Введение к работе
Актуальность темы. Волноводные структуры являются базовым элементом телекоммуникационной и измерительной техники во всех диапазонах длин волн электромагнитного излучения: от метровых до нанометро-вых. Одной из особенностей волноводных структур является зависимость выбора их поперечных размеров от диапазона рабочих длин волн. Эффективно, из-за наличия критических частот, с одной стороны, и возможности возбуждения высших типов волн, с другой стороны, каждый волновод используется только в сравнительно узком диапазоне частот. Особенности распространения волн в волноведущих структурах и взаимодействия с материальными средами не позволяют создать единую оптимальную во всех диапазонах конфигурацию волноводной структуры. Это привело к разработке большого числа конструкций волноводов в каждом диапазоне длин волн. Электродинамика, в силу своего прикладного характера, направлена на исследование и разработку устройств в областях прозрачности, включаемых в них структур и материалов. При длине волны больше критической (сопоставимой с поперечными размерами волновода) волновод становится запредельным и не представляет в подавляющем большинстве случаев практического интереса. Кроме того, анализ этого режима сильно усложняется из-за комплексного характера волн. По этой причине систематического исследования параметров запредельных структур не проводилось до последнего времени, до той поры, когда возникла проблема доступа к объектам, размеры которых существенно меньше длины волны излучения (субволновых). В оптическом диапазоне -это доступ к большому числу новых наноразмерных оптоэлектронных устройств, таких как наногенераторы, светоизлучающие диоды, лазеры.
В изучении физических свойств поверхности вещества большое внимание последнее время привлекает техника ближневолновой микроскопии, основанная на применении квазиточечных источников излучения. Наиболее распространенным вариантом является конусообразный переход от волновода обычного сечения к источнику излучения с площадью поверхности S« X2. Диаметр такого выходного отверстия меньше, чем радиус отсечки большинства мод, возбуждаемых на входе в зонд, поэтому используются затухающие типы волн, из-за чего получаемые источники излучения являются малоинтенсивными. Уровень затухания в волноводах слишком велик для их практического использования даже в измерительной технике. При этом невозможность уменьшения поперечных размеров меньше критических без перехода в запредельный режим является фундаментальным ограничением. Поэтому поиск возможностей расширения области применения волноводов в технике элементов субволновых размеров является актуальной задачей и в тоже время весьма сложной из-за комплексного характера решений дисперсионных уравнений.
Запредельные свойства характерны не только для волноводных структур, но и для сред с сильной дисперсией параметров (плазма, ферриты, сверхрешетки, метаматериалы и др.). Возможности изменения свойств запре-
дельных структур или запредельных сред для их использования в запредельных областях частот, как показано в диссертационной работе, возможно за счет использования активных (усиливающих) сред, что позволяет существенно расширить возможности измерительной и телекоммуникационной техники, обеспечить передачу энергии в недоступные в настоящее время области пространства (в том числе к объектам субволновых размеров), обеспечить новые возможности в решении задач миниатюризации волноводнои техники различных частотных диапазонов. Это показывает актуальность темы диссертации, посвященной исследованию физических свойств и расчету электродинамических параметров запредельных волноводных структур с активными средами и самих запредельных сред с активными параметрами.
Цель работы заключается в теоретическом исследовании особенностей распространения электромагнитных волн в дисперсных изотропных и анизотропных средах с активными параметрами в запредельных областях частот, комплексных электродинамических параметров волноводных структур с активными средами в запредельных областях частот; особенностей отражения волн от запредельных сред и волноводов, заполненных активными средами.
Методы исследований. Основу работы составляют методы математического моделирования электромагнитных процессов, математический аппарат технической электродинамики, численный анализ комплексных электродинамических параметров волноводных структур.
Научная новизна
Определены условия запредельности и установлены особенности распространения электромагнитных волн в запредельных диапазонах частот в различных дисперсных изотропных и анизотропных средах (гироэлектриче-ских и гиромагнитных) с активными и диссипативными параметрами. Установлены условия прозрачности дисперсных сред в запредельной области частот, стимулированной активностью параметров сред.
Рассмотрены особенности распространения основной и высших типов волн в экранированных волноводных структурах (включающих активные среды с учетом дисперсии и анизотропии их параметров) в запредельной области частот. Установлены условия интенсивного усиления волн в запредельных волноводных структурах за счет введения в них активных сред различной физической природы (в частности полупроводников с отрицательной дифференциальной проводимостью).
Установлены особенности отражения волн от границ разделов запредельных сред различного типа (диэлектрики, полупроводники, плазма, гиро-магнетики и др.) с активными в запредельной области частот параметрами (в частности, GaAs, GaxAli_xAs). Обнаружен эффект аномально высокого коэффициента отражения и прохождения на границе раздела активной и диссипа-тивной запредельных сред.
Рассмотрены особенности отражения волн от различных неоднородно-стей в запредельных волноводных структурах с активными средами.
5. Показана возможность эффективного использования запредельных волноводных структур с активными средами в создании новых управляемых функциональных элементов, в создании элементов субволновых размеров.
Научная и практическая ценность работы.
Научная ценность диссертации заключается в том, что полученные в ней результаты расширяют и углубляют физические представления: об условиях распространения электромагнитных волн в средах и в волноводных структурах, описываемых комплексными параметрами, на область запредельных частот и запредельных параметров волноводных структур; о влиянии дисперсии и анизотропии сред на условия прохождения и отражения электромагнитных волн через границы раздела сред с запредельными активными параметрами.
Обнаружены эффекты усиления основных и высших типов волн в различных типах волноводных структур при распространении и отражении от границ разделов прозрачных и запредельных участков. Установлено, что запредельные структуры при введении активных (усиливающих) сред позволяют реализовать более высокий коэффициент усиления, чем структуры в полосах их прозрачности.
Практическая ценность заключается в сформулированных в диссертации рекомендациях: по расширению сферы использования волноводных структур и сред в область запредельных параметров, по созданию новых элементов волноводной измерительной техники различных частотных диапазонов. Показано, что использование исследованных в диссертационной работе запредельных структур с активными средами позволяет создать новые устройства волноводной техники, а также расширить область применения существующих устройств.
Положения, выносимые на защиту.
Результаты численного исследования комплексных значений волновых чисел дисперсионных характеристик электромагнитных волн в запредельных изотропных и анизотропных средах с активными и диссипативными параметрами. Условия усиления и стимулированной прозрачности запредельных сред.
Дисперсионные характеристики комплексных волновых чисел электромагнитных волн в запредельных экранированных цилиндрических волноводных структурах с полным, частичным, периодическим заполнением активными средами. Условия усиления и стимулированной прозрачности запредельных волноводных структур.
Влияние анизотропии параметров гиротропных сред с электрической и магнитной гиротропией на комплексные решения дисперсионных характеристик экранированных цилиндрических волноводных структур, полностью или частично заполненных гиротропными средами с активными параметрами в запредельных областях длин волн. Результаты численного исследования влияния анизотропии на условия стимулированной прозрачности волноводных структур с запредельными параметрами.
Результаты исследования особенностей взаимодействия электромагнитных волн с границами разделов различных комбинаций прозрачных и за-
предельных сред (изотропных и гиротропных) с активными и диссипативны-ми параметрами. Эффекты резонансного отражения от границ раздела активной и диссипативной запредельных сред.
5. Результаты исследования особенностей отражения электромагнит-
ных волн в запредельных экранированных волноводных структурах от неод-нородностей в виде участков активных сред в зависимости от длины волны, комплексных параметров структур и сред.
Обоснованность и достоверность полученных результатов обеспечивается адекватностью применяемых математических моделей изучаемым физическим процессам, соответствием результатов расчетов исследуемых структур в частных случаях известным результатам теоретических и экспериментальных исследований. Результаты получены на основе электродинамических и математических моделей в рамках классической электродинамики.
Личный вклад автора. Приведенные в диссертационной работе аналитические и числовые результаты получены диссертантом.
Апробация работы. Основные результаты работы опубликованы в статьях, докладывались на конференциях: на IX-XYII Российских научно-технических конференциях. Самара, ПГАТИ-ПГУТИ, 2003-2010; на IY международной научно-технической конференции «Проблемы техники и технологии телекоммуникаций: оптические технологии для телекоммуникаций». 26-27 ноября 2006, г. Уфа; на международной конференции Proceeding of SPIE Optical Technologies for Telecommunications 2008, Kazan, RF, 25-27 November, на заочной электронной конференции РАЕ «Фундаментальные и прикладные проблемы физики», 15-20 марта 2006 г.; на IY Общероссийской научной конференции «Современные проблемы науки и образования», Москва, 17-19 февраля 2009 г.; на научной международной конференции «Приоритетные направления развития науки, технологий и техники», Шарм-эль-шейх, Египет, 29 ноября 2009 г.
Публикации. Результаты диссертационной работы отражены в 28 публикациях, в том числе: 1 монография, 13 статей (из них 8 в журналах по списку ВАК, в том числе 4 статьи по направлению физика), тезисы докладов международных, российских конференций, в материалах электронных конференций.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы. Она содержит 178 страниц текста, включая 74 рисунка. Библиографический список из 131 наименований.
