электродинамических слоистых структурах, расположенных в свободном пространстве или волноведущей линии, и процессов интерференции электронных волн де-Бройля в слоистых металло-диэлек-трических слоистых структурах. Исследование спектрально-угловых характеристик электродинамических многослойных систем, в том числе систем с полным внутренним отражением, и электрических характеристик металло-диэлектрических структур. Определение волновых полей в слоях МИС.
Разработка методов синтеза (как одночастотного, так
и в широком спектральном диапазоне) многослойных интерферен-. ционных систем резонансного типа.
Разработка методов анализа и исследование нестационарных характеристик многослойных структур резонансного и нерезонансного типа. Синтез структур с оптимальными временными свойствами,
Применение разработанных методов к решению ряда прикладных задач.
Все отмеченные проблемы рассмотрены в настоящей диссертации. Целью исследования являлось проведение теоретического анализа, ЭВМ-моделирования и экспериментального исследования в различных диапазонах электромагнитных волн (инфракрасном, СВЧ и радиодиапазоне) спектрально-временных характеристик многослойных структур, слои которых обладают, вообще говоря, малым поглощением, а внешнее излучение падает под произвольным углом к направлению стратификации структуры.
В ходе диссертационного исследования были предложены и развиты эффективные методы анализа и синтеза многослойных структур, получен ряд новых теоретических и экспериментальных результатов, представляющих научный и практический интерес. На защиту выносятся следующие основные положения:
Разработан единый метод анализа интерференционных явлений как в электродинамических слоистых структурах, расположенных в свободном пространстве или волноведущей линии, так и процессов интерференции электронных волн де-Бройля в слоистых металло-диэлектрических структурах.
Установлен ряд локальных и интегральных структурных инвариантов многослойных интерференционных систем и разработан метод структурных инвариантов, позволяющий эффективно решать задачи синтеза (как одночастотного, так и в широком спек-
тральном диапазоне) МИС резонансного типа, а также позволяющий простым образом находить распределение волновых полей в резонансно-слоистых системах.
3. Развит рекуррентный метод анализа нестационарных режимов в слоистых структурах, позволяющий эффективным образом исследовать переходные процессы в системах резонансного и нерезонансного типа. Разработан метод заданного распределения поля для анализа и синтеза систем резонансного типа с оптимальными временными свойствами.
4-. Предложены и исследованы волноводные фотоуправляемые амплитудные модуляторы СВЧ-излучения резонансного типа со значительно повышенной эффективностью за счет включения управляющего элемента в резонаноный промежуток многослойного фильтра.
Предложены и исследованы многочастотные (гребенчатые) СВЧ-фильтры на основе слоистых диэлектрических структур в запредельном металлическом волноводе.
Теоретически и экспериментально решена задача синтеза многоволнового (многоэлеменгного) многослойного интерференци- ' онного поглотителя инфракрасных волновых излучений на основе единого пироэлектрического детектора и с;^применением его разработан вариант ИК-радиометра с повышенной (за счет применения вибрационного модулятора) точностью измерений.
Теоретически синтезированы согласующие многослойные структуры, обеспечивающие минимальное искажение фронтов импульсов излучений; предложен новый тип структур - формирователей сверхкоротких импульсов.
Материал диссертации содержится в 5 главах, введении, заключении и приложении.
Во введении раскрывается цель исследования, его актуаль-
II -
ность и дается краткая характеристика исследуемых проблем.
В 1-й главе изучаются некоторые общие характеристики многослойных интерференционных систем произвольного вида, слои которых могут обладать малым поглощением. Устанавливается взаимосвязь между интегральными характеристиками МИС и ее локальными параметрами, найдены некоторые локальные структурные инварианты МИС. Решается задача одночастотного синтеза резонансных систем и описана эффективная методика расчета распределения полей по слоям структуры.
Во 2-й главе исследуются спектральные характеристики пе- риодических многослойных структур и многослойных интерференционных поглотителей двух типов в широком спектральном диапазоне при наклонном падении излучения (угол падения вплоть до 5П/2). Определены интегральные структурные инварианты периодических МИС, даются рекомендации по синтезу МИП с подавлением побочных максимумов поглощения.
В' 3-й главе производится обобщение методики анализа слоистых систем на случай систем с нарушенным полным внутренним отражением, в том числе, диэлектрических структур, расположенных в запредельном металлическом волноводе, а также твердотельных тонкопленочных металло-диэлектрических структур с распространяющимися в них электронными волнами де-Бройля. Определяются структурные инварианты для полноотражающих слоев, метод структурных инвариантов полагается в основу синтеза рассматриваемых систем и позволяет достаточно простым путем найти распределения полей в полноотражающих слоях. Исследуются спектральные характеристики периодических диэлектрических структур в запредельном металлическом волноводе с учетом диссипативных потерь в диэлектрике и стенках волновода, рассматриваются
вольт-амперные характеристики тонкопленочных электронных интерферометров.
ІУ глава посвящена исследованию нестационарных режимов в многослойных структурах. Обсуждаются достоинства и недостатки спектрального метода анализа нестационарных характеристик МИС, развивается эффективный рекуррентный метод, с применением которого исследованы характеристики систем резонансного и нерезонансного типа; разработан метод заданного рапреде-ления поля для анализа и синтеза систем резонансного типа с оптимальными временными свойствами. На основе полученных аналитических выражений для амплитуд отраженного и прошедшего через структуру импульса в начальные моменты времени его взаимодействия с МИС решается задача синтеза нерезонансных слоистых систем - согласующих устройств и формирователей сверхкоротких импульсов.
В У главе обсуждаются некоторые прикладные задачи, связанные с применением периодических многослойных структур: исследуются фотоуправляемые резонансные СВЧ-устройства; описывается экспериментальная методика синтеза многоэлементных пироэлектрических МИД и обсуждаются некоторые вопросы их применения в ИК-радиометрии.
В заключении подводятся итоги исследований и формулируются рекомендации по применению полученных результатов и разработанных методик.
В приложение вынесено доказательство существования интег-ралвных структурных инвариантов периодических многослойных структур общего вида и приводятся явные выражения для некоторых из них.
В список цитированной литературы включено 137 работ советских и зарубежных авторов.
- ІЗ -
