Добавил:

ivanov666 Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Башкирский Государственный Аграрный Университет

Предмет:

[НЕСОРТИРОВАННОЕ]

Файл:

Оптика миллиметровых волн. Учебное пособие

.pdf

Скачиваний:

Добавлен:

07.09.2026

Размер:

2 Мб

Скачать

☆

1 / 61 2 3 4 5 6 > Следующая >>>

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ

НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Физический факультет

Кафедра общей физики

С. А. Кузнецов, П. В. Калинин, В. В. Куркучеков

ОПТИКА МИЛЛИМЕТРОВЫХ ВОЛН

Учебное пособие

Новосибирск

2018

УДК 535.42, 535.51

К 891

Кузнецов, С. А.

Оптика миллиметровых волн: учеб. пособие / С. А. Кузнецов, П. В. Калинин, В. В. Куркучеков; Новосиб. гос. ун-т. − Новосибирск : ИПЦ НГУ, 2018. – 54 с.

ББК В343я73-1 К 891

Рецензент

д-р физ.-мат. наук, проф. А.А. Павлов

Издание подготовлено в рамках реализации Программы развития гос-

ударственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Новосибирский государственный университет» на 2009−2018 годы.

Учебное пособие знакомит студентов с основными оптическими явлени-

ями в миллиметровом диапазоне длин волн. Содержание пособия и его уровень должны дать студентам базу, достаточную для их будущей научной работы. В пособии кратко изложены теоретические вопросы, необходимые для выполнения лабораторных работ: особенности диапазона миллиметровых и субмиллиметровых волн, явления интерференции и дифракции, принципы работы спектральных приборов и др.

В сборнике представлено описание лабораторных работ, составляющих

часть лабораторного практикума по физической оптике. В представленном комплексе работ студентам предлагается познакомиться с ММ-излучением на примере классических оптических экспериментов и устройств.

Предназначено для студентов второго курса физического факультета,

факультета естественных наук и геолого-геофизического факультета НГУ, а также для преподавателей практикума по физической оптике.

Рекомендовано к печати кафедрой общей физики ФФ НГУ (протокол

№ 5 от 15.02.18 г.

УДК 535.42, 535.51

ББК В343я73-1

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ ................................................................................................... 5

§ 1.Общие представления о диапазоне миллиметровых и

субмиллиметровых волн ........................................................................... 5

§ 2. Инструментальные особенности диапазона миллиметровых и

субмиллиметровых волн ........................................................................... 8

§ 3. Описание экспериментальной установки ......................................... 10

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1 ............................................................ 13

Изучение поляризации электромагнитных волн..................................... 13

§ 1.1.Поляризация волны и ее математическое описание ................... 13

§ 1.2. Поляризационная решетка и определение эллипса поляризации

с ее помощью ....................................................................................... 16

§ 1.3. Устройство преобразователя поляризации ММ-излучения ...... 20

§ 1.4. Практические задания ................................................................ 22

Упражнение 1. Исследование поляризации источника излучения ...... 22

Упражнение 2. Получение различных типов поляризации с помощью

преобразователя .................................................................................. 23

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2 ............................................................ 25

Изучение интерферометра Фабри – Перо ............................................... 25

§ 2.1. Теория интерферометра Фабри – Перо ...................................... 25

§ 2.2. Устройство интерферометра Фабри – Перо .............................. 34

§ 2.3. Практические задания ................................................................ 35

Упражнение 1. Измерение длины волны излучения ............................. 35

Упражнение 2. Определение характеристик ИФП ............................ 36

Упражнение 3. Измерение показателя преломления диэлектрических

пленок ................................................................................................... 37

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3 ............................................................ 38

Изучение дифракционной решетки ......................................................... 38

§ 3.1. Основные положения теории дифракционных решеток ........... 38

§ 3.2. Устройство дифракционной решетки и поворотной оправы .... 48

§ 3.3. Практические задания ................................................................ 48

Упражнение 1. Измерение диаграммы направленности исходного

пучка излучения .................................................................................... 48

Упражнение 2. Изучение дифракции на решетке в режиме

нормального падения ........................................................................... 50

Упражнение 3. Изучение дифракции на решетке в режиме наклонного

падения ................................................................................................. 51

Список литературы .................................................................................. 52

ВВЕДЕНИЕ

§ 1.Общие представления о диапазоне миллиметровых и субмилли-

метровых волн

На шкале длин волн электромагнитного спектра диапазон миллиметро-

вых (ММ) и субмиллиметровых (субММ) волн занимает промежуточную область между длинноволновой частью инфракрасного диапазона и сантиметровыми радиоволнами диапазона СВЧ. Согласно международной классификации, ММ-волнам соответствует спектральный интервал линейных частот электромагнитных колебаний от 30 до 300 ГГц, а субММ-волнам* – от 300 до 3000 ГГц, что в пересчете на длину волны в свободном пространстве = с / , где с – скорость света, отвечает значениям  от 10 до 1 мм и от 1 до 0,1 мм соответственно.

Диапазоны ММ/субММ-волн представляют большой интерес с научной и технологической точек зрения. Так, выдающимся достижением физики и астрономии ХХ века является открытие реликтового излучения – равномерно заполняющего всю Вселенную космического электромагнитного «фона», оставшегося от породившего ее Большого взрыва 13,8 млрд. лет назад. Этот «космический газ» реликтовых фотонов, число которых составляет приблизительно 500 штук на каждый кубический сантиметр пространства Вселенной, имеет спектр излучения абсолютно черного тела с температурой 2,73 K. Такой спектр имеет максимум спектральной плотности на частоте 

 160 ГГц, что соответствует длине волны 

max

 1,87 мм. Аст-

max

рофизические исследования реликтового излучения именно в диапазонах ММ/субММ-волн помогли разработать согласованную современную теорию эволюции Вселенной.

ММ-волны являются очень перспективными для радиосвязи и передачи данных, поскольку несущая частота сигнала оказывается значительно выше аналогичных частот в традиционно используемых системах сотовой связи и Wi-Fi(стандарт 3GGSM: 1,8–2,5 ГГц; стандарт Wi-Fi 802,11b: 2,4–2,5 ГГц). Очевидно, что при фиксированном значении относительной ширины полосы частот передачи данных по отношению к несущей абсолютная ширина полосы частот оказывается больше у более высокочастотного сигнала. Поэтому увеличение несущей частоты до нескольких десятков и сотен гигагерц позволяет значительно увеличить как количество передаваемой информации, так и число пользователей, одновременно использующих общий канал связи. Отметим, что переход к более коротким волнам в системах связи позволяет в общем случае уменьшить размеры приемопередающих антенн,

В современной литературе диапазон субММ-волн также часто называется тера-

герцовым диапазоном (1 ТГц = 1000 ГГц).

а также сделать передачу электромагнитных волн более направленной, поскольку угловая ширина лепестка излучения антенны пропорциональна

 /

D, где D – диаметр антенны. Такая направленная связь «по лучу», когда

энергия волн минимально рассеивается в пространстве, важна при передаче сигналов на большие расстояния, например в космических системах связи «Земля–спутник» или «спутник–спутник», а также в тех случаях, когда желательно минимизировать несанкционированный доступ к передаваемой информации. Возможность достижения более высокой направленности излучения и сравнительно небольшая длина ММ-волн делает их также перспективными и для радиолокации. ММ-радары (работающие, например, на слабо затухающих в атмосфере длинах волн  = 2,1; 3,3 и 4 мм) позволяют достичь значительно более высокого пространственного разрешения и детализации объектов в сравнении с длинноволновыми радарными системами.

Необычайно перспективным является применение ММ/субММ-волн в системах безопасности, поскольку это делает возможным получение детального изображения скрытых под одеждой на теле человека или спрятанных в упаковке предметов, включая оружие и пластиковую взрывчатку. Эта возможность основана способности ММ/cубММ-волн проникать сквозь многие оптически непрозрачные материалы (текстиль, пластики, кожа, бумага и др.) в сравнении с ИК-излучением и малой, по сравнению с СВЧдиапазоном, длиной волны, позволяющей «видеть» объекты с пространственным разрешением масштаба . ММ/cубММ-волны с их способностью «видеть невидимое» иногда рассматривают как альтернативу рентгеновским лучам, отмечая их важное преимущество – отсутствие ионизирующего воздействия на живые организмы в силу малой энергии квантов излучения по сравнению с энергией водородных связей в биологических молекулах. Впрочем, системы радиовидения ММ/cубММ-диапазона не могут полностью заменить рентгеновские досмотровые системы, поскольку ММ/cубММ-волны сильно поглощаются водой, что не позволяет «заглянуть» внутрь человека заметно глубже его кожного покрова. Кроме того, такие волны не проходят сквозь металлические препятствия, оставляя «невидимым» внутреннее содержимое упаковки, покрытой металлизированным слоем.

Для фундаментальной науки коротковолновая часть ММ-диапазона и в особенности субММ-диапазон очень интересны возможностью применения в спектроскопии, поскольку в этой области лежат характерные частоты вращательных переходов многих молекул газов и паров, колебаний атомов в ионных и молекулярных кристаллах, а также некоторых электронных переходов в твердых телах. К этой же спектральной области относятся и характерные энергии фазовых переходов в сегнетоэлектриках, ферромагнетиках и сверхпроводниках. Интересно, что прохождение ММ/cубММ-волн сквозь

полупроводниковые материалы оказывается сильно чувствительным к концентрации в них свободных носителей заряда. Это позволяет бесконтактно диагностировать степень и однородность легирования полупроводника по измерению спектров пропускания или отражения для разных точек его поверхности, что имеет большие перспективы использования в микроэлектронной промышленности для инспекции качества полупроводниковых материалов. Аналогично, измерение спектра пропускания / отражения жидких или волокнистых (допускающих пропитку водой) материалов на основе слабопоглощающих неполярных диэлектриков позволяет отслеживать наличие даже небольших примесей воды в их составе. Эта возможность основана на таком свойстве жидкой воды, как чрезвычайно сильное поглощение ММ/cубММ-волн: так, при  = 2 мм, миллиметровый слой H2O дает ослабление в 104 раз, а при  = 1 мм – в 4105 раз. На этом принципе работают некоторые современные ММ-системы бесконтактного контроля влажности бумаги в процессе ее заводского производства, а также системы контроля качества нефтепродуктов (при отсутствии влаги последние сравнительно хорошо пропускают ММ-волны). Такие же принципы используются и в современных медицинских субММ-диагностиках ожоговых образований, раковых заболеваний кожи и молочной железы: пораженные ткани, в отличие от здоровых, имеют аномальное распределение концентрации влаги.

Волны ММ/субММ-диапазонов активно используются для нагрева и диагностики высокотемпературной плазмы в магнитных ловушках управляемого термоядерного синтеза, при мониторинге солнечной активности и исследовании астрономических объектов дальнего космоса, в КВЧ-терапии и множестве других приложений.

Данный диапазон является важным связующим звеном между оптическими и СВЧ-технологиями и удобным плацдармом при создании, исследовании и продвижении в область оптических частот искусственных композиционных материалов с уникальными электродинамическими характеристиками – так называемых метаматериалов. Последние синтезируются внедрением в исходный природный материал различных металлодиэлектрических включений с определенными геометрическими формами, размеры и период расположения которых выбирается значительно меньшими длины волны. Такие включения рассматриваются как макроскопические «атомы» («мета-атомы»), геометрия которых позволяет полностью управлять откликом сформированной искусственной среды на возбуждение падающей электромагнитной волной и, в частности, получать характеристики, несвойственные обычному природному веществу, например, отрицательный показатель преломления. Именно в диапазоне ММ/cубММ-волн, для которого геометрические размеры «мета-атомов» варьируются от единиц до сотен микрон, создание метаматериалов представляется технологически ме-

нее трудозатратным (в сравнении с оптическим и ИК-диапазонами), поскольку позволяет применять стандартные фотолитографические технологи для производства микроструктур.

В настоящее время исследования в диапазоне ММ/cубММ-волн переживают период своего расцвета. В Новосибирском государственном университете научные исследования и разработки в этой области проводятся на базе Аналитико-технологического инновационного центра «Высокие технологии и новые материалы» (АТИЦ ВТиНМ).

§ 2. Инструментальные особенности диапазона миллиметровых и

субмиллиметровых волн

С физико-технической точки зрения специфика аппаратуры ММ/субММ-диапазона заключается в возможности удобного сочетания принципов волноводной и оптической техники.

Переход к так называемым квазиоптическим линиям передачи и квазиоптическим устройствам становится предпочтительным в коротковолновой части ММ-диапазона и неизбежным в диапазоне субММ-волн. Это связано с тем, что металлические и диэлектрические одномодовые волноводы, традиционно применяемые в СВЧ-технике более длинных волн, становятся малопригодны: во-первых — в силу жестких требований к механической точности изготовления волноводных узлов, относительное значение которой должно быть не хуже 10-2, и во-вторых — в силу значительного возрастания омических потерь в волноводах с увеличением частоты. Так, например, при использовании волновода стандарта 3,6 × 1,8 мм2 теоретические потери мощности на длине волны  = 4 мм составляют ~ 4 дБ/м. На практике фактические потери в «волноводных сборках» могут значительно превышать теоретические значения вследствие дополнительных потерь из-за уменьшения проводимости (окисления) и шероховатости стенок волноводов, неточностей изготовления их размеров и паразитных отражений от неидеальных стыков волноводных соединений. Для того же волновода 3,6 × 1,8 мм2 фактические потери мощности на длине волны  = 4 мм могут достигать 20 дБ/м.

Для уменьшения волноводных потерь могут использоваться волноводы большого поперечного сечения. Однако для таких волноводов существуют проблемы одновременного возбуждения большого числа типов колебаний, перекачки энергии из одних мод в другие, ухудшения направленности излучения на выходе волновода и др.

Альтернативой волноводам при работе на длинах волн менее 4 мм являются квазиоптические системы. В таких системах, как правило, используются дифракционно-сформированные (гауссовы) пучки излучения, распространяющиеся в свободном пространстве. Критерий «квазиоптичности» си-

стемы предполагает малость длины волны излучения в сравнении с характерным поперечным размером пучка, а также рабочей апертурой управляющих элементов. В отличие от волноводных систем в квазиоптических системах погонные потери минимальны и связаны главным образом с дифракционной расходимостью пучка излучения и перехватом пучка квазиоптическими элементами. При правильном согласовании системы потери в ней слабо зависят от расстояния и определяются лишь числом и типом используемых элементов.

Отметим, что выполнение критерия «квазиоптичности» определяет геометрооптический характер распространения излучения в таких системах, что позволяет успешно применять в них традиционные элементы геометрической и дифракционной оптики, такие как линзы, зеркала, дифракционные решетки и др. С другой стороны, для ММ/субММ-диапазона в силу относительно больших (в сравнении с оптическим диапазоном) значений длины волны излучения существуют технологические возможности создания квазиоптических элементов иного типа, которые в сочетании с большими значениями апертур имеют субволновую внутреннюю структуру. К таким элементам относятся, например, используемые в предлагаемых лабораторных работах поляризаторы на основе густых одномерных металлических сеток и преобразователи поляризации на их основе, а также металлические зеркала со сквозными регулярно-периодическими отверстиями, применяемые в качестве зеркал интерферометра Фабри − Перо. В силу малости латерального периода таких структур в сравнении с  они работают в режиме отсутствия высших дифракционных гармоник (в отличие от дифракционных решеток) и в общем случае являются эффективными частотными и поляризационными фильтрами, селективные характеристики которых определяются соотношениями между длиной волны и геометрическими параметрами элементарных ячеек структур. Аналогом подобных фильтров в волноводных СВЧ-системах можно рассматривать фильтры на основе внутри волноводных диафрагм. Отметим, что в АТИЦ ВТиНМ НГУ разработаны различные виды квазиоптических селективных элементов подобного рода: полосовые пропускающие фильтры, преобразователи фазы и поляризации, плоские фокусаторы, ультратонкие резонансные поглотители и болометрические детекторы на их основе.

Предлагаемые лабораторные работы предназначены для ознакомления с квазиоптическими устройствами и квазиоптическими измерениями на длине волны   2 мм. Такая длина волны оказывается удобной для реализации квазиоптических устройств сравнительно небольшого размера и, в частности, позволяет методически наглядно продемонстрировать возможность перемещения на пространственном масштабе меньше  с целью изме- рения свойств излучения и управления его характеристиками.

§ 3. Описание экспериментальной установки

Для квазиоптических измерений на миллиметровых (ММ) волнах в настоящих лабораторных работах используется установка, блок-схема которой приведена на рис. B1. Все элементы установки располагаются на несущей дюралюминиевой плите с габаритами 750 × 600 мм2,на которой они крепятся посредством металлических прижимов. Для возможности фиксации прижимов в плите просверлены сквозные резьбовые отверстия М6 с шагом расположения 25 мм в обоих направлениях.

Рис. B1. Общая блок-схема квазиоптических измерений: 1 – генератор из- лучения, 2 – ферритовый вентиль, 3 – рупор, 4, 7 – линзы, 5 – изучаемое квазиоптическое устройство, 6 – поглощающая диафрагма, 8 – пиродетектор, 9 – предварительный усилитель, 10 – электронный блок, 11 – пленочный аттенюатор

Источником ММ-излучения служит генератор 1 на лавинно-пролетном диоде (ЛПД),который испускает волны с длиной   2 мм и средней мощ-

ностью в несколько милливатт. Для повышения чувствительности последующего детектирования такого излучения его интенсивность промодулирована прямоугольными импульсами с частотой повторения 20 Гц и скважно- стью 2. Излучение, испущенное ЛПД, доставляется по волноводу через фер- ритовый вентиль* 2 к рупорной антенне 3, через которую выводится в сво-

Ферритовый вентиль представляет собой волноводное устройство с односторон-

ним прохождением электромагнитной волны: он обладает очень малым затуханием для волны, проходящей в одном направлении, и очень большим — для волны обратного направления. В данном случае ферритовый вентиль предотвращает попадание в ЛПД нарушающих его работу «обратных» волн, возникающих в результате паразитного отражения «прямой» волны от апертуры рупора, волноводных стыков, а также элементов квазиоптического тракта.

1 / 61 2 3 4 5 6 > Следующая >>>

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]