Ф И З И Ч Е С К И Й   Ф А К У Л Ь Т Е Т   М Г У   и м е н и   М . В . Л О М О Н О С О В А

Кафедра фотоники и физики микроволн

Заглавная страница
Новости
История кафедры
Лаборатории
Сотрудники
Спецкурсы
Спецпрактикум
Студентам
младших курсов
Аспирантам
Практикум по радиоэлектронике
Школа-семинар по волновым явлениям
Фотоальбом
Полезные ссылки
English


Волны в слоистых средах

(10 семестр, 32 часа)

Физическая модель среды. Металлы, полупроводники, диэлектрики. Комплексная диэлектрическая проницаемость (показатель преломления). Частотная дисперсия. Пространственная дисперсия. Физика взаимодействия электромагнитной волны со средой.

Волновое сопротивление (импеданс). Постоянная распространения. Граница раздела двух сред. Закон сохранения волновой энергии. Линейное и нелинейное взаимодействие волна-среда. Интерференция и дифракция волн. Люксембург-Горьковский эффект. Явление кросс-модуляции. Фотоника.

Слой. Интерференция в слое. Методы расчета амплитудных и фазовых характеристик интерферирующих волн в слое. Метод импедансных характеристик в радиофизике. Матричная методика в оптике. Расчет модуля и фазы коэффициента отражения и пропускания в слое с поглощением. Особенности отражательной способности четвертьволновых и полуволновых слоев. Условия полного поглощения волновой энергии в слое с поглощением. Уравнение, описывающее все множество локальных максимумов поглощения волновой энергии в слое с малыми потерями. Однослойный поглотитель волновой энергии для сильноотражающих (металлических) сред на эффекте волноводной дисперсии.

Многослойные резонансные структуры (четвертьволновые, полуволновые, комбинированные). Периодические резонансные многослойные структуры. Методы синтеза структур такого класса. Полиномы Чебышева 2-го рода. Аналитические формулы для коэффициентов отражения, пропускания и поглощения волн при распространении через структуры такого класса различной структурной конфигурации с учетом малых (паразитных) потерь в слоях. Амплитудные, фазовые и энергетические инварианты такого класса структур. Многослойные зеркала, делители и просветляющие покрытия. Преимущества и недостатки многослойных резонансных структур.

Многослойный интерференционный поглотитель волновой энергии (МИП). Симметричные и несимметричные многослойные системы. Постановка задачи об обеспечении полного поглощения волновой энергии в слабопоглощающем слое произвольной толщины. Теория синтеза МИП. Теорема Абеля. Аналитические соотношения для синтеза МИП.

Структурные и волновые свойства МИП. МИП на основе симметричных многослойных структур. Максимально возможное поглощение в рабочем слое. МИП на основе несимметричных многослойных структур. Максимально возможное поглощение в рабочем слое. Частотная перестройка МИП. Прием и управление электромагнитным излучением. МИП в оптическом, инфракрасном и микроволновом диапазонах.

Тонкослойные интерференционные структуры (ТИС). Постановка задачи. Система исходных уравнений. Тривиальные (резонансные) и нетривиальные (тонкослойные) решения. Аналитические методы нахождения нетривиальных решений. Свойства полиномов Чебышева 2-го рода для случая нерезонансных толщин слоев многослойных структур. Аналитические соотношения для синтеза ТИС c двухслойным периодом. Основные структурные, частотные, энергетические и фазовые инварианты ТИС.

Тонкослойные интерференционные фильтры (ТИФ). Теория синтеза. Основные структурные, частотные и энергетические свойства. Особенности структурных свойств. Синтез ТИФ с суммарной оптической толщиной меньше четвертьволновой.

Тонкослойные интерференционные структуры с произвольным числом слоев в периоде (N-слойный период). Теория синтеза. Особенности оптических и структурных свойств.

Влияние на оптические и структурные свойства ТИС наклонного падения волны, наличия поглощения в слоях структуры, разброса толщин и показателей преломления слоев. Распространение через резонансные структуры и ТИС параксиальных волновых пучков.

Нестационарные процессы в многослойных структурах. Время установления интерференционной картины. Переходные процессы отражения и прохождения волн. Распространение коротких и сверхкоротких импульсных сигналов через многослойные структуры. Методы анализа переходных временных процессов (Фурье, прямой временной). Явление нестационарного отражения от многослойных структур. Амплитудная и частотная (фазовая) модуляция сигналов. Сжатие импульсов. Преобразование амплитудной модуляции сигналов в фазовую.

Интерференция в пространственно неоднородных средах. Причины и механизмы пространственной неоднородности сред. Фотовозбуждение неравновесных носителей зарядов, диффузия носителей зарядов, теплопроводность, воздействие сильных полей. Пространственная неоднородность действительной и мнимой частей комплексного показателя преломления (диэлектрической проницаемости). Методы расчета волновых характеристик неоднородных сред с произвольной формой пространственной зависимости показателя преломления. Пространственно неоднородная среда - многослойная структура. Численные и аналитические методы анализа и синтеза неоднородных сред.

Теория апериодических многослойных структур. Аналитические выражения для эффективного и эквивалентного показателей преломления апериодических структур и их эквивалентной волновой толщины. Структурные и волновые инварианты апериодических структур. Анализ и синтез апериодических структур. Метод эквивалентных представлений (двух- и трехслойная модели).

Использование свойств резонансных и нерезонансных многослойных интерференционных структур на практике. Прямые и обратные задачи. Задачи синтеза многослойных структур с заданными параметрами. Диагностика и восстановление профиля пространственного распределения параметров неоднородных сред. Метод полевого зондирования. Минимизация функционала невязки. Глобальный и локальные минимумы функционала. Исследование пространственной неоднородности тонких диэлектрических пленок в видимом и инфракрасном диапазонах. Измерения действительной и мнимой частей комплексной диэлектрической проницаемости в микроволновом диапазоне. Пространственно однородные и неоднородные слои. Метод "переменной нагрузки".

Прием оптических и инфракрасных излучений. СВЧ-смещение. Использование явления кросс-модуляции в тонких полупроводниковых пленках для приема ИК сигналов. Приемники ИК- излучений на "горячих носителях" и внутреннем фотоэффекте. СВЧ- приемники миллиметрового излучения. Приемники миллиметровых и субмиллиметровых излучений на джозефсоновских переходах.

Инфракрасная радиометрия. Измерение и контроль температуры и состояния поверхности материалов в инфракрасном диапазоне. Одночастотные и двухчастотные ИК-радиометры. Спектральная селекция с помощью многослойных интерференционных структур.

Лазерная диагностика параметров мощных и сверхмощных микроволновых импульсных излучений на неравновесных носителях зарядов в тонких полупроводниковых пленках. Пространственное и временное разрешение. Явление лазерной стимуляции нестационарного поглощения микроволновой энергии в полупроводниках. Фотоуправление амлитудно-фазовыми характеристиками микроволнового излучения.

ЛИТЕРАТУРА

  1. Бреховских Л.М. Волны в слоистых средах. - М.: Наука, 1973.
  2. Денисов В.И. Лекции по электродинамике. - М.: УНЦ ДО, 2007.
  3. Виноградова М.Б., Руденко О.В., Сухоруков А.П. Теория волн. - М.: Наука, 1990.
  4. Кард П.Г. Анализ и синтез многослойных интерференционных покрытий. - Таллин: Валрус, 1971.
  5. Лебедев И.В. Техника и приборы СВЧ. Т 1, - М.: Высшая школа, 1970.
  6. Смит Р. Полупроводники. - М., 1982.
  7. Желтиков А.М. Оптика микроструктурированных волокон. - М.: Наука, 2004.

Программа составлена проф. А.В. Козарем
Утверждена на заседании кафедры 26.06.2009