Необычные резонаторы

Показано, что примеры из совершенно разных областей физики – резонансные явления при прохождении электромагнитной волны сквозь случайную среду, сверхвысокая разрешающая способность линзы из «левого материала» (Left-Handed Material), аномальная прозрачность перфорированной оптически толстой металличе...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Опубліковано в: :	Вопросы атомной науки и техники
Дата:	2006
Автори:	Блиох, Ю.П., Блиох, К.Ю., Фрейлихер, В.Д.
Формат:	Стаття
Мова:	Російська
Опубліковано:	Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України 2006
Теми:	Релятивистская и нерелятивистская плазменная СВЧ-электроника
Онлайн доступ:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/80435
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	Необычные резонаторы / Ю.П. Блиох, К.Ю. Блиох, В.Д. Фрейлихер // Вопросы атомной науки и техники. — 2006. — № 5. — С. 15-20. — Бібліогр.: 9 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

_version_	1859713790743937024
author	Блиох, Ю.П. Блиох, К.Ю. Фрейлихер, В.Д.
author_facet	Блиох, Ю.П. Блиох, К.Ю. Фрейлихер, В.Д.
citation_txt	Необычные резонаторы / Ю.П. Блиох, К.Ю. Блиох, В.Д. Фрейлихер // Вопросы атомной науки и техники. — 2006. — № 5. — С. 15-20. — Бібліогр.: 9 назв. — рос.
collection	DSpace DC
container_title	Вопросы атомной науки и техники
description	Показано, что примеры из совершенно разных областей физики – резонансные явления при прохождении электромагнитной волны сквозь случайную среду, сверхвысокая разрешающая способность линзы из «левого материала» (Left-Handed Material), аномальная прозрачность перфорированной оптически толстой металлической пленки, подавление полного внутреннего отражения и полное поглощение электромагнитной волны сверхплотной плазмой – сводятся к решению задач традиционной СВЧ-электроники о прохождении волны через резонатор с полупрозрачными стенками, либо через систему из двух связанных резонаторов. Показано, що приклади із зовсім різних областей фізики – резонансні явища при проходженні електромагнітної хвилі крізь випадкове середовище, надвисока розрізняюча здатність лінзи з «лівого матеріалу» (Left-Handed Material), аномальна прозорість перфорованої оптично товстої металевої плівки, пригнічення повного внутрішнього відбиття та повне поглинання електромагнітної хвилі надщільною плазмою – зводяться до розв’язання задач традиційної НВЧ-електроніки про проходження хвилі крізь резонатор з напівпрозорими стінками, або крізь систему з двох зв’язаних резонаторів. It is shown that the examples from absolutely different physics regions, the such as: the resonant phenomena at electromagnetic wave propagation across an accidental medium; ultra-high resolution ability of lens from a lefthanded material; the anomalous transparence of a perfored optical thich metal film; a suppression of a total internal reflection; and a total absoption of electromagnetic wave by overdense plasmas, have been carried out to a solution of a conventional UHF-electronics problem concerning a wave propagation across either a resonator with the semitransparent walls or system of two connected resonators.
first_indexed	2025-12-01T07:07:01Z
format	Article
fulltext	НЕОБЫЧНЫЕ РЕЗОНАТОРЫ Ю.П. Блиох1, К.Ю. Блиох2, В.Д. Фрейлихер3 1 Технион, Хайфа, Израиль 2 Институт радиоастрономии, Харьков, Украина 3 Университет Бар-Илан, Тель-Авив, Израиль E-mail: bliokh@physics.technion.ac.il Показано, что примеры из совершенно разных областей физики – резонансные явления при прохождении электромагнитной волны сквозь случайную среду, сверхвысокая разрешающая способность линзы из «лево- го материала» (Left-Handed Material), аномальная прозрачность перфорированной оптически толстой метал- лической пленки, подавление полного внутреннего отражения и полное поглощение электромагнитной вол- ны сверхплотной плазмой – сводятся к решению задач традиционной СВЧ-электроники о прохождении вол- ны через резонатор с полупрозрачными стенками, либо через систему из двух связанных резонаторов. PACS: 42.60.Da При распространении электромагнитной волны в 1D случайно-неоднородной среде ее амплитуда убы- вает экспоненциально с расстоянием. Это пример локализации Андерсона [1]. Речь идет, конечно, о статистическом законе: усредненное по многим реа- лизациям пространственное распределение ампли- туды имеет вид /( ) (0) locx la x a e−= , где locl – длина локализации. Если потери в среде отсутствуют, то прозрачность конечного отрезка среды экспоненци- ально мала и почти вся волна отражается от него как от зеркала. Примером этого явления служит стопка прозрачек – она хорошо отражает свет. Случайным элементом в стопке служат толщины пленок и неиз- бежные воздушные зазоры между ними. Но нет пра- вил без исключений. Оказывается, что для данной случайной среды существуют длины волн, для кото- рых коэффициент прохождения ( )T λ близок или даже равен единице (Рис.1). 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 cλ bλ aλ T λ , µ m Рис.1. Зависимость ( )T λ 0 100 200 300 400 500 0 2 4 6 8 10 cλ bλ aλ А м пл ит уд а Номер слоя Рис.2. Распределение амплитуды внутри случайной слоистой среды для длин волн, отмеченных на Рис.1 Это так называемые резонансные состояния. Они характеризуются наличием внутри среды локализо- ванной области с аномально большой амплитудой волн в ней (Рис.2). Следующий пример – идеальная линза Пендри. Здесь речь пойдет о так называемых левых средах (left-handed media в англоязычной литературе). В та- ких искусственно созданных средах групповая и фа- зовая скорости направлены противоположно друг другу. Плоско-параллельная пластина из левой сре- ды действует как собирающая линза и создает трех- мерное изображение источника (Рис.3) Как показал Пендри [2], пластина из «идеальной» левой среды, показатель преломления n которой равен 1− , яв- ляется «идеальной» линзой, разрешающая способ- ность которой бесконечно велика, тогда как разре- шающая способность обычной линзы ограничена длиной волны. Рис.3.Ход лучей в линзе из левого материала Третий пример – аномальная прозрачность пер- форированной металлической пленки, обнаружен- ная впервые Эббесоном и др. [3]. Если в оптически толстой металлической пленке проделать периоди- ческую решетку отверстий, диаметр которых мень- ше длины волны падающего монохроматического света, то при некоторых частотах или углах падения прозрачность такой пленки возрастает на несколько порядков (Рис.4). Рис.4. Резонансное прохождение света через пер- форированную металлическую пленку [3]. 0a – диаметр отверстий ___________________________________________________________ ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2006. № 5. Серия: Плазменная электроника и новые методы ускорения (5), с.15-20. 15 Позже появились работы, в которых показано, что достаточно сделать поверхность пленки периодиче- ски-неоднородной (напр., гофрированной), чтобы по- лучить аномальную резонансную прозрачность. Следующий пример из оптики. При полном вну- треннем отражении интенсивность отраженной вол- ны равна интенсивности падающей волны. Если же на некотором расстоянии от границы раздела поме- стить металлическую пластину, то отраженная вол- на полностью исчезает! Последний пример – полное поглощение электро- магнитной волны на границе сверхплотной плазмы (ленгмюровская частота плазмы намного превышает частоту волны). Такая плазма действует как почти идеальное зеркало. Потери энергии связаны только с диссипативными процессами в скин-слое, который при pω ω< < мал. Поместим между источником вол- ны и границей плазмы дифракционную решетку с пе- риодом, меньшим длины волны. Казалось бы, что ко- эффициент отражения волны от системы решетка- плазма только возрастет. Однако при некотором оп- тимальном расстоянии между решеткой и границей плазмы коэффициент отражения обращается в нуль и вся энергия волны диссипирует в плазме. На первый взгляд во всех приведенных примерах есть только один общий элемент – электромагнитная волна. Все остальные элементы – случайная среда, регулярная левая среда, перфорированная металличе- ская пленка, явление полного внутреннего отражения и, наконец, плотная плазма с дифракционной решет- кой – не имеют ничего общего. Однако все перечис- ленные примеры эквивалентны задаче о прохожде- нии электромагнитной волны через резонатор. Начнем с примера со случайной средой. На Рис.1 изображена типичная зависимость от длины волны ко- эффициента прохождения через случайный образец конечной длины. На Рис.2 представлены распределе- ния амплитуды вдоль образца для различных длин волн. Для длины волны cλ коэффициент прохожде- ния близок к единице, а распределение амплитуды для этого случая наводит на мысль о некотором резо- наторе внутри образца. Можно предположить, что в левой и правой частях образца амплитуда волны экс- поненциально затухает, а средняя часть случайно оказалась прозрачной для данной длины волны. 0 100 200 300 400 500 0 2 4 6 8 10 А м пл ит уд а Номер слоя Рис.5. Амплитуда волны во всем волноводе (жирная линия) и в его частях (тонкие линии) [4] Для проверки этой гипотезы разобьем образец на три указанные части и посмотрим, как волна прохо- дит через каждую из них по отдельности (Рис.5). Действительно, крайние части соответствуют средне- статистическим образцам, в них амплитуда экспонен- циально убывает, а средний участок случайно оказал- ся прозрачным. Такое распределение амплитуды весьма напоминает квантово-механическую задачу о прохождении частицы через двугорбый потенциаль- ный барьер. Известно, что вероятность прохождения через такой барьер резко возрастает, если уровень энергии совпадает с одним из уровней энергии в по- тенциальной яме (резонансное туннелирование). Ре- зонансный коэффициент прохождения определяется выражением: ( )1 2 2 1 2 4 res T T T T T= + − .В случае слу- чайной среды левый и правый отрезки образца – это потенциальные барьеры и их прозрачности соответ- ственно ( )1,2 1,2exp locT l l= − , а средний отрезок – это потенциальная яма. Но что еще интереснее для нас, так это то, что квантово-механическая формула точно совпадает с решением задачи о прохождении волны через резонатор с полупрозрачными стенками. Заме- нив области случайной среды, в которых амплитуда волны экспоненциально убывает, на стенки с соот- ветствующей такому убыванию прозрачностью, мож- но получить точно такое же выражение для коэффи- циента прохождения. Случайная 1D среда в виде волновода со случай- ным диэлектрическим заполнением была экспери- ментально реализована в Queens College, New York [5]. Было опробовано более сотни различных случай- ных конфигураций. Результаты экспериментов оказа- лись обескураживающими. Было обнаружено много резонансных всплесков поля внутри образца, но ни для одного из них не удалось зафиксировать сколько- нибудь заметного роста коэффициента прохождения, который всегда оставался ниже уровня шума. На Рис.6 изображена зависимость интенсивности коле- баний от частоты и положения, полученная в одном из экспериментов. Для объяснения результатов экспе- римента было решено учесть затухание волны в ди- электрике. Характерная длина затухания 1−Γ исполь- зуемого в эксперименте диэлектрика в несколько раз больше длины образца L . Такое малое затухание не может изменить распределение поля в типичных слу- чаях с экспоненциально убывающей амплитудой ко- лебаний, но его влияние на резонансные состояния с большой амплитудой поля крайне велико. Качествен- но понять это довольно просто. Рис. 6. Зависимость интенсивности колебаний от частоты и положения внутри волновода [5] Пусть сначала диссипация отсутствует. Тогда ко- эффициенту прохождения, близкому к единице, со- ответствует некоторый резонатор внутри образца. Амплитуда установившихся колебаний в резонаторе 16 должна быть экспоненциально велика – ведь экспо- ненциально убывающая к выходу амплитуда должна опуститься до уровня порядка единицы (амплитуда падающей волны принята за единицу). Учтем теперь потери в среде. Количество энергии, диссипирую- щей в резонаторе в единицу времени, пропорцио- нально произведению энергии, запасенной в резона- торе на мнимую часть диэлектрической проницае- мости. Поскольку амплитуда колебаний в резонато- ре велика, то даже малым потерям в диэлектрике со- ответствует большая мощность потерь. Но в стацио- нарном состоянии мощность потерь не может пре- восходить мощность в падающей волне! Отсюда следует, что резонатор нельзя накачать до такого уровня, чтобы на выходе амплитуда колебаний была сравнима с амплитудой колебаний на входе. Этим и объясняется неудача эксперимента. Воспользовавшись аналогией с задачей о возбу- ждении резонатора с полупрозрачными стенками, можно показать, что диссипацией можно прене- бречь и наблюдать резонансные пики на коэффици- енте прохождения только при выполнении неравен- ства ( )1 / 2 1 2 exp 12typ loclocl T T T L l≈ < <Γ < < = − . В про- тивном случае коэффициент прохождения всегда мал. Что же касается коэффициента отражения, то выражение для него можно записать в виде ( ) ( )( ) 1 2 2 1 2 1 4 2 2 res loc locR T T l T l T+ − = − + Γ + Γ . (1) Из (1) следует, что R обращается в нуль на линии 1 2 2 locT T l= + Γ в плоскости параметров и всегда мож- но указать место расположения резонатора, для ко- торого это условие будет выполнено. Таким об- разом, обнаруживать наличие резонансов в образце с малой диссипацией можно не по коэффициенту прохождения, а по коэффициенту отражения. Дей- ствительно, на зависимости коэффициента отраже- ния от частоты ( )R ν четко видны узкие резо- нансные минимумы, соответствующие всплескам поля внутри образца (см. Рис.7). Рис.7. Зависимость ( )R ν [5] Перейдем теперь к примеру с плоской линзой из левого материала. Такой материал характеризуется отрицательными диэлектрической проницаемостью ε и магнитной восприимчивостью µ . Поэтому век- тора E r , H r и k r образуют левую тройку, что указы- вает на взаимно-противоположные направления фа- зовой и групповой скоростей [6]. Вдоль границы раздела левой и правой сред могут распространяться поверхностные волны, поле которых экспоненци- ально убывает при удалении от границы. Чтобы разобраться, в каких условиях возникают поверхностные волны, рассмотрим падение плоской электромагнитной волны на границу раздела двух сред. Пусть первая среда – это вакуум, а вторая сре- да характеризуется величинами ε и µ . Пусть вол- новой вектор p-поляризованной падающей монохро- матической волны имеет компоненты zk и k⊥ . Ам- плитуды магнитных полей падающей inH , отражен- ной refH и прошедшей во вторую среду, trH , волн связаны соотношениями: ( ) ( ) ( ), 2ref in z z z z tr in z z zH H k q k q H H k k qε ε ε ε= − + = + . Здесь 2 2 0zk k k⊥= − и 2 2 0zq k kε µ ⊥= − – продольные компоненты волновых векторов в вакууме и среде соответственно, 0 /k cω= . Обращение в нуль знаменателя в приведенных формулах, 0z zk qε + = , (2) означает наличие решений, существующих и в от- сутствии падающей волны. Если 0ε < и 0µ > , то волна в среде является нераспространяющейся, Re 0zq = , и условие (2) может выполниться, если и волна в вакууме является нераспространяющейся, Re 0zk = . Это и есть поверхностная волна. Такие поверхностные волны могут распространять- ся вдоль границы плазма-вакуум. В физике метал- лов они носят название плазмонов-поляритонов. В левых средах и 0ε < и 0µ < , поэтому условие (2) может выполняться для нераспространяющихся ( Re Re 0z zk q= = ) волн произвольной поляризации. Распределение поля в поверхностных волнах напо- минает распределение поля в открытом одномерном резонаторе. И это не просто внешнее сходство. Рассматривая собственные поверхностные моды ко- лебаний как резонатор, можно легко объяснить эф- фект «идеальной линзы» Пендри и ряд других эф- фектов, перечисленных выше. Начнем с «идеальной линзы». Пусть монохрома- тический источник, изображение которого мы хотим получить, расположен в плоскости 0z = . «Форма» ( )S x протяженного вдоль оси x источника задает- ся его Фурье-компонентами: exp(( ) ( ) )kS x dk S k ik x Ґ ⊥ ⊥ ⊥ − Ґ = т . Создаваемое источником поле распространяется вдоль оси z в виде волн с волновым вектором 2 2 0zk k k⊥= − . Амплитуды же нераспространяю- щихся волн, у которых 2 2 0k k⊥ > , экспоненциально убывают при удалении от источника. Линза собира- ет распространяющиеся волны и воссоздает форму источника в фокальной плоскости, а содержащаяся в нераспространяющихся волнах информация оказы- вается потерянной, поскольку их амплитуды экспо- ___________________________________________________________ ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2006. № 5. Серия: Плазменная электроника и новые методы ускорения (5), с.15-20. 17 ненциально малы и детали меньше длины волны от- сутствуют в изображении. Все сказанное справедливо для обычных линз, но требует более внимательного рассмотрения для лин- зы из левого материала. Как мы выяснили ранее, каждая поверхность пластины из левого материала является резонатором поверхностных волн. Такой резонатор можно возбудить только нераспространя- ющимися волнами, падающими из вакуума, т.е. именно теми волнами, отсутствие которых в фо- кальной плоскости ограничивает разрешающую способность линзы. Резонаторы, расположенные на обеих сторонах пластины, связаны друг с другом перекрывающимися полями, поэтому возбуждение резонатора на левой стороне пластины приводит к возбуждению резонатора на правой стороне. Поле таким образом просачивается сквозь пластину, а за- тем экспоненциально убывает по мере удаления от нее. Амплитуда колебаний в резонаторе может быть очень велика, даже если возбуждающее его поле ма- ло. Амплитуда установившихся колебаний в резона- торе зависит от его добротности. Добротность резо- натора поверхностных волн материала без диссипа- тивных потерь бесконечно велика, поскольку поток энергии из резонатора, вдоль оси z , отсутствует. Поэтому можно ожидать, что какие-то гармоники с 2 2 0k k⊥ > окажутся достаточно велики и внесут свой вклад в формирование изображения источника. Воспользовавшись аналогией между резонато- ром и осциллятором, рассмотрим возбуждение свя- занных тождественных осцилляторов гармониче- ской силой, приложенной к одному из них. Соответ- ствующие уравнения имеют вид: 2 2 2 2 0 0 02 2 , ,in out in c out out c in id u d u u u f e u u d d ν τν κ ν κ τ τ −+ = + + = (3) где inu и outu – поля во входном и выходном осцил- ляторах (резонаторах) и 0 if e ν τ− – внешняя сила (поле), действующая на входной резонатор и cκ – коэффициент связи между резонаторами. Устано- вившиеся амплитуды колебаний inU и outU в резо- наторах определяются выражениями: ( ) ( ) ( ) 2 2 0 0 0 2 22 2 2 2 2 2 0 0 , c in out c c f f U U ν ν κ ν ν κ ν ν κ − = = − − − − . (4) Из (4) следует, что при ( )2 2 0cκ ν ν> > − амплитуда колебаний в выходном резонаторе намного больше амплитуды колебаний во входном резонаторе. Определим соответствие между параметрами уравнений (3) и параметрами задачи о прохождении нераспространяющихся Фурье-гармоник источника через пластину из левого материала. Коэффициент связи определяется интегралом перекрытия полей поверхностных волн, ~c qdeκ − , а возбуждающая «сила» определяется проекцией внешнего поля (не- распространяющаяся волна от источника) на соб- ственную моду резонатора (поле поверхностной волны): 0 ~ klf e− (здесь l – расстояние между ис- точником и пластиной и d – толщина пластины). Дисперсионное уравнение осциллятора 2 2 0 0ν ν− = следует заменить дисперсионным уравнением 2( ) 0D k⊥ = резонатора. В результате получим следу- ющее выражение для поля на противоположной от источника стороне пластины: 2 2~ kl qd qd tr inH H e e D ae− − −−й щл ы . Здесь a – некоторый коэффициент, не содержащий экспоненциально малых множителей. При удалении от поверхности пластины на некоторое расстояние z∆ поле trH убывает экспоненциально, ( ) ( ) k z tr trH l d z H l d e− ∆+ + ∆ = + . Если выполнено условие ( )2qde D k− ⊥> > , (5) то на расстоянии 2z qd kl qd∆ = − − , (6) поле нераспространяющейся гармоники источника оказывается такого же порядка величины, каким оно было в плоскости источника. В «идеальном» левом материале 1ε µ= = − и k q= , поэтому условие (6) выполняется именно там, где создают изображение и распространяющиеся гармоники поля. Более акку- ратные вычисления показывают, что поле нераспро- страняющейся гармоники в этой точке точно совпа- дает с полем в плоскости источника – это и есть иде- альная линза Пендри. В идеальной левой среде ( )2 0D k⊥ є и условие (5) выполняется для всех k⊥ . Если же среда «слегка» отлична от идеальной, то начиная с некото- рой величины k⊥ условие (5) нарушается и соответ- ствующие гармоники уже не будут играть роль при восстановлении изображения, т.е. ограничат разре- шающую способность линзы. На Рис.8 изображено отношение амплитуд нераспространяющихся гармо- ник в плоскости изображения и в плоскости источ- ника для среды с 1ε µ = и 71 10ε −≈ − + . Толщина пластины выбрана равной длине волны в вакууме. Видно, что «неидеальность» на уровне 710− только в три раза повышает разрешающую способность до- статочно тонкой линзы. Это означает, что реально разрешающая способность линзы из левого материа- ла может только несколько превзойти разрешаю- щую способность обычной линзы. 0 1 2 3 4 0.01 0.1 1 int r HH / 0/ kk⊥ Рис.8. Амплитуда нераспространяющейся гармони- ки в фокальной плоскости линзы из левого материа- ла [7] До сих пор мы пренебрегали диссипативными потерями в материале пластины. К чему приведет их 18 учет? Ответ можно дать сразу: появление диссипа- тивных потерь в уравнениях связанных осциллято- ров (3) полностью разрушит связь, если коэффици- ент диссипации dκ велик по сравнению с коэффи- циентом связи cκ , d cκ κ> > . Поскольку в нашем случае коэффициент связи экспоненциально мал, то даже очень малые потери полностью разрушают связь между обеими сторонами пластины и поле не- распространяющихся гармоник не появляется на противоположной стороне пластины. Перейдем к следующим примерам. Теперь мы располагаем полным набором необходимых понятий и формул и дело пойдет значительно быстрее. Использованные в экспериментах с аномальной про- зрачностью пластины были изготовлены из материа- ла, вдоль поверхности которого могут распростра- няться поверхностные электромагнитные волны – плазмоны-поляритоны. Возбудить плазмоны-поля- ритоны падающим из вакуума светом нельзя: их фа- зовая скорость вдоль поверхности меньше скорости света, а соответствующая скорость / kω ⊥ у падаю- щей волны больше скорости света. Если поверхность металла не гладкая, а периоди- чески-модифицированная (перфорированная, гофри- рованная) то, как и в привычных для СВЧ-электрони- ки периодических структурах, в спектре собственных мод поверхностных волн появятся как замедленные, так и ускоренные пространственные гармоники. В от- личие от СВЧ-электроники, здесь нам понадобятся ускоренные гармоники. Именно такие гармоники мо- гут возбуждаться падающей волной. Ну а дальше все просто. Обе поверхности пластины – это те же резо- наторы поверхностных волн, связанные друг с дру- гом перекрывающимися полями внутри пластины. Поэтому в идеальной ситуации, в отсутствии дисси- пации, можно получить 100%-ю прозрачность пла- стины на резонансных частотах. Для возбуждения плазмона-поляритона на глад- кой поверхности металла необходимо, чтобы фазо- вая скорость / kω ⊥ падающей волны была меньше скорости света. Но это условие выполняется только для нераспространяющихся волн. Трансформиро- вать обычную, распространяющуюся электромаг- нитную волну в нераспространяющуюся можно разными способами. При полном внутреннем отра- жении в оптически менее плотной среде появляется нераспространяющаяся волна. Поле этой волны мо- жет возбудить плазмон-поляритон на поверхности металла, расположенной на некотором расстоянии от границы раздела. Можно для трансформации ис- пользовать дифракционную решетку. Если период решетки меньше длины волны, то уже спектру пер- вого порядка соответствует нераспространяющаяся волна. Оба эти метода – использование полного вну- треннего отражения или дифракционной решетки – отличаются только способом получения поля для возбуждения поверхностных волн. Оба метода мож- но представить в виде схематической цепочки вол- новедущая система – модовый трансформатор – ре- зонатор. Если за призмой или за решеткой располо- жен слой бездиссипативного металла (или плазмы), то возбуждение резонатора на одной стороне слоя приводит к 100%-му прохождению поля сквозь слой. Поместив симметрично за слоем такую же трансформирующую систему, можно превратить не- распространяющееся поле в распространяющуюся волну. В результате вся система оказывается резо- нансно-прозрачной. Такая конструкция является уз- кополосным фильтром, пропускающим электромаг- нитные волны с заданной частотой или заданным углом падения и отражающим все остальные волны. Выше мы видели, что даже малые диссипатив- ные потери могут полностью разрушить прохожде- ние поля сквозь слой и что в присутствии диссипа- ции проявлением возбуждения резонатора является полное поглощение падающей волны. Точно такой же эффект – полное поглощение – возникает и в ре- зонаторах поверхностных волн в примерах с пол- ным внутренним отражением и дифракционной ре- шеткой. В СВЧ-электронике этот эффект давно из- вестен как идеальное согласование волноведущего тракта с нагрузкой в виде резонатора с поглощени- ем. Необычным здесь является только резонатор – поверхностные волны. Как выглядит идеальное согласование в приме- рах с призмой и дифракционной решеткой? В пер- вом случае согласующим элементом, определяю- щим коэффициент связи между волноведущей си- стемой (свет в призме) и резонатором (поверхност- ная волна на границе металла), является расстояние между призмой и поверхностью металла. Изменени- ем этого расстояния можно добиться полного отсут- ствия отраженной волны. Для наблюдения эффекта полного поглощения, в Технионе был проведен сле- дующий простой эксперимент [8]. К гипотенузе призмы была приложена плоско-выпуклая линза с большим радиусом кривизны. К линзе прижималась металлическая пластина. Лазерный луч направлялся таким образом, чтобы он испытывал полное вну- треннее отражение в призме. При варьировании угла падения в отраженном свете появляется темное кольцо, радиус которого соответствует такому рас- стоянию между металлом и стеклом, при котором согласование идеально (Рис.9). Измерение угла па- дения и радиуса кольца позволяют определить ре- альную и мнимую части ε металла. Рис.9. Полное поглощение в различных металлах при полном внутреннем отражении [8]. Железо не поддерживает плазмоны-поляритоны Во втором случае согласующим элементом яв- ляется расстояние между решеткой и поверхностью металла. В лаборатории физики плазмы в Технионе был проведен следующий эксперимент [9]. Между ___________________________________________________________ ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2006. № 5. Серия: Плазменная электроника и новые методы ускорения (5), с.15-20. 19 источником электромагнитного излучения и поверх- ностью плазмы была помещена дифракционная ре- шетка с большим (~80%) коэффициентом отраже- ния, период которой был меньше длины волны. 0.5 1.0 0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 Отраженный СВЧ сигнал Плотность плазмы С иг на л зо нд а, от ра же нн ы й С В Ч си гн ал Время [ms] Рис.10. Коэффициент отражения от системы ре- шетка-плазма [9] Плотность плазмы значительно превышала кри- тическое значение и менялась со временем. Коэффи- циент отражения СВЧ-сигнала от системы решетка- плазма был всегда близок к единице, за исключени- ем узкого диапазона плотностей вблизи 2.6p cn n≈ , где коэффициент отражения имел глубокий мини- мум (Рис.10). Глубина минимума зависит немоно- тонно от расстояния между поверхностью плазмы и решетки и наименьший коэффициент отражения со- ставлял всего 15%. Все приведенные выше примеры из совершенно разных областей физики – резонансные явления при прохождении электромагнитной волны сквозь слу- чайную среду, сверхвысокая разрешающая способ- ность линзы из левого материала, аномальная про- зрачность перфорированной оптически толстой ме- таллической пленки, подавление полного внутрен- него отражения и полное поглощение электромаг- нитной волны сверхплотной плазмой – сводятся к решению задачи о прохождении волны через резо- натор с полупрозрачными стенками либо через си- стему из двух связанных резонаторов. При достаточ- но больших потерях в резонаторах обе эти задачи сводятся к одной: согласование резонатора с внеш- ней волноведущей системой. Единственным отличи- ем приведенных примеров от традиционных задач СВЧ-электроники является необычность самих резо- наторов, но, будучи переведенной на язык уравне- ний, эта необычность исчезает. Нужно только пра- вильно установить соответствие между привычны- ми для электроники параметрами – коэффициентами связи между волноведущей системой и резонатором и между самими резонаторами, коэффициентом дис- сипации – с параметрами той или иной физической задачи. Такой унифицированный подход, на наш вз- гляд, позволяет легче понять сущность явлений и использовать накопленный опыт традиционной СВЧ-электроники для решения ряда задач современ- ной опто-, микро- и наноэлектроники, в которых сейчас широко используются устройства, основан- ные на свойствах поверхностных волн. ЛИТЕРАТУРА 1. P.W. Anderson // Phys. Rev. 1958, v.109, p.1492. 2. J.B. Pendry // Phys. Rev. Lett. 2000, v.85, p.3966. 3. T.W. Ebbesen, H.J. Lezec, H.F. Ghaemi, T. Thio, and P.A. Wolff // Nature. 1998, v.391, p.667. 4. K.Yu. Bliokh, Yu.P. Bliokh, and V.D. Freilikher // J. Opt. Soc. of America. 2004, v.B21, p.113. 5. K.Yu. Bliokh, Yu.P. Bliokh, V. Freilikher, B. Hu, J.M. Klosner, A.Z. Genack, and P. Sebbach, (unpublished). 6. В.Г. Веселаго // УФН. 1967, т.92, с.517. 7. К.Ю. Блиох и Ю. П. Блиох // УФН. 2004, т.174, с.439. 8. Yu.P. Bliokh, R. Vander, S.G. Lipson, and J. Fel- steiner, (unpublished). 9. Yu.P. Bliokh, J. Felsteiner, and Ya.Z. Slutsker // Phys. Rev. Lett. 2005, v.95, p.165003. UNCOMMON RESONATORS Yu.P. Bliokh, K.Yu. Bliokh, V.D. Freilikher It is shown that the examples from absolutely different physics regions, the such as: the resonant phenomena at electromagnetic wave propagation across an accidental medium; ultra-high resolution ability of lens from a left- handed material; the anomalous transparence of a perfored optical thich metal film; a suppression of a total internal reflection; and a total absoption of electromagnetic wave by overdense plasmas, have been carried out to a solution of a conventional UHF-electronics problem concerning a wave propagation across either a resonator with the semi- transparent walls or system of two connected resonators. НЕЗВИЧАЙНІ РЕЗОНАТОРИ Ю.П. Бліох, К.Ю. Бліох, В.Д. Фрейліхер Показано, що приклади із зовсім різних областей фізики – резонансні явища при проходженні електромагнітної хвилі крізь випадкове середовище, надвисока розрізняюча здатність лінзи з «лівого матеріалу» (Left-Handed Material), аномальна прозорість перфорованої оптично товстої металевої плівки, пригнічення повного внутрішнього відбиття та повне поглинання електромагнітної хвилі надщільною плазмою – зводяться до розв’язання задач традиційної НВЧ-електроніки про проходження хвилі крізь резонатор з напівпрозорими стінками, або крізь систему з двох зв’язаних резонаторів. 20
id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-80435
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
issn	1562-6016
language	Russian
last_indexed	2025-12-01T07:07:01Z
publishDate	2006
publisher	Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України
record_format	dspace
spelling	Блиох, Ю.П. Блиох, К.Ю. Фрейлихер, В.Д. 2015-04-17T19:23:19Z 2015-04-17T19:23:19Z 2006 Необычные резонаторы / Ю.П. Блиох, К.Ю. Блиох, В.Д. Фрейлихер // Вопросы атомной науки и техники. — 2006. — № 5. — С. 15-20. — Бібліогр.: 9 назв. — рос. 1562-6016 PACS: 42.60.Da https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/80435 Показано, что примеры из совершенно разных областей физики – резонансные явления при прохождении электромагнитной волны сквозь случайную среду, сверхвысокая разрешающая способность линзы из «левого материала» (Left-Handed Material), аномальная прозрачность перфорированной оптически толстой металлической пленки, подавление полного внутреннего отражения и полное поглощение электромагнитной волны сверхплотной плазмой – сводятся к решению задач традиционной СВЧ-электроники о прохождении волны через резонатор с полупрозрачными стенками, либо через систему из двух связанных резонаторов. Показано, що приклади із зовсім різних областей фізики – резонансні явища при проходженні електромагнітної хвилі крізь випадкове середовище, надвисока розрізняюча здатність лінзи з «лівого матеріалу» (Left-Handed Material), аномальна прозорість перфорованої оптично товстої металевої плівки, пригнічення повного внутрішнього відбиття та повне поглинання електромагнітної хвилі надщільною плазмою – зводяться до розв’язання задач традиційної НВЧ-електроніки про проходження хвилі крізь резонатор з напівпрозорими стінками, або крізь систему з двох зв’язаних резонаторів. It is shown that the examples from absolutely different physics regions, the such as: the resonant phenomena at electromagnetic wave propagation across an accidental medium; ultra-high resolution ability of lens from a lefthanded material; the anomalous transparence of a perfored optical thich metal film; a suppression of a total internal reflection; and a total absoption of electromagnetic wave by overdense plasmas, have been carried out to a solution of a conventional UHF-electronics problem concerning a wave propagation across either a resonator with the semitransparent walls or system of two connected resonators. ru Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України Вопросы атомной науки и техники Релятивистская и нерелятивистская плазменная СВЧ-электроника Необычные резонаторы Незвичайні резонатори Uncommon resonators Article published earlier
spellingShingle	Необычные резонаторы Блиох, Ю.П. Блиох, К.Ю. Фрейлихер, В.Д. Релятивистская и нерелятивистская плазменная СВЧ-электроника
title	Необычные резонаторы
title_alt	Незвичайні резонатори Uncommon resonators
title_full	Необычные резонаторы
title_fullStr	Необычные резонаторы
title_full_unstemmed	Необычные резонаторы
title_short	Необычные резонаторы
title_sort	необычные резонаторы
topic	Релятивистская и нерелятивистская плазменная СВЧ-электроника
topic_facet	Релятивистская и нерелятивистская плазменная СВЧ-электроника
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/80435
work_keys_str_mv	AT bliohûp neobyčnyerezonatory AT bliohkû neobyčnyerezonatory AT freilihervd neobyčnyerezonatory AT bliohûp nezvičainírezonatori AT bliohkû nezvičainírezonatori AT freilihervd nezvičainírezonatori AT bliohûp uncommonresonators AT bliohkû uncommonresonators AT freilihervd uncommonresonators

Необычные резонаторы

Репозитарії

Схожі ресурси