Поширення поверхневих електромагнітних хвиль уздовж границі розподілу періодичних структур - Автореферат

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук ПОШИРЕННЯ ПОВЕРХНЕВИХ ЕЛЕКТРОМАГНІТНИХ ХВИЛЬ УЗДОВЖ ГРАНИЦІ РОЗПОДІЛУ ПЕРІОДИЧНИХ СТРУКТУРНауковий керівник: Булгаков Олексій Олександрович, доктор фізико-математичних наук, професор Інститут радіофізики та електроніки імені О.Я. Офіційні опоненти: Аркуша Юрій Васильович, доктор фізико-математичних наук, професор Харківський національний університет імені В.Н. Поєдинчук Анатолій Юхимович, кандидат фізико-математичних наук, старший науковий співробітник Інститут радіофізики та електроніки імені О.Я. Захист відбудеться "25" січня 2008 р. о 1400 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.051.02 Харківського національного університету імені В. Н. З дисертацією можна ознайомитись у Центральній науковій бібліотеці Харківського національного університету імені В. Н.Періодичні структури широко використовуються в сучасній техніці міліметрового і субміліметрового діапазонів довжин хвиль, антенній техніці, оптиці та оптоелектроніці, у рентгенівській техніці. Особливість періодичних структур полягає в тому, що порушення симетрії приводить до виникнення нових типів хвиль. Крім того, характеристики цих хвиль досить чутливі до стану поверхні, а, отже, у багатьох випадках поверхневі хвилі виявляються ефективним інструментом дослідження властивостей поверхонь і тонких плівок. Актуальність теми обумовлена тим, що запропоновані в даній роботі методи аналізу і вивчені властивості шарувато-періодичних структур можуть бути основою для методики розрахунку нових радіофізичних пристроїв, які керуються зовнішніми електричними й магнітними полями: вузькосмугові та багатосмугові фільтри, лінії передачі. Проаналізовано поширення поверхневих хвиль у випадку, коли вектор магнітного поля паралельний площині шарів структури, а хвилі поширюються в перпендикулярній йому площині.Другий розділ дисертації "Поверхневі електромагнітні хвилі на границі двох напівпровідниково-діелектричних періодичних структур" присвячено вивченню спектральних властивостей поверхневих хвиль, які поширюються уздовж границі розподілу двох діелектричних і напівпровідникових періодичних структур. За допомогою методу матриці перетворення отримано дисперсійне співвідношення для контакту двох шарувато-періодичних структур: , (1) де , , , - елементи матриць перетворення періоду лівої та правої решіток, d(L), d(R) - періоди лівої та правої структур, , - блохівські хвильові числа решіток, які знаходяться із дисперсійних співвідношень для кожної безмежної структури. Характер розподілу полів в 0-моді повторюється в решітках через один період, в р-моді - через два періоди, а розподіл полів у змішаній моді в одній з решіток повторюється через один період, а в іншій - через два періоди. У третьому розділі "Дослідження поверхневих хвиль на границі двох напівпровідникових структур, розташованих у зовнішньому магнітному полі" розглядаються поверхневі хвилі, що поширюються уздовж контакту двох періодичних напівпровідникових решіток, розташованих у зовнішньому магнітному полі. У цьому розділі розглянуто випадок, коли вектор магнітного поля паралельний площині шарів структури, а хвилі поширюються в перпендикулярній площині.Розглянуто електродинамічні властивості поверхневих хвиль на границі розподілу двох діелектричних структур. Дисперсійні криві поверхневих хвиль розташовуються в зонах непропускання обох решіток. Максимальний потік енергії спостерігається в шарах першого періоду кожної решітки, тобто в шарах, що прилягають до границі поділу двох решіток. Показано, що в напівпровідникових решітках існують поверхневі хвилі, частоти яких асимптотично прагнуть до плазмової частоти. Причиною зростання мінімальної фазової швидкості є збільшення долі енергії в шарах цього напівпровідника по мірі наближення частоти до частоти поверхневого плазмона, що поширюється уздовж границі напівпровідникового й діелектричного шарів лівої та правої решіток.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

Сформулюємо основні результати дисертаційної роботи: 1. У роботі показано можливість існування нового типу електромагнітних хвиль, які поширюються уздовж границі розподілу двох різних шарувато-періодичних структур. Обвідні амплітуд полів поверхневих хвиль спадають по експоненті в обидва боки від площини розподілу решіток, а усередині шарів амплітуди можуть носити коливний або експонентний характер.

2. Розглянуто електродинамічні властивості поверхневих хвиль на границі розподілу двох діелектричних структур. Отримано дисперсійне співвідношення для поверхневих хвиль для даного випадку. Дисперсійні криві поверхневих хвиль розташовуються в зонах непропускання обох решіток. Показано, що існує три типи поверхневих хвиль: 0-моди, -моди та змішані моди. Проаналізовано розподіл електромагнітних полів і потоку енергії у поверхневій хвилі по шарах решіток. Максимальний потік енергії спостерігається в шарах першого періоду кожної решітки, тобто в шарах, що прилягають до границі поділу двох решіток.

3. Досліджено властивості поверхневої електромагнітної хвилі, що поширюється між двома шарувато-періодичними напівпровідниковими структурами. Показано, що в напівпровідникових решітках існують поверхневі хвилі, частоти яких асимптотично прагнуть до плазмової частоти. Фазова швидкість цих хвиль може бути малою. Для вивчення цього питання проведене дослідження впливу дисипативних процесів на фазову швидкість поверхневої хвилі. Причиною зростання мінімальної фазової швидкості є збільшення долі енергії в шарах цього напівпровідника по мірі наближення частоти до частоти поверхневого плазмона, що поширюється уздовж границі напівпровідникового й діелектричного шарів лівої та правої решіток.

4. Проаналізовано електродинамічні властивості контакту двох напівпровідникових решіток, розташованих у зовнішньому магнітному полі. Розглянуто випадок, коли вектор магнітного поля паралельний площині шарів структури, а хвилі поширюються в перпендикулярній йому площині. Показано, що в аналізованій геометрії зявляються нові характерні частоти, до яких асимптотично прагнуть дисперсійні криві поверхневих хвиль. Дані частоти залежать від величини зовнішнього магнітного поля, тому зовнішнє магнітне поле дозволяє керувати властивостями структури.

5. Вперше вивчено поширення геліконових хвиль у безмежних напівпровідниково - діелектричних структурах. Відмітними властивостями геліконів є можливість поширення в плазмі твердого тіла в широкому діапазоні частот і постійних магнітних полях, крім того, загасання цих хвиль обернено пропорційно величині зовнішнього магнітного поля. Тому в великих магнітних полях гелікони мають відносно мале загасання. Показано, що в безмежній напівпровідниковій структурі існують два незалежних спектри власних хвиль. Цікавою особливістю для геліконів у періодичній структурі є те, що на частотах нижче плазмової частоти напівпровідникового матеріалу утворюється система вузьких дозволених зон.

6. У роботі запропоновано методику для отримання дисперсійного співвідношення для поверхневих геліконових хвиль. Показано, що поблизу границь зон пропущення обємних геліконів існує поверхнева геліконова хвиля.

7. Проведено аналітичне дослідження нелінійної трихвильової взаємодії електромагнітних хвиль у періодичній діелектричній структурі. Розглянуто випадок, коли в процесі нелінійної взаємодії відбувається зміна поляризації хвиль. Виявлено, що крім брегівського резонансу, що є характерним для періодичного середовища, нелінійний резонанс істотно збільшує ефективність взаємодії. Проведено чисельне дослідження умов синхронізму з урахуванням дисперсійних співвідношень, як для обємних, так і для поверхневих хвиль. Проведено аналіз співвідношень синхронізму для поверхневих хвиль. Показано, що під впливом нелінійних механізмів у періодичних структурах можливий розпад поверхневої хвилі накачування на дві поверхневих хвилі з іншою поляризацією.

1. Булгаков A.A., Мериуц А.В., Ольховский Е.А. Поверхностные электромагнитные волны на границе раздела двух диэлектрических сверхрешеток // Журнал технической физики. - 2004. - Т. 74, №10. - С. 103-107.

2. Булгаков A.A., Ольховский Е.А. Электродинамические свойства поверхностных волн, распространяющихся вдоль границы двух слоисто-периодических полупроводниковых структур // Радиофизика и электроника: Сб. науч. тр. - Харьков, 2005. - Т. 10, № 1. - С. 7-12.

3. Ольховский Е.А., Шрамкова O.В. Поверхностные магнитоплазменные волны на границе раздела двух полупроводниковых сверхрешеток // Радиофизика и электроника: Сб. науч. тр. - Харьков, 2005. - Т. 10, № 2. - С. 261-265.

4. Olkhovskiy Y., Bulgakov A., Shramkova O. The dispersion properties of bulk and surface helicons in the periodic structure with plasma-like layers // Czechoslovak journal of physics. - 2006. - Vol. 56B. - P. B976-B981.

5. Булгаков А.А., Ольховский Е.А., Шрамкова О.В. Дисперсионные свойства геликонов в периодической полупроводниковой структуре // Доповіді Національної Академії Наук України. - 2007. - №3. - С. 83-88.

6. Булгаков A.A., Ольховский Е.А., Шрамкова O.В. Трехволновые взаимодействия электромагнитных волн в слоисто-периодической структуре // Радиофизика и электроника: Сб. науч. тр. - Харьков, 2007. - Т. 12, № 1. - С. 163-167.

Результати дисертації додатково висвітлені в таких роботах: 7. Bulgakov A.A., Meriutz A.V., Olkhovskiy Y.A. Investigation of electrodynamics properties of two dielectric superlattices contacts // Proc. of the fifth International Kharkov Symposium ?Physics and Engineering of Microwaves, Millimeter and Submillimeter Waves?. June 21-26, 2004, Kharkov, Ukraine. - P. 380-382.

8. Bulgakov A. A., Olkhovskiy Y. A., Shramkova O. V. Investigation of helicon waves in the semiconductor superlattices // Proc. of the International Conference on Advanced Optoelectronics and Lasers. September 12-17, 2005, Yalta, Crimea, Ukraine. - Vol.2. - P. 52-55.

9. Ольховский Е.А., Шрамкова О.В. Исследование электродинамических свойств поверхностных магнитоплазменных волн на контакте двух полупроводниковых сверхрешеток // Труды 15-ой Международной Крымской конференции "СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии". 12-16 сентября, 2005, Севастополь, Украина. - С. 625-626.

10. Olkhovskiy Y.A., Shramkova O.V.. Surface magnetoplasma waves on the interface of two semiconductor layered-periodic structure // Сборник научных трудов Международной конференции "СВЧ и оптоэлектроника" 2-го Международного радиоэлектронного форума "Прикладная радиоэлектроника. Состояние и перспективы развития". 19-23 сентября, 2005, Харьков, Украина. - Т. 5. - С. 116-118.

11. Bulgakov A.A., Olkhovskiy Y.A., Shramkova O.V. Three-wave interaction in a dielectric periodic structure // Proc. of the 11th International Conference on Mathematical Methods on Electromagnetic Theory. June 26-29, 2006, Kharkov, Ukraine.- P. 469-471.

Список цитованих джерел: 1. Басс Ф.Г., Булгаков А.А., Тетервов А.П. Высокочастотные свойства полупроводников со сверхрешетками. - М.: Наука, 1989. - 288 с.

2. Ханкина С. И., Яковенко В.М. К теории поверхностных геликонов в полупроводниковой плазме // ФТП. - 1979. - Т. 13, № 9. - С. 1795-1798.

3. Белецкий Н.Н., Булгаков А.А., Ханкина С.И., Яковенко В.М. Плазменные неустойчивости и нелинейные явления в полупроводниках. - К.: Наукова думка, 1984. - 192 с.

4. Галеев А.А., Карпман В.И. Турбулентная теория слабонеравновесной разреженной плазмы и структура ударных волн // ЖЭТФ. - 1963. - Т. 44, № 2. - С. 592-602.