Введение к работе
АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ
Необходимость совершенствования лазеров и продолжение процесса освоения области спектра электромагнитных волн, расположенной между видимым и сантиметровым диапазонами, стимулируют создание и модернизацию электродинамических квазиоптических систем.
Распространение электромагнитных волн в открытых резонансных системах (ОРС), в линзовых или зеркальных линиях передач сопровождается формированием волновых пучков, структура поля в поперечном сечении которых, как правило, описывается полиномами Эрмита-Гаусса или ЛагерраТаусса и поле сконцентрировано вблизи оси системы. Продольные размеры таких гауссовых пучков значительно превосходят размеры поперечные, и при их рассмотрении часто используют методы асимптотической теории дифракции.
При экспериментальном изучении гауссовых пучков в оптике и для коррекции их характеристик применяются' средства адаптивной оптики; ряд специфических особенностей поведения волновых пучков изучен при исследовании обращения волнового фронта (ОВФ) и открытых систем (ОС) с ОВФ-зеркалами.
В большинстве применений ' ОРС используются в качестве
электродинамических систем, в которых осуществляется
взаимодействие электромагнитных волн с веществом.
Для устройств с электронным пучком "в миллиметровом-субмиллиметровом диапазонах стало традиционным использование пространственно-развитых резонансных систем, примерами которых являются нерегулярные волноводные системы гиротронов и устройств с высокоэнергетическими электронными пучками, двухзёркальные открытые резонаторы (ОР) с дифракционной решеткой ГДИ-оротронов.
Однако, для эффективной работы современных гиротронов в субмиллиметровом диапазоне необходимы огромные магнитные поля, устройства с релятивистскими пучками требуют использования громоздких ускорительных машин.
Генераторы типа ГДИ-оротронов, как и ЛОВ-генераторы, являясь
устройствами с поверхностной волной, теряют эффективность работы в
субмиллиметровом диапазоне. Твердотельные же генераторы типа ЛПД и
диоды Ганна устойчиво функционируют лишь в миллиметровом
диапазоне. ',..".-.....
Из сказанного выше следует необходимость поиска новых механизмов эффективного взаимодействия электрохмагнитных волн с
веществом, поисков электродинамических систем, способных обеспечить такое взаимодействие.
Несмотря на большое число публикаций по результатам исследований электродинамических систем и их использования в миллиметровом-субмиллиметровом диапазонах, остается нерешенным целый круг задач, связанных с разработкой и применением квазиоптических резонансных систем (КРС).
При их решении необходимо учитывать, что при переходе от светового диапазона, в котором ОРС первоначально начали исследоваться и применяться в качестве электродинамических систем, к более:'длинноволновым диапазонам, где размеры резонансных систем сравнимы с характерными размерами существующих в них волновых пучков, характеристики PC и волновых пучков становятся более взаимозависимыми. Это влечет за собой необходимость подробного и систематического рассмотрения и учета такого взаимовлияния.
До настоящего времени к малоизученным относятся вопросы согласования КРС с внешними трактами, не проведено систематическое исследование свойств двухзеркальных ОР с дифракционным выходом, не рассмотрены1 возможности регулирования параметров такой связи при изменении частоты и геометрии ОР. Нерешенными остаются и отдельные вопросы оптимизации сосредоточенной связи двухзеркальных ОР с внешними трактами, осуществляемой посредством малых одиночных отверстий связи в зеркалах. Однако при использовании ОР в различных устройствах важнейшие характеристики приборов в значительной степени определяются свойствами и параметрами связи ОР с внешними трактами.
Отсутствуют детальные экспериментальные исследования свойств КРС со слаботочным электронным пучком, маловозмущающим электромагнитное поле PC. Не проведены комплексные исследования и анализ дисперсионных характеристик и эффективности взаимодействия электронного пучка с высшими пространственными гармониками КРС миллиметрового- субмиллиметрового диапазонов с дифракционными решетками с периодом много меньшим длины волны. Результаты таких исследований необходимы при создании приборов с КРС и периодическими структурами.
Использование КРС в качестве резонансных систем в приемных устройствах этих диапазонов являются еще крайне редким. Не созданы, в частности, оптимальные конструкции высокочувствительных электронных детекторов с КРС, стойких к механическим и электрическим перегрузкам.
Неисследованными остаются важные для практических применений модификаций ОРС, сочетающие в себе элементы волноведущих структур
и OP, разнообразные связанные диэлектрические и металлодиэлектрические системы, а также ОР с различными включениями.
Отметим также, что изученные ранее вопросы, относящиеся к электродинамическим системам оптического диапазона, требуют при переходе к миллиметровому-субмилдиметровому диапазонам, как правило, дополнительного рассмотрения и учета краевых эффектов.
Решение обозначенных выше задач связано в основном с проведением экспериментальных исследований и требует создания, совершенствования и автоматизации на современном техническом уровне методик для изучения электродинамических систем.
Таким образом, исследование процессов формирования волновых пучков и явлений дифракции в квазиоптических резонансных системах является актуальным и представляет несомненный научно-практический интерес.
Целью диссертационной работы является изучение преобразования волновых пучков в резонансных системах открытого типа, систематизация влияния возмущающих факторов и дифракции на характеристики КРС.
В работе проводится рассмотрение и учет с единых позиций факторов, определяющих формирование волновых ігучков в различных КРС, и нахождение взаимосвязи геометрии и параметров возмущающих элементов с характеристиками волновых пучков в конкретных КРС.
При этом ставились следующие задачи:
исследование влияния возмущающего действия элементов распределенной и сосредоточенной связи на свойства волновых пучков в отдельных ОР и в цепочке связанных ОР; доведение этих результатов до возможности их практического применения: получение рекомендаций для расчета ОР с заданными характеристиками связи с внешішми трактами;
изучение эффективности взаимодействия электронного пучка с электромагнитными полями в ОРС, в том числе и с пространственными гармониками периодических структур, экспериментальное определение дисперсионных свойств КРС с электронным пучком и выявление наиболее, эффективных режимов для использования в конкретных приборах; реализация макета электронного детектора;
рассмотрение свойств систем связанных КРС и ОР с разнообразными включениями;
- создание автоматизированного комплекса и отработка методик для исследования ОРС и свойств вещества в миллиметровом диапазоне.
Совокупность представленных в диссертационной работе результатов
мржно квалифицировать как новое крупное достижение в развитии
научного направления на стыке оптики, лазерной физики и радиофизики
миллиметрового- субмиллиметрового диапазонов
В результате проведенных в рамках диссертационной работы исследований получены новые научные представления о физических свойствах широкого класса электродинамических систем открытого .типа, характеристиках различных типов связи с внешними трактами и влиянии дифракции на формирование волновых пучков в таких системах. Предложены и апробованы новые решения при создании приборов с резонансными системами такого типа.
В работе получены следующие новые результаты:
1. Проведено комплексное изучение вопросов формирования волновых пучков в двухзеркальных ОР с конфигурацией отражателей, близкой к границе устойчивости; при этом впервые
получены аналитические соотношения ( и области их применимости), определяющие электродинамические характеристики таких ОР при возбуждении в них низших типов колебаний,
найдены условия, необходимые для осуществления в концентрических ОР перестраиваемой дифракционной связи с внешними трактами; с применением нового подхода определены пределы изменения апертуры, радиусов кривизны зеркал и расстояния между ними при работе ОР в одномодовом режиме для получения необходимых характеристик дифракционной связи - ; рабочего диапазона и коэффициента связи. Это позволило расйитать, изготовить и экспериментально исследовать полуконцентрический ОР для применения в качестве резонансной системы микротрона субмиллиметрового диапазона.;
2,-Выполнен цикл исследований КРС с периодическими структурами в холодном и горячем ( с электронным пучком) режимах работы. Впервые с применением новых методик в КРС с дифракционными решетками экспериментально обнаружено взаимодействие слаботочного электронного пучка с высшими гармониками (вплоть до десятой) в дифракционном режиме, в режимах ЛОВ и ЛЕВ.
Результаты проведенных исследований использованы при создании новых приборов - электровакуумного детектора, с КРС с периодической структурой, ГДИ-автодина, а также ГДИ-оротрона с улучшенными характеристиками, (уменьшенными пусковыми токами, ускоряющими напряжениями и фокусирующими магнитными полями).
3. Проанализированы свойства сосредоточенной связи с внешними
трактами двухзеркалышх ОР при использовании для этих целей малых
отверстий в зеркалах. Получено соотношение между амплитудой поля в ОР
и в Подводящем прямоугольном волноводе при возбуждении в ОР
основного типа колебания. Изучена зависимость отношения этих амплитуд
от геометрии и параметров резонатора, сформулированы условия
оптимизации такой связи, выработаны рекомендации для различных
применений ОР с таким; типом : связи. Результаты проведенного
рассмотрения подтверждены экспериментально в миллиметровом
диапазоне. ' : .
4., Проделан анализ возмущающего действия малого сферического тела в шарообразном резонаторе, а также тонкого диэлектрического стержня, плоскослоистого тела, сверхразмерного круглого волновода, размещенных в двухзеркалышх ОР, на характеристики резонаторов. Полученные при этом теоретические и экспериментальные результаты использованы как при разработке резонансных систем приборов, так и для целей диагностики вещества. С применением новой универсальной методики в миллиметровом диапазоне исследованы свойства диэлектриков, слабоионизированной плазмы, BTCIL
5. Для исследования КРС в миллиметровом диапазоне создан автоматизированный комплекс, позволяющий изучать как электродинамические характеристики резонансных систем ( спектр, распределение поля типов колебаний, добротность), так и исследовать свойства вещества. Использование этого комплекса позволило исследовать КРС (с большой точностью и достоверностью) при фиксированной и изменяемой геометрии, а также значительно ускорить и упростить процесс обработки и получения результатов в окончательной форме.
В представленной диссертационной работе решен большой круг задач, связанных с разработкой, исследованием и применением электродинамических систем открытого типа.
С целью применения.; КРС в генераторных схемах к приемных устройствах миллиметрового- субмиллиметрового диапазонов изучены свойства и рассмотрены ; вопросы оптимизации . дифракционной и сосредоточенной связи двухзеркалышх ОР с внешними трактами. С этой же целью проведены комплексные исследования дисперсионных характеристик КРС с периодическими структурами и эффективности
взаимодействия электронного пучка с высшими пространственными гармониками в таких системах.
Совокупность полученных результатов послужила основой для выработки рекомендаций по оптимизации конструкций электронных приборов типа ГДИ-оротронов, привела к созданию электронного детектора с КРС.
Практическая значимость работы заключается и в том, что в процессе ее выполнения предложен и реализован ряд оригинальных методик как для исследования характеристик различных ОРС, так и для изучения свойств вещества.
Ряд научных и научно-производственных учреждений использовали в своей практике результаты, полученные в данной диссертации:
для НИИ ядерной физики при Томском политехнического институте рассчитаны и изготовлены двухзеркаяьные ОР с дифракционной связью для применения в ЛСЭ субмиллиметрового диапазона длин волн,
для института спектроскопии АН России (г. Троицк Московской области) разработан, элементный узел - двухэлектродный промежуток с виртуальным катодом - для газового спектранализатора;
в ІІДИИМАШе (г. Калининград Московской области) использованы методики и результаты исследования диэлектриков и слабоионизованной плазмы,
в институте радиофизики и электроники АН Украины (г.Харьков) при создании ГДИ-автодина использованы результаты, полученные ранее при исследовании дисперсионных характеристик ОРС и электровакуумного детектора с виртуальным катодом;
- в научно-исследовательском объединении "Исток" (г. Фрязино
Московской области) применены методики исследования ОРС при
помощи промежутка с виртуальным катодом, с использованием
элементов вакуумной технологии этого объединения создан
экспериментальный экземпляр электровакуумного детектора
миллиметрового диапазона.
1. Достаточная для практики точность расчетов, электродинамических характеристик двухзеркальных: OP. с зеркалами слабо искривленными вблизи плоской геометрии обеспечивается применением теории возмущений и матриц рассеяния при числах Френеля 0,5 из-за резкого уменьшения потерь при переходе в устойчивую область (g = l-L/R, где R, L -соответственно радиус кривизны зеркал и расстояние между зеркалами). Для двухзеркальных ОР с геометрией близкой к концентрической эти результаты обобщаются с применением принципа эквивалентности ОР. 2. Перестройка по длине двухзеркального концентрического ОР с 3. Путем развития квазиоптического подхода к расчету При осуществлении сосредоточенной связи двухзеркальных ОР с внешними трактами посредством малых одиночных круглых отверстий связи в центре зеркал, эффективное согласование достигается при оптимальном радиусе отверстия связи,.; определяемом из полученного соотношения. Наилучшее согласование сферического (или полусферического) ОР с внешними металлическими волноводными трактами (с волной 1) осуществляется нри уменьшении радиуса кривизны зеркал и при наименьших возможных расстояниях между отражателями, либо при L>R\2. Дифракционные решетки с периодом много меньшим рабочей длины волны, размещенные на одном из отражателей КРС, способны формировать вблизи своей поверхности электромагнитное поле такой структуры, которое обеспечивает эффективное взаимодействие с пропускаемым вблизи их поверхности в вакууме электронным пучком как на основных, так и на высших гармониках не только в дифракционном и ЛОВ-режимах, но и в режиме типа ЛЕВ. Режим типа ЛЕВ характерен для низкодобротных КРС, состоящих из двух отражателей - рупора и плоского зеркала с дифракционной решеткой, в которых за счет наклонного падения электромагнитной волны резонансного колебания КРС на дифракционную решетку наиболее благоприятны условия для формирования поверхностных волн. Двухэлектродный промежуток с электронным пучком в вакууме в режиме задерживающего потенциала (в частности - с виртуальным катодом) является удобным и достаточно чувствительным элементом при его использовании в качестве инструмента для исследования дисперсионных характеристик ОРС с дифракционными решетками или внутреннего детектирующего элемента в электронных приборах с КРС. Соотношения для расчета спектров и добротности двухзеркального полусферического ОР с малопоглощающим плоскослоистым телом и шарообразного ОР с образцом в форме сферы служат целям исследования свойств твердого тела. Автоматизированный комплекс, созданный на базе персонального компьютера, позволяет не только значительно упростить и ускорить (почти в 100 раз по сравнению с ручными измерениями) процесс экспериментальных исследований электродинамических характеристик КРС в миллиметровом диапазоне, но и проводить диагностические исследования вещества, при этом за счет оригинального схемного и программного решений комплекс позволяет исследовать во всем миллиметровом диапазоне практически любые ОРС как с перестраиваемой, так и с фиксированной геометрией, расширяет предел измеряемых значений добротности (почти в 10 раз, с повышением точности измерений), отстраивается от внешних и внутренних помех и улучшает разрешение при одновременном возбуждении КРС на нескольких типах колебаний. : 8. Для двухзеркального полусферического ОР со сверхразмерным Постановка задач по исследованию квазиоптических резонансных систем и диагностике вещества, а также идея создания и реализация оригинальных методик измерений и автоматизированного комплекса, принадлежат автору. Осуществление продвижения электронных детекторов с виртуальным катодом в миллиметровьій-субмиллимеїровьш диапазоны с использованием ОРС предложено доцентом А.И.Костиенко и ныне покойными профессором М.Н.Девятковым и доцентом Ю.В.Гороховым. Совместно с ними выполнены и опубликованы соответствующие работы. На начальных стадиях работы в проведении исследований по виртуальному катоду и ОР принимал участие Ю.А.Пирогов; он соавтор по этим работам. А.П. Сухоруко в был инициатором проведения исследований высокотемпературных сверхпроводников; совместно с ним опубликованы работы по диагностике вещества. Совместно с В.Г.Богомоловым выполнены работы по исследованию ОР с дифракционным выходом. В соавторстве с А.Ф.Королевым и Н.Д.Бояринцевым выполнены работы по ОР с цилиндрическими трубами и резонаторам с дифракционным выходом. Совместно с Ю.К.Алексеевым опубликованы работы по исследованию ОР с плоскослоистым телом, диагностике вещества и применению ОР в электронике. В.И.Ктиторов -соавтор в работах по ОР с сосредоточенной связью. Автор принимал самое непосредственное участие во всех этапах Помощь в проведении экспериментальных исследований и расчетов осуществляли А.К.Малышкин, Е.Р.Канунов и студенты-дипломники 1968-1999 годов выпуска. Автор выражает всем, принявшим участие в работе, искреннюю признательность и благодарность. ДОСТОВЕРНОСТЬ РЕЗУЛЬТАТОВ - зависит, в основном, от надежности и точности методик, применяемых в исследованиях. Проработка этих методик проводилась с особой тщательностью и осуществлялся контроль за точностью совпадения экспериментальных и теоретических результатов; при этом анализировалось также соответствие получаемых результатов общим физическим принципам и закономерностям. Основные результаты диссертационной работы докладывались на следующих конференциях и семинарах: - Всесоюзных конференциях по электронике СВЧ (Минск-1969, .-VI Всесоюзной конференции по физике вакуумного ультрафиолетового излучения и взаимодействия излучения с веществом (Москва-1982), IV Всесоюзном семинаре по релятивистской высокочастотной электронике (Москва-1984); Всесоюзном научном семинаре "Методы синтеза и применение многослойных интерференционных систем" (Москва-1984), . , VIII Всесоюзном симпозиуме по сильноточной электронике (Свердловск-1990); Всесоюзном семинаре "Математическое моделирование и применение явлений дифракции" (Москва-1990), Всесоюзных конференциях "Физические проблемы волоконнооптической связи" (Севастополь-1990, Севастополь-1991); Всесоюзной конференции "Радиофизическая информатика" (Москва-1990), Всесоюзных школах-семинарах "Физика и применение микроволн" (Москва-1991, Москва-1993, Москва-1995); Международных конференциях "Физические проблемы оптической связи и обработки информации" (Севастополь-1992, Севастополь-1993), . Международной конференции "Signals and systems" (Женева-1992); Международной . конференции "Information processings" (США, Флорида, Орланда-1993), Международной конференции "Systems, analys, control and desing" (Лондон-1993), Международной конференции "Information and Systems, methods applied to engineerings problems" (Мальта, Средиземноморье-1993), Международных конференциях "Advanced lasers technologies" (Прага, Чехия-1993, Констанц, Германия-1994); -Всероссийской школе-семинаре:, "Волновые; явления в неоднородных средах" (Москва-1994Д996), Международной конференции НАТО: "Optical Resonators - Science and Engineering" (Смоленица, Словакия,, 199.7); Международной конференции "Оптика лазеров-98" (Санкт-Петербург, 1998); - VI Международной конференции "Лазерные технологии-98"(Шатура> III Международном симпозиуме "Физика и применение миллиметровых и субмиллиметровьгх волн" (Харьков, 1998); III Международной конференции "Antenna: Theory and Techniques''(CeBacTorom>, 1999); Международной межуниверситетской конференции "Electronics and Radiophysics of Ultra-High Frequencies" (Саша-Петербург, 1999), Конференции "Оптика-99" (Санкт-Петербург, 1999); Ломоносовских чтениях МГУ (Москва-1984, Москва-1989); Научных семинарах физического факультета МГУ, научного объединения "Исток" (г.Фрязино Московской области), института электронного машиностроения (г. Москва), ЦНИИМАШа (г. Калининград Московской области), НИИ ядерной физики при Томском политехническом институте, института радиофизики и электроники АН Украины (г.Харьков), института общей физики РАН, государственного оптического института РАН (г. Санкт-Петербург), института Физических проблем РАН им. академика П.Л.Капицы. Основные результаты диссертации изложены в 89 научных публикациях; список 60 основных из них приведен в конце автореферата. СТРУКТУРА И ОБЪЕМ ДИССЕРТАЦИИ
зеркалами разной апертуры в область неустойчивой геометрии приводит
для основного типа колебаний (при условии пропорциональности апертур
зеркал их радиусам кривизны) к уменьшению относительной амплитуды
поля на краях большего зеркала и преобладанию потерь на краях меньшего
зеркала. Такая трансформация в распределении поля на зеркалах
концентрического ОР позволяет реализовать новый тип связи с внешними
трактами - регулируемую дифракционную связь. Эффективное
регулирование или поддержание постоянной величины дифракционной
связи при' изменении в широких пределах частоты возбуждения ОР в
одномодовом режиме работы осуществляется путем незначительного
изменения расстояния между зеркалами ОР вблизи концентрической
геометрии, причем наиболее эффективно это происходит при Ri/R2<0,5
(Ri,R2 - радиусы кривизны зеркал).
двухзеркальных почти концентрических ОР с дифракционной связью
определяются все геометрические параметры таких резонаторов:
размеры апертуры, радиусы кривизны зеркал и расстояние между ними
для получения необходимого коэффициента связи в заданном
рабочем диапазоне.
волноводом вне апертуры зеркал характерным является немонотонность
изменения потерь при изменении отношения радиуса кривизны
сферического зеркала (R) к длине волновода (Lb) - R/Lb, потери в такой
системе минимальны.при R/Lb=0.5 . В зависимости от длины волновода
добротность такого ОР меняется периодически, достигая максимальных
значений при нечетном числе четверти волны в волноводе. Добротность
двухзеркального ОР с плоскими зеркалами и диэлектрическим стержнем
вдоль оси системы монотонно возрастает при уменьшении диаметра
стержня, в случае слабопоглощающего тонкого стержня добротность такой
КРС достигает значений (1.5- 2)-102.
выполнения диссертационной работы от планирования исследований, их
проведения, анализа результатов и формулировки выводов до подготовки
публикаций. -
Томск-1972, Минск-1983, Орджоникидзе-1986),
1998); - ,. -Похожие диссертации на Формирование волновых пучков и явления дифракции в квазиоптических резонансных системах
