Обґрунтування і розвиток сингулярної моделі дифракції
Розробка підходу до дифракції електромагнітних хвиль на двохвимірних апертурах. Нова хвильова інтерпретація строгого розв’язку Зоммерфельда. Вивчення картини поля, що утворюється при дифракції реального світлового пучка на реальній двохвимірній апертурі.
Рубрика | Физика и энергетика |
Вид | автореферат |
Язык | украинский |
Дата добавления | 25.02.2014 |
Размер файла | 122,1 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
На закінчення 3-го розділу проводиться аналіз дійсної природи “граничної” хвилі, що експериментально спостерігається, а також зроблена спроба об'єктивної оцінки реальної значущості підходу Рубіновича для сучасної оптики.
Як відомо, Юнг запропонував свою модель як відповідь на давнє питання “чому світить край екрана”. Дійсно, факт свічення кромки екрана при спостереженні її з області тіні, виявлений ще на початковій стадії вивчення дифракції, досі вважають одним з основних свідоцтв існування граничної хвилі, що розходиться. Не менш наочним доповненням до нього став досвід Калашникова, який в 1912 р. за допомогою набору голок продемонстрував існування прямолінійних тіней, що радіально розходяться від краю екрана в область напівтемряви.
Дійсну ситуацію прояснює чисельний аналіз розв'язку Зоммерфельда. Якби Калашникову вдалося наблизити голки до краю екрана на дистанцію в декілька довжин хвиль, він виявив би по картині тіней, що геометричний центр “граничної” хвилі не тільки зміщений від краю назустріч падаючій хвилі, але і трансформований в ланцюжок точок, кожна з яких є центром своєї хвилі, що розходиться. В результаті в області тіні хвиля виявляється хвилею-привидом, яка при достатньому віддаленні від екрана поводиться подібно хвилі, що розходиться, Юнга, але поблизу краю такою не є. По суті, в цьому і складається значення зауваження Зоммерфельда про асимптотичний характер цієї хвилі.
Вичерпне пояснення ситуації, що розглядається, надає введена хвильова модель [21, 22]. “Фантомний” характер граничної хвилі, що спостерігається, і проблематичність її конкретного джерела є слідством єдиної обставини - ця хвиля являє собою невід'ємну частину суперпозиції двох нескінченних хвиль (d- хвилі і плоскої хвилі Ao/2), існуючих в повній відповідності до вимог електродинаміки і хвильової оптики.
Хвилю Юнга, що спостерігається в області тіні, вважають об'єктом свого дослідження і автори більшості повідомлень про експериментальне виділення граничної хвилі. Це - ще одна помилка, а суть справи і тут допомагає уточнити нова модель. Як правило, експерименти такого роду засновані на оптичній фільтрації дифрагованого поля, що приводить до виключення з його кутового спектра низькочастотних складових.
Результат впливу цієї процедури на поле ілюструє. Одержаний розподіл являє собою реконструйовану d-хвилю, звільнену як від плоскої хвилі Ао/2, так і від власних “параксіальних” компонент. Саме цю “проріджену" d-хвилю через її загальну якісну схожість з граничною (крива 3) і приймають звичайно за шукану хвилю Юнга. Щоб пересвідчитися в цьому, досить звернути увагу на структурні особливості поля, що спостерігається. Основними відмінними ознаками реконструйованої d-хвилі є характерна ширина дублету її центральних смуг і наявність у неї бічної структури, принципово відсутньої у граничної хвилі.
Ще одним свідченням спільності нової моделі може служити пояснення за її допомогою походження широкомасштабної періодичної структури, виникаючою при оптичній фільтрації поля крайової дифракції. Як показав аналіз, поява цієї структури зумовлена особливостями перетворення фільтром d-хвилі, що приводять до низькочастотної модуляції крил кінцевого розподілу. Один з розрахованих варіантів просторового розподілу поля, побудованого вказаним методом.
Сукупність представлених аргументів приводить до однозначного висновку про нездатність граничної хвилі Юнга виконувати функцію самостійної хвилі електромагнітного поля. Даний висновок, однак, ні в якій мірі не поменшує історичного значення самої моделі Юнга, що була важливим логічним рівнем в формуванні сучасних уявлень про дифракцію і що грала навперемінно роль то орієнтира, то подразника для розвитку нових ідей. Більш того, як випливає з розв'язку Зоммерфельда, при виключенні з розгляду границі геометричної тіні (тобто при обмеженні зони аналізу областю тіні або освітленої області) і достатньому віддаленні від екрана, гранична хвиля виявляється максимально простою і математично точною моделлю реального поля.
Дійсно, визначивши в якості граничної хвилі в області тіні (світла) суму з d-хвилі і плоскої хвилі з амплітудою Ао/2, ми в межах вказаної області отримуємо реальну електромагнітну хвилю, що розходиться, що задовольняє всім необхідним вимогам електродинаміки, хвильової оптики, строгому розв'язку Зоммерфельда і дифракційній моделі Юнга. Як бачимо в результаті, ідея Юнга знаходить вельми конструктивне відродження в рамках строгої теорії дифракції, надаючи якісно просту і кількісно точну модель реального поля в будь-якій з вказаних областей простору.
Як вже було продемонстровано у 2-му розділі дисертації, з використанням моделі граничної хвилі точність опису може бути дуже високою (навіть в умовах параксіального наближення), а процедура розрахунку - надзвичайно простою. До теперішнього часу перелік повідомлень, присвячених конструктивному використанню уявлень про граничну хвилю в різних розділах оптики, обчислюється десятками. Областями найбільш плідного використання цього поняття сьогодні можна назвати оптичну голографію (починаючи з вже згаданої основоположної роботи Габора) і оптику відкритих резонаторів.
Подальшому розвитку сингулярної моделі дифракції з побудовою більш загальної картини явища присвячено четвертий розділ дисертації.
Одним з найважливіших результатів, отриманих Зоммерфельдом при розв'язку задачі про дифракцію плоскої хвилі на напівплощині, став точний опис структури поля біля краю цієї напівплощини, тобто в області, яка завжди викликала найбільші ускладнення для розуміння поведінки тут вільної хвилі і конкретизації для неї граничних умов. Як відомо, невизначеність характеристик поля в області безпосереднього контакту падаючої хвилі з екраном і складає одну з основних проблем теорії дифракції. Тому, 4-й розділ починається з детального аналізу структури поля, що створюється біля краю напівплощини [13].
Принципово важливу деталь цього поля має трьохмірний розподіл відбитої напівплощиною компоненти. Мова йде про невелике “затікання” поля останньої за границю напівплощини. Як показує аналіз, не дивлячись на скромний питомий внесок цього поля в загальний розподіл, з ним пов'язано цілий ряд неочевидних властивостей цього явища. Ідентичний для всіх випадків розподіл “затікаючої” на напівплощину частини поля представлено. Приймаючи до уваги швидке спадання амплітуди цієї компоненти при віддаленні від напівплощини, що втрачає приблизно два порядки при віддаленні від краю на сто довжин хвиль, а також локалізацію найбільшої амплітуди (А0/2) на самому краї, ми назвали її “притиснутим” полем (за аналогією зі схожим терміном з теорії антен). Відмітимо, що для двовимірного розподілу “притиснутого” поля в площині z=0 повним кількісним аналогом є комбінація з двох симетричних крил граничної хвилі Юнга (5).
В загальній картині поля, що описується строгим розв'язком за лінією напівплощини, виділяються, по меншій мірі, три області простору, що розрізняються показником впливу на характеристики інтегрального поля:
1. Простір, безпосередньо прилеглий до краю екрана в межах декількох десятків довжин хвиль, де швидко спадаюча амплітуда “притиснутого” поля залишається сумірною з амплітудами інших присутніх тут хвильових компонент;
2. Параболічний сектор, орієнтований вздовж границі геометричної тіні і що вміщає з кожної сторони від неї до 2000 бічних максимумів поля, що утворюються при крайовій дифракції плоскої хвилі, де при видаленні від краю екрана на декілька сотень довжин хвиль строгий розв'язок носить чітко виражений скалярний характер (при дифракції на обмеженій апертурі дана область трансформується в кутовий сектор з розтином в 10о-15о);
3. Інша частина кутового простору (в межах радіан) з відліком безпосередньо від краю екрана, де строгий розв'язок виявляє векторний характер, тим більше сильно виражений, чим більший кут відділяє напрям спостереження від границі геометричної тіні.
Прокоментуємо коротко особливості кожної з цих областей. Наявність поля “притиснутого” до апертурного краю, проявляється при надмірному зближенні двох або більше апертурних границь (при неповному змиканні паралельних напівплощин, при використанні малого отвору тощо). У цьому випадку розв'язок, що отримується на основі розвинутого тут підходу, перестає задовольняти граничним умовам Зоммерфельда і для відновлення його точності необхідна відповідна поправка, тобто введення деякого “узгоджуючого” поля. При не дуже складній формі апертури розрахунок такої поправки може бути з необхідною точністю здійснено аналітичним шляхом (розділ 5).
Для переважної більшості практичних задач основний інтерес представляє друга з перерахованих областей, де структура поля, що формується, з вичерпною точністю розраховується за допомогою першої половини загального розв'язку (7), що не залежить від поляризації падаючої хвилі. Будемо далі для визначеності називати цю область хвильовою зоною, аналогічно з поняттям, введеним для поля осцилюючого диполя і що визначає область простору, де вплив електростатичного поля самого диполя стає знехтувано малим. Як очевидно, в нашому випадку в ролі електростатичного поля виступає “притиснуте” поле. Конкретні границі хвильової зони, отримано усередненням даних відповідних експериментальних вимірювань.
Самостійний фізичний інтерес має третя область - область великих кутів дифракції, де завдяки присутності “притиснутого” поля задача набуває переважно векторного характеру, який досягає максимального прояву на тіньовій стороні екрана. Помітна присутність “притиснутого” поля на великому віддаленні від екрана в цьому випадку пояснюється тим, що при значному відхиленні хвильового вектора дифрагуючої хвилі від початкового напряму поширення швидкість просторового спадання її амплітуди виявляється сумірною зі зменшенням амплітуди “притиснутого” поля, що зберігає їх енергетичний паритет незалежно від абсолютних значень самих цих амплітуд (які тут, природно, вельми малі).
Першим дослідником дифракції при великих кутах відхилення вважають Гуї, який виявив в області тіні виразну залежність інтенсивності поля від поляризації падаючої хвилі, від матеріалу, з якого виготовлений екран, і від форми його краю. Зокрема, інтенсивність поля, що спостерігалося ним, зростала зі збільшенням гостроти апертурної кромки. На жаль, спостереження, зроблені більше за століття тому, дозволили Гуї дати лише якісний опис вказаних особливостей.
Судячи з літератури, зроблене нами експериментальне дослідження цих залежностей (перші результати яких представлено в дисертації), стало другою після праці спробою їх кількісного уточнення. Самі ж описані Гуї закономірності знайшли просте фізичне пояснення в рамках моделі, що використовується тут. Дійсно, поле в тіньовій області, будучи суперпозицією “притиснутого” і дифрагуючого полів, чутливе до будь-якої зміни їх енергетичного балансу. На інтенсивність цього поля, зокрема, впливають:
а) зміна поляризації падаючої хвилі, що міняє знак “притиснутого” поля;
б) зміна коефіцієнта відображення екрана, що міняє амплітуду “притиснутого” поля;
в) зміна товщини (гостроти) апертурного краю, що приводить до часткового або повного екранування “притиснутого” поля з відповідною зміною його присутності в тіньовій зоні.
Перші дві залежності стали в роботі предметом детального кількісного аналізу (в третьому випадку це ускладнювалося відсутністю необхідних експериментальних даних). Результати виконаних далі експериментальних вимірювань в межах похибки однозначно підтвердили достовірність запропонованого пояснення. Ця обставина стала ще одним підтвердженням загальності застосованої моделі, яка має характерні кількісні ознаки (з можливістю їх експериментальної перевірки) практично в любій частині дифракційного простору.
Для розповсюдження нової моделі на більш складні апертури принципово важливим є розв'язок з її допомогою двох ключових задач: про дифракцію плоскої хвилі на щілині і довільного хвильового пучка на прямому краї екрана. Аналіз обох задач проведено в п'ятому розділі дисертації.
Перша задача певним чином зводиться до дифракції на двох спряжених на півплощинах [20]. Як відомо, її строгий розв'язок поки ще не знайдено. В зв'язку з цим розгляд проводиться в два етапи: спочатку встановлюється загальний розв'язок для поля в хвильовій зоні, а потім він використовується в якості базового для побудови строгого розв'язку. В основу аналізу покладено очевидну вимогу: при спрямуванні відстані між напівплощинами до нескінченності шуканий розв'язок повинно асимптотично перейти в розв'язок Зоммерфельда.
Оскільки параболічне рівняння є окремим випадком хвильового, при невеликому відхиленні від напрямку розповсюдження початкової хвилі (параксіальна область) і відступу від щілини на декілька десятків довжин хвиль (хвильова зона) їх розв'язки співпадають. Але розв'язок параболічного рівняння ускладнень не викликає (розділ 2): поле, що утворюється за щілиною, є суперпозицією двох d-хвиль, що породжуються кожною з напівплощин. Єдиною відмінністю цих хвиль від хвиль, що відповідають строгому розв'язку, є їх параксіальна обмеженість. Останнє легко усувається, як і у випадку однієї напівплощини, заміною хвильового параметра (верхня границя інтегралу Френеля) = на.
Таким чином, поле, що формується при дифракції плоскої хвилі на щілині, є суперпозицією двох d-хвиль, що зв'язані з кожним з її країв. При довільному нахилі падаючої хвилі цей розв'язок має вигляд:
Ця комбінація повністю задовольняє сформульованому вище асимптотичному критерію: при нескінченому віддаленні однієї половини щілини (разом з центром відповідної d-хвилі), розподіл поля біля напівплощини, що залишається, є суперпозицією d-хвилі, що збереглася, і плоскохвильової компоненти, в яку трансформується крило “віддаленої” d-хвилі. В цьому “парадоксі” і є фізична загадка шуканого розв'язку: при спрямуванні інтервалу між напівплощинами до нескінченності, кожна з d-хвиль починає все в більшій мірі грати роль плоскої хвилі для дальньої напівплощини.
В силу викладеного при аналізі задачі про щілину дифракцію на напівплощині логічно розглядати як дифракцію на щілині з нескінченно віддаленою половиною. В цьому випадку процес крайової дифракції при зближенні двох напівплощин плавно трансформується в дифракцію на щілині.
Звернемо увагу на істотну деталь: як виходить з викладеного, ні при яких умовах розв'язок задачі, що розглядається, не може бути зведено до адитивної суми розв'язків для двох напівплощин, що здавалося б природним припустити для досить широкої щілини.
З використанням в контрольному експерименті щілини шириною 1 мм і добре колімованого пучка одномодового He-Ne-лазера розраховані по формулі (12) і реально зареєстровані картини дифракції виявилися повністю ідентичними до гранично малих - ковзаючих кутів падіння пучка на щілину (min = 1,7o) включно, в той час, як сама картина, що спостерігалася, зазнавала істотної деформації. Хоча розв'язок (12) є більш точним, ніж розв'язок параболічного рівняння, однак, на поверхні екрана навіть в цьому випадку граничні умови Зоммерфельда (що приводилися вище для розв'язку (7)) задовольняються не строго. Основними причинами цього є взаємне перекриття “притиснутих” полів від протилежних країв щілини і збурення кожної з d-хвиль, пов'язане з присутністю другого краю. В результаті, суперпозиція хвиль, що пройшли і відбилися щілиною d-хвиль задовольняє граничним умовам на поверхні щілини з деякою похибкою E, яка прямує до нуля при збільшенні ширини щілини.
Таким чином, задача побудови строгого розв'язку для щілини звелася до встановлення виду додаткового поля “що виправляє” інтегральний розподіл d-хвиль біля самої щілини, і тим самим, забезпечує відповідність загального поля граничним умовам на поверхні щілини. Такий розв'язок одержано в даній роботі для випадку нормального падіння хвилі на щілину (із-за економії місця сам розв'язок тут не приводиться). Для побудови необхідного розподілу поля використовувався спосіб, запропонований Ф.Горі [19*] (який дійшов до строгого розв'язку Зоммерфельда практично “елементарним” шляхом). Спосіб складається в підборі необхідної комбінації елементарних розв'язків рівняння Гельмгольца.
Завдяки відсутності у хвилі (13) випромінювання в зворотному напрямку, вона не порушує граничних умов на протилежній напівплощині, тому побудова шуканого розв'язку для довільної половини щілини не вносить додаткових збурень для поля другої половини.
Наступною стала задача про дифракцію на напівплощині - екрані довільного хвильового пучка. Оскільки такий пучок можна представити сукупністю плоских хвиль, кожна з яких дифрагує на вказаному краї незалежно, спосіб розв'язку цієї задачі в загальних рисах був зазначений раніше і справа складалася лише в подоланні конкретних математичних труднощів [14].
Як було встановлено, основним процесом, що визначає еволюцію пучка по мірі його віддалення від напівплощини, є послідовний вихід “з гри” крайніх екстремумів його дифракційної структури з відповідним спрощенням загальної картини поля. Для пояснення механізму цього процесу досить врахувати, що просторове розпливання пучка (дифузія хвильової амплітуди) та вказаної структури (масштабна інваріантність D-хвилі) відбуваються з різними швидкостями, причому остання, як не важко оцінити, перевищує першу. Вказана обставина робить послідовний вихід дифракційних екстремумів за межі пучка неминучим.
Найбільш характерною властивістю дальньопольного розподілу дифрагованого пучка (зокрема, в фокальній площині лінзи) є його стійка симетрія, що зберігається при будь-якій величині зміщення пучка відносно краю екрана. Для пояснення цієї властивості дальнього поля досить представити його сукупністю дифрагованих плоских хвиль, розподіл полів яких в фокальній площині лінзи, як було встановлено раніше (розділ 3), принципово симетричний.
У заключному шостому розділі дисертації зроблена спроба узагальнення досвіду, накопиченого при розробці і розвитку сингулярної моделі, що розглядається, і його поширення на плоскі апертури довільної форми.
При переході до задачі про дифракцію довільно орієнтованого пучка на довільній апертурі істотною перешкодою для аналізу став двовимірний характер розв'язку Зоммерфельда (7), знайденого для площини, нормальної до дифракційного краю. Ця обставина поставила на порядок денний питання про перехід до трьохвимірного варіанту цього розв'язку.
Розв'язок (17) дозволив перейти до розгляду більш складних варіантів явища, найважливішим з яких стала дифракція нахиленої плоскої хвилі на прямокутному отворі (відомостей про подібні дослідження в літературі знайти не вдалося). Надалі розв'язок даної задачі став базовим для розрахунку полів, що утворюються при більш складних варіантах апертурної дифракції.
Спроби розрахунку дифракції плоскої хвилі на найпростішій з “криволінійних” апертур - круглому отворі - колишнім способом, тобто з виділенням з дифрагованого поля D-хвилі, залишилися безрезультатними. Дана обставина підштовхнула до пошуку інших, більш гнучких підходів до розв'язку подібних задач. Підсумком зробленого пошуку стала розробка досить загального за своїми можливостями методу інтегрального розрахунку поля дифракції, що формується двохвимірною апертурою довільної форми. З урахуванням існування в теорії дифракції і інших інтегральних методів розрахунку, розроблений метод для конкретності був названий “інтегрально-сингулярним”. Суть його полягає в наступному.
Розглянемо дифракцію плоскої хвилі на прямокутній апертурі. Умовно розділимо її на дві довільні прямокутні ділянки і знайдемо суму полів Е, що породжуються ними, виразивши для простоти амплітуди dj-хвиль через відповідні ним координати:
Е1=(X2-X1)(Y2-Y1)+(X3-X2)(Y2-Y1)=(X3-X1)(Y2-Y1) (18)
Як бачимо, сумарне поле тотожно співпадає з полем самої апертури, що пов'язано з взаїмоусунених внутрішніх dj-хвиль, які знаходяться в протифазі. Даний результат демонструє загальну властивість таких апертур: при об'єднанні полів довільного числа прямокутних ділянок хвильові компоненти, відповідні до їх суміжних границь, зазнають взаємне інтерференційне гасіння, що автоматично виключає їх з подальшого розгляду.
Ускладнимо приклад, взявши довільну комбінацію таких ділянок. Їх сумарне поле
Е2=(X1Y1+X2Y3+X3Y2)-(X1Y3+X2Y2+X3Y1) (19)
являє собою різницю двох однотипних сум, що об'єднують dj-хвиль від зовнішніх границь, за простим правилом: однакові по черзі слідування доданки в круглих дужках являють собою комбінацію хвилі Хi з ортогональними їй хвилями Уk, сусідніми з нею, відповідно, “ліворуч” і “праворуч”.
Як бачимо, початкова ідея не нова - розбивка складного поля на прості складові лежить в основі всіх інтегральних методів розрахунку. Однак, в нашому випадку, на відміну від традиційного підсумовування елементарних (наприклад, повторних) хвиль, мова йде про підсумовування вельми складних дифракційних полів, кожне з яких об'єднує по чотири dj-хвилі. Після обгрунтованого вище виключення з розгляду внутрішніх перегородок апертури в полі аналізу залишаються лише хвилі, пов'язані з вцілілими фрагментами зовнішніх прямокутників.
Вводячи в (20) явний вираз для d-хвилі, використовуючи теорему про середнє і здійснюючи граничний перехід, що згладжує ступінчастий рельєф апертурної границі, приходимо до шуканого представлення поля в хвильовій зоні.
Як бачимо, структура ядра отриманого виразу вельми проста, об'єднуючи як співмножники дві ортогональні d-хвилі і похідну від профілю отвору zo. Аналогічно знаходиться розв'язок і для нахиленого (кут ) падіння плоскої хвилі.
Отримані розв'язки (21) і (22) для довільного отвору з використанням принципу Бабіне, легко перетворюються в розв'язок для аналогічного за формою непрозорого диска: :
.
І, нарешті, з розкладанням світлового пучка по плоских хвилях і залученням в якості опорного виразу розв'язку (22) виявилося неважким знайти загальний розв'язок для поля в хвильовій області, що утворюється при дифракції довільного пучка, нормально падаючого на довільний за формою плоский отвір.
У дисертації представлено як чисельні розв'язки перерахованих задач для апертур з нетрадиційними конфігураціями, так і результати їх “натурного” моделювання. Практично повний збіг тих і інших дозволяє вважати апробацію нового підходу цілком задовільною.
Висновки
У дисертації обґрунтовано і успішно апробовано оригінальний кількісний підхід до дифракції електромагнітних хвиль на двохвимірних апертурах, що має ряд практично важливих переваг перед іншими існуючими підходами до цього явища. До основних переваг нового підходу відносяться:
1. Фізично ясне і наочне трактування хвильового явища, що розглядається;
2. Простота експериментального виділення введених компонент дифракційного поля;
3. Висока точність розрахунку характеристик поля, що утворюється;
4. Спільність моделі для всіх областей дифракційного простору;
5. Можливість розв'язку дифракційних задач підвищеної складності.
Основні результати роботи полягають в наступному
1. Обґрунтовано і розвинено новий підхід до дифракції електромагнітних хвиль, що базується на фізично коректній хвильовій інтерпретації строгого розв'язку Зоммерфельда для плоскої хвилі, дифрагуючій на напівплощині. В основі цієї інтерпретації лежить представлення поля навколо екрана у вигляді суперпозиції 4-х самостійних і фізично реалізуємих хвиль, що попарно розповсюджуються назустріч одна одній. У хвильових же областях перед і за екраном результуюче поле формується внаслідок інтерференції лише двох хвиль, причому в зоні тіні ця інтерференція деструктивна.
2. Показано, що при дифракції плоскої хвилі на апертурі з прямолінійними границями (напівплощина, щілина, смуга, прямокутний отвір тощо) основну інформацію про поле, що формується, містить одна або більше (по числу границь) однотипних d-хвиль, кожна з яких характеризується половинною по відношенню до початкової хвилі амплітудою і містить крайову дислокацію, просторово співпадаючу з границею геометричної тіні. При більш складних формах апертури або характері дифрагуючої хвилі аналогічну роль грає D-хвиля, інтегруюча елементарні сингулярні компоненти від всіх точок апертурної границі.
3. Експериментально встановлено правомірність поширення розв'язку Зоммерфельда на екран з довільною провідністю і гострим (меншим за ) краєм, якщо доданок цього розв'язку, що представляє амплітуду відбитої хвилі, домножити на комплексний коефіцієнт відбиття екрана, що враховує додатковий фазовий набіг хвилі у відбиваючому шарі. Для поля в хвильовій зоні розв'язок Зоммерфельда залишається справедливим незалежно від оптичних і геометричних особливостей екрана, що використовується.
4. На основі запропонованої моделі знайдено просте кількісне пояснення залежності дифракції Гуї від поляризації початкової хвилі, матеріалу екрана і форми його краю, яке повністю узгоджується з результатами експериментальних спостережень.
5. З використанням сингулярної моделі знайдено строгий розв'язок задачі про дифракцію плоскої хвилі (Е-поляризація), що падає нормально на ідеально провідну щілину, а також побудовано і експериментально випробувано точні розв'язки для поля, що формується в хвильовій зоні при дифракції довільно орієнтованої плоскої хвилі на довільному по формі плоскому отворі, і довільного пучка, що падає нормально на аналогічний отвір.
Список публікацій автора
1. Анохов С.П., Марусий Т.Я., Соскин М.С. Перестраиваемые лазеры. - М.: Радио и связь, 1982. - 360 с.
2. Анохов С.П., Кравченко В.И., Соскин М.С., Сидоров С.В. Анализ метода одночастотной внутрирезонаторной спектроскопии. // УФЖ. - 1978.- т. 23, № 2. - С. 333 - 335.
3. Anokhov S.P., Galich G.A., Kravchenko V.I, Khanin Ya.I. Sweep-laser on dynamic modes // Optics Commun. - 1978. - v. 25, №. 3. - P. 384 - 386.
4. Анохов С.П., Кравченко В.И., Соскин М.С., Сидоров С.В. О чувствительности метода конкурирующих пучков в лазерной внутрирезонаторной спектроскопии. // Квант. Электрон. (“Наукова думка”). - 1978. - вып. 14. - С. 37 - 45.
5. Анохов С.П., Кравченко В.И., Сидоров С.В. О возможности определения малых коэффициентов поглощения по пороговым характеристикам генерации конкурирующих перестраиваемых лазеров. // УФЖ. - 1979. - т. 24, № 3. - С. 304 - 308.
6. Анохов С.П., Марусий Т.Я., Соскин М.С. О селективных свойствах малоапертурных резонаторов с угловой дисперсией. // Квант. Электр. - 1983. - т. 10, № 11. - С. 2304 - 2310.
7. Анохов С.П. Новый подход к резонаторам с одномерной дисперсией. // Квант. Электр. - 1994. - т. 21, № 5. - С. 433 - 438.
8. Anokhov S. A laser cavity used as an etalon for interferometric control of its own field. // Optics & Laser Techn. - 1998. - v. 30, №. 1. - P. 23 - 26.
9. Anokhov S. Detailed study of plane-plane cavity fundamental mode far-field structure. // Proc. SPIE. - 1998. - v. 4018. - P. 111 - 117.
10. Анохов С.П. О статье Ю.Н. Пархоменко “Роль аберрационных эффектов в дисперсионных резонаторах”. // Квант. Электр. - 1999. - т. 28, № 3. - С. 281 - 282.
11. Anokhov S. On problem of the rigorous diffraction quantitative description. // Sem. Phys. Quant. Elect. & Opt. 1999. v. 2. №. 4. P. 66 69.
12. Khizhnyak A.I., Anokhov S.P., Lymarenko R.A., Soskin M.S., Vasnetsov M.V. Manifestation of a hidden dislocation wave originated in a plane wave diffraction of on a half-plane screen. // Proc. SPIE. 1999. v. 3904. P. 19 26.
13. Khizhnyak A.I., Anokhov S.P., Lymarenko R.A., Soskin M.S., Vasnetsov M.V.
14. The structure of edge-dislocation wave originated in plane-wave diffraction by a half-plane. // J. Opt. Soc. Am. A. 2000. v. 17. №. 12. P. 2199 2207.
15. Anokhov S.P., Khizhnyak A.I., Lymarenko R.A. Diffraction of optical beam by a half-plane. // Sem. Phys. Quant. Elect. & Opt. 2000. v. 3. №. 1. P. 94 101.
16. Anokhov S. New interpretation of the boundary diffracted wave origin. // Sem. Phys. Quant. Elect. & Opt. 2000. v. 3. №. 2. P. 254 257.
17. Anokhov S. Simple waveguide model of arbitrary filled plane-plame cavity. // Sem. Phys. Quant. Elect. & Opt. 2000. v. 3. №. 3. P. 406 409.
18. Anatoliy I. Khizhnyak, Sergey P. Anokhov, Ruslan A. Lymarenko. A new approach of the diffraction phenomena describing. // Proc. SPIE. 2000. v. 4095. P. 49 57.
19. Анохов С.П. Про кутову структуру основної моди малоапертурного резонатора з плоскими дзеркалами. // УФЖ. - 2000. - т. 45, № 8. - С. 929 - 930.
20. Ruslan A. Lymarenko, Marat S. Soskin, Anatoliy I. Khizhnyak, Sergey P. Anokhov. The properties and space evolution of hidden singularities in apertured electromagnetic field. // Proc. SPIE, 2th International Conf. on Singular Optics. 2000.
21. Анохов С.П., Лимаренко Р.А., Хижняк А.І. Про дифракцію на щілині довільно нахиленої плоскої хвилі. // УФЖ. 2001. т. 46. № 1. C. 62 64.
22. Анохов С.П., Лимаренко Р.А., Соскін М.С., Хижняк А.І. Простий метод візуалізації границі геометричної тіні. // УФЖ. 2001. т. 46. №2. C. 158 160.
23. Анохов С.П., Лимаренко Р.А., Хижняк А.І. Про фіктивний характер граничної хвилі Юнга. // УФЖ. 2001. т. 46. № 3. C. 298 302.
24. Анохов С.П. Особливості багатопроменевої інтерференції світла в реальному резонаторі. // УФЖ. 2001. т. 46. №7. C. 683 688.
Анотація
Анохов С.П. Обґрунтування і розвиток сингулярної моделі дифракції. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.05 - оптика, лазерна фізика. Інститут фізики НАН України, Київ, 2001. Рукопис.
Дисертація присвячена розвитку оригінального підходу до дифракції електромагнітних хвиль на двохвимірних апертурах. У його основу покладена нова хвильова інтерпретація строгого розв'язку Зоммерфельда для плоскої хвилі, дифрагуючій на ідеально провідній напівплощині. Зокрема, хвиля, дифрагована в прямому напрямку, представляється суперпозицією двох хвиль: плоскої хвилі, що подібна падаючій, але з вдвічі зменшеною амплітудою, і аналогічної по амплітуді квазіплоскої нескінченої хвилі, фронт якої деформований крайовою дислокацією, що розповсюджується вздовж границі геометричної тіні.
Розроблені в дисертаційній роботі прийоми теоретичного і експериментального аналізу явища орієнтовані на вичерпне, точне і повне представлення картини поля, що утворюється при дифракції реального світлового пучка на реальній двохвимірній апертурі. Перевагою нового підходу є можливість розв'язку задач підвищеної складності, зокрема, розрахунок полів дифракції при кутах спостереження, що виходять за межі параксіальної області, розрахунок дифракції складних, довільно орієнтованих хвильових пучків на двохвимірних апертурах довільної форми, аналіз оптичного перетворення дифрагованих пучків тощо.
Ключові слова: дифракція, електромагнітна хвиля, екран, апертура, крайова дислокація хвильового фронту, світловий пучок, структура поля.
Аннотация
Анохов С.П. Обоснование и развитие сингулярной модели дифракции. Диссертация на соискание ученой степени доктора физико-математических наук по специальности 01.04.05 - оптика, лазерная физика. - Институт физики НАН Украины, Киев, 2001. Рукопись.
Диссертация посвящена развитию оригинального подхода к дифракции электромагнитных волн на двумерных апертурах. В его основу положена новая волновая интерпретация строгого решения Зоммерфельда для плоской волны, дифрагирующей на идеально проводящей полуплоскости. Переход к новому представлению достигается несложным эквивалентным преобразованием самого строгого решения, в результате чего оно распадается на четыре самостоятельные слагаемые, отождествляемые с четырьмя волнами, распространяющимися попарно в исходном направлении и в направлении зеркального отражения света от полуплоскости.
В частности, волна, дифрагированная в прямом направлении, представляется суперпозицией двух волн: плоской волны, подобной падающей, но с вдвое уменьшенной амплитудой, и аналогичной по амплитуде квазиплоской бесконечной волны, фронт которой деформирован краевой дислокацией, распространяющейся вдоль границы геометрической тени. Последняя волна, названная d-волной (diffraction + dislocation), содержит практически всю количественную информацию о происходящем явлении. По своей аналитической структуре она является полным аналогом хорошо известной спирали Корню. Интерференция d-волны с присутствующей плоской волной и даёт картину реально наблюдаемого поля. Все отмеченные особенности обсуждаемых волн получили в работе однозначное экспериментальное подтверждение.
В соответствии с изложенным, простейшая сингулярная модель дифракции может быть выражена следующим образом: дифракция плоской волны на прямом крае экрана в направлении её падения тождественна дифракции половины этой волны (по амплитуде) на полуволновой фазовой ступеньке, совпадающей с краем экрана, в то время, как вторая половина волны остаётся невозмущённой. Введенная модель позволила конкретизировать в дифракционном пространстве реальные границы между областями скалярной и векторной дифракции и впервые дать простое объяснение физических особенностей дифракции при больших углах отклонения от границы геометрической тени (дифракция Гуи). В частности, показано, что причиной большинства особенностей дифракции в области глубокой тени и в непосредственной близости от края экрана является поле, принадлежащее волне, отражённой экраном.
Экспериментально установлено, что решение Зоммерфельда может быть распространено на экран с произвольной проводимостью и острым (менее ) краем, если слагаемое этого решения, представляющее амплитуду отраженной волны, домножить на комплексный коэффициент отражения экрана, учитывающий дополнительный фазовый набег волны в отражающем слое. Для поля в волновой зоне решение Зоммерфельда остается справедливым независимо от оптических и геометрических особенностей используемого экрана, что опровергает распространенное мнение об идеализированном характере этого решения.
Теоретически и экспериментально показано, что граничная волна Юнга, понимаемая, как реальная волна электромагнитного поля, физически неосуществима, а выделяемая в экспериментах похожая на неё компонента представляет собой модифицированный вариант d-волны. С помощью введенной модели найдены точные в пределах волновой зоны (область скалярной дифракции) решения для щели и прямоугольной апертуры, принципиально важные для дальнейшего анализа. В частности, найденное решение для щели представляет собой суперпозицию двух d-волн, порождаемых каждым из краёв этой щели.
Одним из важнейших итогов исследований явилась разработка “интегрально-сингулярного” метода расчёта поля, формируемого при дифракции реальной волны на произвольной двумерной апертуре. Метод основан на представлении произвольной апертуры совокупностью элементарных прямоугольных апертур, для которых решение на основе d-волн уже известно. Точность данного метода в наиболее важной для практики волновой зоне соответствует точности решения Зоммерфельда. Возможности метода продемонстрированы в работе на примере ряда конкретных задач, вызывавших затруднения для их решения традиционными методами, при этом рассчитанная структура поля полностью совпала с экспериментально регистрируемой картиной.
Разработанные в диссертационной работе приёмы теоретического и экспериментального анализа явления ориентированы на исчерпывающе точное и полное представление картины поля, образуемого при дифракции реального светового пучка на реальной двумерной апертуре. Достоинством нового подхода является возможность решения задач повышенной сложности, в частности, расчёт полей дифракции при углах наблюдения, выходящих за пределы параксиальной области, расчёт дифракции сложных, произвольно ориентированных волновых пучков на двумерных апертурах произвольной формы, анализ оптического преобразования дифрагированных пучков и др.
Ключевые слова: дифракция, электромагнитная волна, экран, апертура, краевая дислокация волнового фронта, световой пучок, структура поля.
Abstract
S.P. Anokhov. Ground and development of singular model of diffraction. Thesis for a doctor's degree in physics and mathematics speciality 01.04.05 - optics, laser physics. - Institute of physics of National Academy of Science of Ukraine, Kyiv, 2001. Manuscript.
This thesis is devoted to the development of the unconventional approach towards diffraction of electromagnetic waves on two-dimensional apertures. The approach is based on the new wave interpretation of Sommerfeld's rigorous solution of the problem of diffraction of a plane waves by the perfectly conducting half-plane. In particular, the wave, diffracted in forward direction, is a superposition of two more simple waves. One is the plane wave like to the incident wave having twice lower amplitude, while the another is similar in amplitude quasi-plane infinite wave which front is distorted by the edge dislocation expanding along the boundary of geometrical shadow.
The approaches towards theoretical and experimental analysis of the phenomenon have been developed in the thesis are oriented towards the exhaustively accurate and complete representation of the field formed at diffraction of a real light beam on a real two-dimensional aperture. The advantages of this new approach include capability to solve the problems of high complexity, in particular, the calculations of diffraction fields at observation angles beyond the limits of paraxial area, diffraction of complex arbitrarily oriented wave on two-dimensional apertures of arbitrary shape, analysis of optical transforms of diffracted beams and so on.
Keywords: diffraction, electromagnetic wave, screen, aperture, wave front edge dislocation, light beam, field structure.
Размещено на Allbest.ru
...Подобные документы
Дифракція і принцип Гюйгенса. Порушення прямолінійного поширення світла. Розташування і ширина максимумів дифракції на екрані. Умови чіткого спостереження дифракції від однієї щілини. Роздільна здатність мікроскопа і телескопа. Дифракційна гратка.
дипломная работа [2,0 M], добавлен 12.02.2009Вивчення сутності дифракції світла - будь-якого відхилення світлових променів від прямих ліній, що виникають у результаті обмеження чи перекручування хвильового фронту. Обчислення розподілу інтенсивності світла в області дифракції. Дифракція Фраунгофера.
реферат [577,0 K], добавлен 04.12.2010Вивчення законів відбивання, прямолінійного розповсюдження та заломлення. Характеристика приладів геометричної оптики: лінза, дзеркало, телескоп, тонка призма, мікроскоп, лупа. Розгляд явищ інтерференції та дифракції. Квантова природа випромінювання.
курс лекций [320,4 K], добавлен 29.03.2010Існування електромагнітних хвиль. Змінне електромагнітне поле, яке поширюється в просторі з кінцевою швидкістю. Наслідки теорії Максвелла. Хвильові рівняння електромагнітних хвиль та рівняння Максвелла. Енергія електромагнітних хвиль, вектор Пойнтінга.
реферат [229,2 K], добавлен 06.04.2009Поняття дифракції, її сутність і особливості, різновиди та характеристика, відмінні риси. Основні положення принципу Гюйгена-Френеля, його значення та практичне використання. Дифракція Фраунговера на щілині. Поняття та призначення дифракційної решітки.
реферат [603,5 K], добавлен 06.04.2009Явища інтерференції і дифракції світла. Метод зон Френеля. Дифракція Фраунгофера на круглому отворі, на щілині. Дифракційна решітка. Кутова дисперсія і роздільна здатність дифракційної решітки. Дифракція рентгенівських променів на просторовій решітці.
реферат [607,1 K], добавлен 06.04.2009Взаємодія електромагнітних хвиль з речовиною. Особливості поширення електромагнітних хвиль радіочастотного діапазону в живих тканинах. Характеристики полів, що створюються тілом людини. Електронні переходи в збудженій молекулі. Фоторецепторні клітини.
реферат [238,5 K], добавлен 12.02.2011Електромагнітна хвиля як змінне електромагнітне поле, що розповсюджується в просторі. Властивості електромагнітних хвиль. Опис закономірностей поляризації світла, види поляризованого світла. Закон Малюса. Опис явища подвійного променезаломлення.
реферат [277,9 K], добавлен 18.10.2009Біполярний транзистор як напівпровідниковий елемент електронних схем, із трьома електродами, один з яких служить для керування струмом між двома іншими. Схема радіозв`язку та її елементи, розповсюдження електромагнітних хвиль у вільному просторі.
контрольная работа [73,3 K], добавлен 11.01.2013Уравнения, структура и параметры реального электромагнитного поля, состоящего из функционально связанных между собой четырех полевых векторных компонент: электрической и магнитной напряженностей, электрического и магнитного векторного потенциала.
статья [166,2 K], добавлен 25.04.2009Вивчення фізичної сутності поняття атомного ядра. Енергія зв’язку і маса ядра. Електричні і магнітні моменти ядер. Квантові характеристики ядер. Оболонкова та ротаційні моделі ядер. Надтекучість ядерної речовини. Опис явищ, що протікають в атомних ядрах.
курсовая работа [50,2 K], добавлен 07.12.2014Дослідження тунельного ефекту в рамках квантової механіки та шляхів розв'язку рівняння Шредінгера, що описує можливість подолання частинкою енергетичного бар'єру. Визначення коефіцієнту прозорості та іонізації атома під дією зовнішнього електричного поля.
курсовая работа [1,3 M], добавлен 05.09.2011Розвиток асимптотичних методів в теорії диференціальних рівнянь. Асимптотичні методи розв’язання сингулярно збурених задач конвективної дифузії. Нелінійні моделі процесів типу "конвекція-дифузія-масообмін". Утворення речовини, що випадає в осад.
курсовая работа [1,0 M], добавлен 23.04.2017Вибір електромагнітних навантажень, визначення головних розмірів, геометричних співвідношень і обмоткових даних. Розрахунок розподілу індукції в технологічному зазорі та струму неробочого руху. Визначення та обґрунтування втрат короткого замикання.
курсовая работа [1,2 M], добавлен 24.07.2022Сутність і практичне значення принципу суперпозиції хвиль. Умови виникнення та методика розрахунку групової швидкості хвиль. Зв'язок між груповою та фазовою швидкістю, схожі та відмінні риси між ними. Поняття інтерференції, її сутність і особливості.
реферат [249,4 K], добавлен 06.04.2009Електромагнітні імпульси у середовищі, взаємодія електромагнітних хвиль з речовиною. Квантовій опис атомів і резонансна взаємодія з електромагнітним полем, площа імпульсів. Характеристика явища фотонної ехо-камери та його експериментальне спостереження.
курсовая работа [855,2 K], добавлен 13.08.2010Історія магнітного поля Землі, його формування та особливості структури. Гіпотеза походження та роль даного поля, існуючі гіпотези та їх наукове обґрунтування. Його характеристики: полюси, меридіан, збурення. Особливості змін магнітного поля, індукція.
курсовая работа [257,4 K], добавлен 11.04.2016Поняття хвильових процесів, їх сутність і особливості, сфера дії та основні властивості. Різновиди хвиль, їх характеристика та відмінні риси. Методика складання та розв’язання рівняння біжучої хвилі. Сутність і умови виникнення фазової швидкості.
реферат [269,7 K], добавлен 06.04.2009Змінне електромагнітне поле в однорідному середовищі та вакуумі. Поводження хвиль на границях розділу. Відбивна й пропускна здатність, кут Брюстера. Рівняння поширення хвиль у оптичному хвилеводі. Дисперсійні рівняння тришарового діелектричного хвилеводу.
курсовая работа [289,9 K], добавлен 21.01.2011Розрахунок схеми можливої прокладки кабелів ОТЗ і ДТЗС з небезпечним сигналом для приміщення. Розв'язання рівняння залежності модулів електромагнітних зв`язків від ємнісних та індуктивних зв'язків. Висновок про ступінь захищеності інформації у схемі.
контрольная работа [180,3 K], добавлен 23.08.2010