Введение к работе
Актуальность проблемы. Вопросы распространения в трансформации волн в неоднородных средах представляют значительный интерес в связи с проблемами проникновения высокочастотных (ВЧ) волн в закритичесхие для падасцего на хеодкгродкий слой излучения заданной частоты а области неоднородных сред, эффективного поглоаения мощного излучения в плотных плазменных слоях и прохождения 34 волн через указакякэ области .
Проникновение в закритичоскке для падавцэго ка неоднородный слой излучения области кохет бать обусловлено либо повышением (из-за нестациояарности среды) частоты исходного поля, либо трансформацией волны падающего поля (без изменения частоты) в другие типы волн, способные переносить энергию через закритические области .
К настоящему времени довольно подробно изучено проникновение пакетов интенсивных ВЧ волн в слабо закритические области неоднородных плазменных срэл, локальное значение критической частоты которых и Cz) незначительно превышает значение частоты падащего на слой излучения ы :
|« (г) - ы I « ш
1 р о ' о
Проникновение в этих случаях обусловлено однократным нелинейным взаимодействием падающей на слой ВЧ волны с вынужденными низкочастотными (НЧ) колебаниями среды в области резонанса. Существенно иной механизм проникновения интенсивных ВЧ волн в закритические области неоднородных сред получил разви-
- і -
тие в последнее время в работах Чена и Гупты и связан с rworoKPATHUi резонансным взаимодействием ВЧ волн с вынужденными НЧ колебаниями неоднородной среды, приводящим к существенному по сравнении со значением частоты исходного ВЧ поля и изменение частоты. В этом случае возможно проникновение падающего на неоднородный слой излучения в сильно закритические области плазмы, локальное значение плазменной частоты в которых ы (г) значительно превышает частоту падающего на плазму из вакуума излучения:
їй (z) - и I > w . 1 р о о
Так, в работе Chen Н.Н., Liu C.S.-Phys. Rev. Lett., 1976,VOL. 37, N11 изучены ускоренно движущиеся и отражающиеся от плотных плазменных слоев солитоны ВЧ поля в кубично нелинейной неоднородной среде с линейным профилем- плотности; в работе Gupta М. R., Som В. К., Dasgupta В. - Phys. Lett., 1978, V0L.69A, N3 рассмотрены солитоны ВЧ поля в кубично нелинейной среде с параболическим барьером плотности и постоянным во времени поглощением; в работе Chen Н. Н., Liu С. S. - Phys. Fluids., 1978,VOL.21, N3 рассмотрено движение нелинейных волновых пакетов в кубично нелинейных плавно неоднородных средах в приближении геометрической оптики.
В случае слабых ВЧ полей, когда их воздействие на параметры среды несущественно, изменение частоты ВЧ. полей может быть обусловлено интенсивными НЧ колебаниями среды. К настоящему времэни довольно подробно изучено параметрическое воздействие интенсивных НЧ волн параметра в исходно однородных Св отсутствие волны параметра) средах С Степанов Н. С. - Изв.вузов. Радиофизика. -1963. -Т. 6, N1. -С. 112-114; Кравцов D.A., Орлов Ю.И.
Геометрическая оптика неоднородных сред. - М. Наука, 1979) и резонаторних системах с переменными размерами ( Баранов В.Н., Широков Ю.М. - 2СЭТФ. -1967.-Т.53,Вып.6С13).). Интерес к данным вопросам был обусловлен интересными-и практически важными эффектами в теории волн на воде С Басович А.Я. .Таланов В.И. Адиабатическое взаимодействие волн // Нелинейные волны. Распространение и взаимодействие волн/ Под ред. А. В. Гапонова-Грехова. - М.: Наука, 1981.) и физики плгзмы . К их числу относятся , в частности, один из возмогших механизмов образования на поверхности океана так называемых "сликов", т.е. облас-тей изменения поверхностного волнения, связанное с внутренними волнами, а также эффект сильной трансформации спектра плазменных волн низкочастотными ионно-звуковыми, который при значительных амплитудах НЧ волн приводит к переносу энергии плазменных волн в область бесстолкновительного поглоаения в плазме.
В данной диссертации рассматривается параметрическое взаимодействие интенсивных НЧ возмуцений с ВЧ волнами в №ощоро1нл средах. Показано существование в неоднородной среде в присутствии НЧ волны параметра УС?.), движущейся с некоторой в общем случае переменной скоростью аСО, перестраиваемых по частоте кСО динамических состояний ВЧ поля, увлекаемых НЧ волной:
t «Cz.O = Щ}єхр[ ij^bdt ] .
I где ? = 2 - $aC7.j
области неоднородных сред. Исследована эффективность возбуждения увлекаемых состояний падающим на плазму из вакуума излучением. Необходимо отметить, что решения с перестраиваиваемой во времени частотой (так называемые "динамические моды") рассматривались и ранее С Баранов В. Н., Широков Ю. М. - ЖЭТФ. -1967.-Т.53,Вьш.6С13). ) применительно к оптическим резонаторним системам с переменными параметрами.
Увлечение пакетов ВЧ волн интенсивными НЧ возмущениями среды рассматривается в предположении, что характерное время изменения параметров НЧ волн xffi велико по сравнение с временем эволюции ВЧ поля твч под действием НЧ волны. Это позволяет найти не только изменение поля увлекаемых ВЧ волн в заданном поле НЧ волны, но и учесть обратное влияние увлекаемого ВЧ поля на НЧ волны. Такое взаимодействие рассматривается на примере увлечения пакетов ЭМ поля в плотную плазму интенсивными ионно-звуковыми волнами.
В диссертации помимо увлечения пакетов слабого ВЧ поля интенсивными НЧ возмущенияии параметров среды рассматриваются динамические состояния пакетов сильных ВЧ полей в неоднородных нелинейных средах как с ионно-звуковой , так и локальной нели-нейностямк. Найдены новые классы решений нелинейного уравнения Шредингера, в которых параметры пакетов перед и за барьероц отличаются лишь знаком фазы Сфазосопряженнке решения). С данными решениями может быть связано прохождение пакетов интенсивных ЭМ полей через сильно закритические области неоднородных плазменных сред.
В средах с параболическим барьером плотности изучены режимы движения пакетов ВЧ поля, отвечающие их "затягиванию" на
вершину барьера плотности. Учет слабых , но конечных, тепловых потерь в данном режиме приводит к возможности полного поглощения пакетов сильного ЭМ поля в окрестности вершины барьера плотности в плотных плазменных слоях.
Иной нестационарный механизм просветления закритических барьеров, рассматриваемый в диссертации - это механизм "доп-леровокого просветления", обусловленный рассеянием ВЧ волн со знакопеременной дисперсией на движущихся неоднородяостях. Движение неоднородностей в этом случае приводит к изменение числа ВЧ волн, рассеиваемых неоднородностью, связанным с возбуждением "доплеровской моды", и приводящим к значительному повышенно коэффициента прохождения ВЧ волн через движущуюся неоднородность по сравнении с величиной коэффициента прохождения ВЧ волн через аналогичную неподвижную неоднородность.
Помимо нестационарных механизмов проникновения ВЧ волн в закритические области неоднородных сред, связанных с изменением частоты ВЧ волн, возможно стационарное (без изменения частоты взаимодействующих волнЗ проникновение и перенос энергии ВЧ поля через закритические для исходного поля области неоднородных сред, обусловленное трансформацией исходной ВЧ волны в волны другого поля, распространяющиеся в указанных областях . В консервативных средах подобная трансформация может приводить к прохождению, а с учетом поглощения трансформируемых мод - к поглощение ВЧ волн в плотных плазменных слоях. Распространение ВЧ волн в неоднородных средах с учетом трансформации в другие типы ВЧ волн к настоящему времени достаточно подробно изучено в случае плавной неоднородности. Взаимодействие ЗМ и плазменных волн на крутых неоднородностях.
размер переходной области которых много меньше длины волны плазменных волн, и границах плазмы носит нерезонансный характер и может быть описано с помощью граничных условий на соответствующих неоднородностях и границах плазмы.
В данной диссертации на основе рассмотрения взаимодействия плазменных волн с поверхностными ЭМ модами барьера плотности изучен механизм, просветления закритических плазменных слоев для падающей на него ленгмюровской волны. Показана возможность прохождения плазменных волн через барьер плотности, непрозрачный для этих волн при отсутствии взаимодействия с квазилокализованными ЭМ модами барьера. При взаимодействии с объемными ЭМ модами показана возможность полной трансформации плазменных волн в отраженные ЭМ. При рассмотрении взаимодействия плазменных волн с затухающими поверхностными ЭМ волнами, распространяющимися вдоль плоской границы плазма-проводник, показана возможность полного поглощения плазменных волн на указанной границе.
Целью диссертации является разработка новых подходов к проблемам проникновения 84 волн в закритические области неоднородных плазменных сред, эффективного поглощения мощного ЭМ излучения в плотных плазменных слоях и прохождения через указанные области , в которых использованы как динамические состояния ВЧ волн, так и эффекты трансформации ВЧ волн в другие типы волн в неоднородных средах. Новизна указанных подходов позволяет говорить о формировании в теории распространения волн в неоднородных нестационарных средах нового направления: динамика перестраиваемых по частоте пакетов ВЧ полей в неоднородных нелинейных и параметрических средах.
- б -
Научная новизна работы состоит в следующем.
-
изучены перестраиваемые по частоте динамические состояния пакетов ВЧ поля в неоднородной среде в присутствии интенсивных НЧ возмущений, движущихся как с постоянной , так и с переменной скоростью. Показана возможность увлечения пакетов ВЧ поля в область высоких значений стационарного потенциала.
-
Подробно изучена эффективность возбуждения квазилока-лизованных динамических состояний ЭМ поля, увлекаемых интенсивными ионно-звуковыми волнами типа уступа сжатия,- падающим на неоднородную плазму из вакуума ЭМ излучением заданной частоты. Показано увеличение коэффициентов возбуждения с ростом номеров возбуждаеных состояний и уменьшением номера возбуждающего состояния.
-
изучены нелинейные динамические состояния пакетов интенсивного ЭМ поля в нелинейной неоднородной плазме. В плазме с параболическим барьером плотности на основе данных состояний исследована возможность транспортировки энергии интенсивного ЭМ поля через сильно закритические области неоднородных плазменных сред.
-
Разработан нестационарный "доплеровский" механизм прохождения ВЧ волн со знакопеременной дисперсией через движущиеся закритические барьеры плотности. Механизм обусловлен возбуждением "доплеровской моды", переносящей энергию через барьер и приводящей к значительному повышению коэффициента прохождения ВЧ волн через движущуюся неоднородность по сравнению с величиной коэффициента прохождения ВЧ волн через аналогичную неподвижную неоднородность.
-
Исследовано резонансное взаимодействие плазменных волн
с квазилокализованными ЭМ модами, распространяющимися вдоль плоскослоистых неоднородностей. Показана возможность полного прохождения плазменных волн через закритические барьеры плотности , осуществляемого при двух значениях углов падения, отвечающих резонансам с квазилокализованными ЭМ модами, обладающих четной и нечетной структурой электрического ПОЛЯ.
Практическая ценность. Результаты, полученные в диссертации при изучении динамических состояний ВЧ полей в неоднородных средах и системах , могут быть использованы при исследовании как проникновения пакетов ЭМ поля в сильно закритические для падающего на неоднородную плазму из вакуума ЭМ излучения области, так и прохождения через них.
Нелинейные динамические состояния "затягивания" пакетов интенсивного ЭМ поля на вершину барьера плотности в неоднородной плазме могут быть использованы для полного поглощения интенсивного ЭМ поля в плотных плазменных слоях.
Полученные в диссертации результаты могут быть использованы в следующих научно-исследовательских учреждениях: Институте атомной энергии РАН (Москва), Физическом институте РАН СМосква), Институте общей физики РАН (Москва), Институте прикладной физики РАН (Нижний Новгород), Институте земного магнетизма и распространения радиоволн РАН (Москва), Нижегородском научно-исследовательском радиофизическом институте, Нижегородском Государственном университете им.Н.И.Лобачевского и др.
Апробация результатов. Материалы диссертации докладывались на II Международной конференции.по поверхностным волнам в плазме и твердых телах (Охрид, Югославия, 1985), VI Международной конференции по физике плазмы (Киев, 1987), XVIII Европей-
ской конференции по взаимодействию лазерного излучения с веществом СПрага,'1987), XIX Международной конференции по явлениям в ионизованных газах (Белград, 1989), V Всесоюзной конференции по взаимодействию электромагнитных излучений с плазмой СТашкент, 1989), XX Международной конференции по явлениям в ионизованных газах (Пиза, Италия, 1991), Международной научной школы-семинара "Динамические и стохастические волновые явления" СН. Новгород, 1992), VI Всесоюзной конференции по взаимодействию электромагнитных излучений с плазмой (Душанбе, 1991), X Всесоюзном симпозиуме по дифракции и распространению волн (Винница, 1990), 5-ом научном семинаре рабочей группы "Волны в атмосфере Солнца" (Иркутск, 1991),. а также на семинарах Института прикладной физики РАН (Н.Новгород), Физического института РАН, Нижегородского политехнического института.
Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 25 работах.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав и заключения. Объем диссертации составляет 190 страниц основного текста и 26 рисунков (26страниц) Список литературы содержит 94 наименования (11 страниц)
