WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 |
Волгоградский государственный университет

На правах рукописи

Дубовой Егор Сергеевич ДИФРАКЦИЯ ПЛОСКИХ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН НА СЛОИСТЫХ КИРАЛЬНЫХ СТРУКТУРАХ Специальность 01.04.03 – Радиофизика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Волгоград – 2006

Работа выполнена на кафедре прикладной физики Волгоградского государственного университета

Научный консультант:

доктор технических наук, профессор В.В. Яцышен

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор И.П. Руденок кандидат физико-математических наук, доцент О.В. Осипов

Ведущая организация:

УФ ИРЭ РАН, г. Ульяновск

Защита состоится «»2006 г. в _часов на заседании диссертационного совета Д219.003.01 в Поволжской государственной академии телекоммуникаций и информатики по адресу:

443010, г. Самара, ул. Льва Толстого, д.23.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ПГАТИ.

Автореферат разослан «» 2006 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук О.В. Горячкин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы Объектом исследований в данной работе служат материалы, обладающие свойством киральности. Кира или хира () по-гречески означает рука. Этот термин ввел в науку и дал ему определение известный английский ученый-физик Уильям Томсон (1824-1907), более известный как лорд Кельвин. Он определил киральность как свойство объекта не совпадать, не совмещаться со своим зеркальным отображением (в плоском зеркале) ни при каких перемещениях и вращениях.

По своей сути киральность представляет собой проявление асимметрии в живой и неживой природе. Данное явление встречается в самых разных областях естествознания: химия, физика, биология и др.

В оптическом диапазоне киральность проявляется в оптически активных средах. Явление оптической активности было открыто в 1811 году французским ученым Д.Ф. Араго. Феноменологическую модель оптической активности предложил Френель в 1823 г. Она основана на волновой теории света и с позиций современной науки не является достаточно строгой. Квантовую теорию оптической активности построил в 1928 г. Л. Розенфельд. Для объяснения оптической активности оказалось необходимым учитывать взаимодействие электрических и магнитных дипольных моментов, наведенных в молекуле полем проходящей световой волны.

Среда, обладающая киральными свойствами в СВЧ-диапазоне, может быть только искусственной. Киральные «молекулы» на СВЧ – это искусственные проводящие двух- или трехмерные микроэлементы зеркально асимметричной формы, размеры которых значительно меньше длины СВЧ-волны. Киральная среда должна обладать пространственной дисперсией, поэтому зеркально асимметричные микроэлементы должны периодически размещаться на расстояниях, соизмеримых с длиной волны излучения. Таким образом, примером киральной среды, может служить собой совокупность хаотически ориентированных и равномерно распределенных в изотропной диэлектрической среде проводящих зеркально асимметричных элементов.

=3= Основными электромагнитными свойствами киральной среды являются бифуркация нормальных волн и кросс-поляризация поля. Первое свойство заключается в невозможности распространения в киральной среде линейно-поляризованной волны. В ней всегда существуют две волны с право (ПКП) и левокруговыми (ЛКП) поляризациями, обладающие разными фазовыми скоростями. Таким образом, нормальные волны киральной среды являются гибридными и их поля имеют все шесть составляющих векторов электрической и магнитной напряженностей. Именно исходя из этого свойства киральную среду можно классифицировать как взаимную биизотропную среду. Смысл названия заключается в том, что она является изотропной для волн двух круговых поляризаций, которые в ней обязательно возбуждаются.

Второе свойство заключается в изменении поляризации отраженного и прошедшего полей при падении волны на киральную среду. Так, например, при падении волны p-поляризации, в структуре отраженного поля будут присутствовать и p- и s-составляющие. Кроме того, известно, что киральная среда по-разному реагирует на падающие волны ПКП и ЛКП и возможны их взаимные преобразования. Кросс-поляризация отраженного и прошедшего через киральную среду полей объясняется своеобразной формой кирального элемента.

Возросший интерес к исследованию электромагнитных свойств киральных сред связан, прежде всего, с возможностью их применения в СВЧ технике. Главные возможности применения основываются на явлении кроссполяризации поля в киральной среде. На основе киральных материалов возможно создание частотно- и поляризационно-селективных фильтров, преобразователей поляризации, частотно-селективных защитных экранов и т.п. Таким образом данная тема действительно является актуальной.

Исследования киральных сред интенсивно ведутся приблизительно лишь последние двадцать лет. Основоположниками теории взаимодействия электромагнитного поля с киральной средой можно считать Varadan V.V., Varadan V.K., Lakhtakia A., Engheta N.A., Lindell I.V., Sihvola A.H. и др. В России большой вклад в разработку данной теории внесли Третьяков С.А., Шевченко В.В., Сивов А.Н., Шатров А.Д., Каценеленбаум Б.З., Нега=4= нов В.А., Осипов О.В. и ряд других авторов. Активные электродинамические исследования искусственных киральных сред проводятся в Белоруссии. На Украине значительный вклад в развитие электродинамической теории композиционных сред внес Просвирнин С.Л.

Весь спектр задач по исследованию электродинамических свойств киральных сред можно разделить на два больших класса.

Первый класс включает в себя моделирование среды с киральными свойствами путем выбора конкретного зеркально асимметричного элемента, изучения дифракции электромагнитной волны (ЭМВ) на нем и определения материальных параметров. Наиболее часто в качестве таких ассиметричных киральных элементов рассматривают тонкопроволочные спирали, разомкнутые кольца и т.д. В качестве объектов исследований выступают и двумерные ассиметричные элементы: частицы в виде греческой буквы (омега-среда), латинской буквы S и др.

Второй класс задач связан с изучением свойств киральной среды без уточнения ее физической модели при использовании заданных материальных уравнений. Именно к этому классу и относится данная диссертационная работа, а именно, решение задачи о распространении (ЭМВ) в ограниченных киральных средах (отражение, прохождение, эллипсометрия).

Как показал обзор литературы, до сих пор небольшое внимание уделяется электродинамическому моделированию распространения ЭМВ в неоднородных киральных структурах. В данном направлении исследований можно отметить работы Георгиевой Е. и. Иванова О.В в соавторстве с. Семенцовым Д.И. [1, 2], посвященные рассмотрению методом матриц 4xпрохождения и отражения ЭМВ от киральной среды и слоя. Настоящая диссертационная работа рассматривает наряду с другими и этот вопрос.

Цель работы заключается в обобщении метода матриц 4x4 для случая неоднородной киральной структуры, состоящей из произвольного числа киральных слоев, ориентированного на создание преобразователей поляризации ЭМВ.

Основные задачи

работы:

анализ нормальных волн бесконечной киральной среды с использованием подхода, применяющегося обычно для решения подоб=5= ных задач в оптическом диапазоне;

обобщение метода матриц 4x4 для задачи отражения и прохождения плоской ЭМВ через границу раздела диэлектрик – киральная среда на случай эллиптической поляризации падающей волны;

обобщение метода матриц 4x4 для задачи отражения и прохождения плоской ЭМВ через киральный слой на случай эллиптической поляризации падающей волны;

обобщение метода матриц 4x4 на случай падения плоской, эллиптически поляризованной ЭМВ на слоистую среду, состоящую из произвольного числа различных киральных слоев;

разработка новых функциональных устройств, принципы работы которых основаны на электромагнитных свойствах слоистых киральных систем, а именно: преобразователей поляризации и фазовращателей.

Научная новизна работы состоит в разработке следующих новых теоретических положений в электродинамике искусственных киральных сред и структур:

1. Получено условие возникновения в киральной среде продольных волн, исключающее одновременно существование поперечных волн.

2. Рассчитаны параметры разложения диэлектрической проницаемости киральной среды по вектору распространения, позволяющие рассматривать киральную среду как среду с пространственной дисперсией.

3. Материальные уравнения для киральной среды сведены к тензорному виду. Вид тензоров диэлектрической и магнитной проницаемостей позволяет сделать вывод о том, что киральная среда является частным случаем бигиротропной среды.

4. Введена поправка к среднему потоку энергии электромагнитного поля в среде, учитывающая пространственную дисперсию в киральной среде.

Показана выполнимость баланса энергии ЭМВ на границе киральной среды.

5. Обобщен метод матриц 4x4 на случай падения эллиптически поляризованной ЭМВ на неоднородную киральную слоистую систему.

=6= Обоснованность и достоверность результатов работы подтверждается:

использованием строгих теоретических моделей взаимодействия электромагнитных волн с веществом;

сравнением отдельных полученных результатов с расчетными данными, приведенными в научной литературе;

предельными переходами полученных результатов в известные соотношения для диэлектрических структур;

Практическая ценность работы состоит:

в обобщении метода матриц 4x4 для слоистой системы, состоящей из произвольного количества киральных пластинок с различными параметрами и толщинами, при эллиптической поляризации падающей волны;

в подтверждении возможности создания преобразователей поляризации и фазовращателей на основе слоистых киральных структур.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Нормальные волны киральной среды могут быть как поперечными, так и продольными. Условие существования продольной волны исключает существование поперечной и наоборот.

2. Обощенный на случай киральной среды метод матриц 4х4 позволяет точно решать задачи отражения и прохождения плоской ЭМВ через границу раздела диэлектрик – киральная среда, киральный слой и набор киральных пластинок при эллиптически-поляризованной падающей волне.

3. На границе раздела диэлектрик – киральная среда закон сохранения энергии выполняется для всех рассмотренных задач с учетом возбуждения продольных волн.

4. Материальные уравнения для киральной среды могут быть преобразованы к виду, позволяющему рассматривать киральную среду, как среду со слабой пространственной дисперсией.

5. Материальные уравнения для киральной среды сводятся к тензорному виду, из которого следует, что киральная среда – это частный случай бигиротропной среды.

Апробация работы Результаты диссертационной работы докладывались на III Междуна=7= родной научно-технической конференции «Физика и технические приложения волновых процессов» (г. Волгоград, 2004 г.), IV Международной научно-технической конференции «Физика и технические приложения волновых процессов» (г. Нижний Новгород, 2005 г.), X региональной конференции молодых исследователей Волгоградской области (г. Волгоград, 2006 г.), V Международной научно-технической конференции «Физика и технические приложения волновых процессов» (г. Самара, 2006 г.).

Публикации По материалам диссертации опубликовано 8 работ (2 статьи в рецензируемых журналах, 5 статей в сборниках тезисов докладов международных конференций, 1 статья в сборниках тезисов докладов региональных конференций).

Структура и объем диссертации Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников из 154 наименований. Объем диссертации составляет 125 страниц текста, в том числе 26 рисунков.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, определены цели и задачи исследования, показана новизна и практическая ценность работы, перечислены основные положения, выносимые на защиту.

Глава 1 «Обзор литературы» посвящена рассмотрению основных литературных источников по электродинамике сред и искусственных киральных структур. В пункте 1.1 производится постановка задачи диссертационной работы, а также выбираются методы ее решения.

В главе 2 «Нормальные волны киральной среды» рассматриваются собственные волны бесконечной киральной среды на основе спиралей с правой закруткой, описываемой материальными уравнениями следующего вида [3-5]:

D = E - iH, (1) B = µH + iE, где – диэлектрическая проницаемость, µ – магнитная проницаемость, – параметр киральности. Соотношения (1) записаны в Гауссовой системе единиц и справедливы для гармонической зависимости векторов поля от =8= времени.

В п. 2.1.1 автором работы найдено дисперсионное уравнение для нормальных волн киральной среды (в работе использовался метод, применяемый обычно при рассмотрении подобных задач в оптическом диапазоне) и получены четыре решения этого уравнения, учитывающие распространения двух волн в положительном направлении оси z, и двух – в отрицательном. Далее рассмотрены векторы поляризации этих волн и доказано равенство нормировочных коэффициентов, входящих в выражения для векторов поляризаций.

П. 2.1.2 посвящен рассмотрению поляризации нормальных волн киральной среды. В нем строго доказано, что в киральной среде распространяются две волны круговой поляризации, причем одна из них левоциркулярной, а вторая – правоциркулярной поляризациями.

В п. 2.2 получено выражение для вектора Пойнтинга нормальных волн киральной среды в предположении, что величины, µ и действительные:

1 2 2 * * Sz = (1 E1 + 2 E2 )+ + (1 - 2)Re(E1 E2 - E1E2).

(2) 2 µ 4 µ Здесь E1 и E2 – амплитуды нормальных волн, а коэффициенты 1 и определяются выражениями:

2 mx mx 1 = 1-, 2 = 1-, (3) 2 m1 m где mi (i = 1, 2 ) – нормированные векторы распространения нормальных волн.

В п. 2.3 рассмотрен алгоритм нахождения параметров, позволяющих трактовать киральную среду, как среду, обладающую пространственной дисперсией. Хорошо известно следующее разложение диэлектрической проницаемости по волновому вектору [6]:

Pages:     || 2 | 3 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»