CC BY
28О средах с необычными квазиоптическими свойствами
Силин Р. А.,
Федеральное Государственное Унитарное Предприятие "Исток"
В последнее время появились сообщения [1 - 4] о создании якобы принципиально нового материала с отрицательным коэффициентом преломления, который назван авторами левшой. В наших работах он называется средой (искусственным диэлектриком) с отрицательной дисперсией. Следует заметить, что такой материал не нов. Он известен давно. Кроме того, в [1- 4] имеются кое-какие неточности. Этим вопросам посвящена настоящая заметка.
Существование материала с отрицательным коэффициентом преломления т. е. материала, в котором фазовая и групповая скорости направлены навстречу друг другу, предсказал советский физик Л.И.Мандельштам [5] в 1940 году. При этом он показал, что преломленная волна в таком материале отклоняется от нормали в сторону, противоположную по сравнению с обычными материалами. Он же пытался обнаружить это явление экспериментально [6]. Для случаев, когда волна может бежать лишь в одном направлении, такие среды стали предлагать и использовать, начиная с 1952 г., при создании ламп [7 - 9] и антенн [10] с обратной волной. В лампах с обратной волной энергия излучается движущимся электроном в сторону, противоположную направлению движения. Это явление представляет по существу обратный эффект Черенкова - Вавилова, о котором пишет в 1967 г. В.Г.Веселаго [11].
В связи с попытками создать электронные приборы (генераторы и усилители) повышенной мощности в пятидесятых годах прошлого века начали исследовать структуры, периодические в двух измерениях [12 - 16]. В частности, в работе [16] более чем на 40 лет раньше, чем в [1], предложена и исследована конструкция структуры (рис.1), имеющей отрицательную дисперсию в двух измерениях в первой (т.е. - самой длинноволновой) полосе пропускания, тогда как в [1] структура имеет отрицательную дисперсию лишь в одном измерении, да и то во второй полосе пропускания (смотрите также [19]).
Исследованию необычных квазиоптических явлений в средах, ведущих волны в двух измерениях, посвящено большое количество работ [16 - 34]. Как правило, исследование проводится с использованием понятия поверхности волновых векторов [35], которые по аналогии с изоэнергитическими поверхностями в физике твердого тела, называются нами и рядом других авторов [32 - 34] изочастотами. Использование аппарата изочастот позволяет рассматривать любые длины волн, а не требовать, чтобы они были существенно больше периода структуры. Именно такое требование имеет место при использовании понятий проницаемостей вид[1 -4, 11], так как они находятся в результате усреднения поля. Авторами работ [16 - 34] обнаружено большое количество явлений, помимо описанных в [1 - 4].
На рис.1 кроме изображения искусственного диэлектрика приведены его изочастоты. Направление волнового вектора в такое же, как фазовой скорости. Групповая скорость Уг = ( направлена перпендикулярно изочастоте в сторону возрастания
частоты [19, 30]. При размерах Н1 < Н частота растет по мере убывания так что угол
между Vг и в превышает п/2. При малых || этот угол равен п, т.е. фазовая и групповая скорости направлены навстречу друг другу.
Рис.1.
К обнаруженным явлениям относится не только то, что в плоско-параллельной пластине из материала с отрицательной дисперсией предмет и изображение могут находиться по разные ее стороны [11, 23]. В частности, угол преломления волны может убывать по мере роста угла падения; существует двойное лучепреломление, возникающее при изменении угла падения в то время как поляризация поля остается неизменной; при наличии падающей волны могут отсутствовать как отраженная, так и преломленная волны, даже в отсутствие потерь в материале; возможно полное отражение волны от материала при малых углах падения и частичное прохождение - при больших, а также целый ряд других явлений [19, 22, 24 -26, 28 - 30, 32 - 34].
В связи с созданием [1] среды с отрицательной дисперсией лишь в одном направлении в работах [2 - 4] говорится о возможности создания плоско-параллельной пластины, относительно которой предмет и изображение находятся по разные стороны. Такое утверждение ошибочно. Как показано в [28 - 30], несмотря на отрицательную дисперсию среды, предложенной в [1], луч преломленной волны ведет себя практически также, как в обычном диэлектрике. Поэтому об экспериментальном подтверждении наличия отрицательной дисперсии в таком диэлектрике не может быть и речи в работах [1
- 4].
Интересно заметить, что отрицательная дисперсия имеет место не только в искусственных диэлектриках. Она имеет место и в холестерических жидких кристаллах [31, 36 - 38], и в ферритовых пленках, помещенных в магнитное поле [24, 25, 32 - 34]. Это так называемые магнитостатические волны. Отрицательную дисперсию во второй полосе пропускания, как показано в [28 - 30], имеют многие искусственные диэлектрики, и не в одном, как в [1], а во всех трех измерениях.
Авторы работ [2 - 4] ошибочно утверждают, что плоско-прараллельная пластина с отрицательной дисперсией фокусирует лучи. На самом деле никакой фокусировки нет: параллельные лучи остаются параллельными, а не собираются в точку (в фокус). При этом нет ни фокусного расстояния, ни фокальной плоскости. Просто имеет место перенос изображения, как в обычной плоско-параллельной пластине из стекла, которая не рассеивает лучи, так же как пластина с отрицательной дисперсией их не фокусирует. Разница состоит лишь в том, что предмет и изображение в первом случае расположены по разные стороны пластины, а во втором - с одной стороны.
Особенности условий синхронизма электронных потоков с волнами в искусственных диэлектриках (это соответствует эффекту Черенкова - Вавилова) описаны в книге [19] и более подробно в недавно вышедшей книге [30], которую можно приобрести в издательстве "ФАЗИС" (http://www.aha.ru/~phasis) или в интернет-магазине БОЛЕРО (www.bolero.ru).
Таким образом, описание композитных сред в [1], не содержит принципиально новых сведений, а в ряде моментов их обсуждение в [2 - 4] ошибочно. Единственно
интересным является то, что в [1] подтверждена концепция, изложенная в [11], о том, что при отрицательных проницаемостях s и д среда обладает отрицательной дисперсией.
Литература
1. Smith D.R., Padillia W.J., Vier D.C., Nemant-Nasser S.C., Schultz S. A Composite medium with simultaneously negative permeability and permitivity / Phys. Rev. Lett.
2000. V.84, 48. - P.4184.
2. Pendry J.B. Negative refraction makes a perfect lens / Phys. Rev. Lett. 2000. V.85, 48. -P.3966 - 3969.
3. Fitzgerald R. Novel composite medium exhibits reversed electromagnetic properties / Phys. Today. May 2000. - P.17 - 18.
4. Mullins J. Novel optical material could mean sharpes litography / IEEE Spectrum. January
2001. - P.25 - 27.
5. Мандельштам Л.И. Полное собрание трудов, Т.5. М.: АН СССР. - 1950. - С. 461 -467.
6. Мандельштам Л.И. Полное собрание трудов, Т.2. М.: АН СССР. - 1947. - С. 334.
7. Альтшулер Ю.Г. и Татаренко А.С. Лампы малой мощности с обратной волной. - М.: Сов. радио. - 1963
8. Guenard P., Doehler O., Epsztein B., Warneke R. Nouveaux tubes oscillateurs a large bande d'accord electrpnique pour hyperfrequences / C. R. Acad. Sc., 1952. - T.235. - P.236 - 238.
9. Kompfner R., Williams N.T. Backward-wave tubes / PIRE, 1953, 41. Р. 1602 - 1611.
10. Уолтер К. Антенны бегущей волны\ паер. с англ. под ред. А. Ф. Чаплыгина. - М.: Энергия. - 1970. Walter C.H. Travelling wave antennas
11. Веселаго В.Г. Электродинамика веществ с одновременно отрицательными s и д / УФН, июль 1967, т. 92, вып.3. - С. 517 - 526
12. Doehler O., Epsztein B., Arnaud J. Nouveaux types de lignes pour tubes hiperfrequences / L'onde Electrique. Novembre 1956. T. XXXVI, № 356. - P.937 - 946.
13. Силин Р. А. Расчет многорядных штыревых замедляющих систем / Электроника. -1958, №2. - С.3-16.
14. Силин Р. А. Анализ многоэтажных штыревых замедляющих систем / Электроника. -1958, №4. - С.3-42.
15. Силин Р. А. Анализ многоэтажных и многорядных штыревых замедляющих систем / Труды конференции по электронике СВЧ. - М.: Госэнергоиздат. - 1959. - С. 45 - 57.
16. Силин Р. А. Волноводные свойства двумерно периодических замедляющих систем / Вопросы радиоэлектроники. Сер.1, Электроника. 1959, вып.4, с.3 - 33
17. Силин Р. А. О дисперсионных свойствах двухмерно- и трехмерно периодических систем (искусственные диэлектрики) / Радиотехника и электроника 1960. - Т.5, вып.4. - С.688 - 691
18. Иванов В.Н., Силин Р. А., Солнцев В. А. Свойства косых штыревых эамедляющих систем / Вопросы радиоэлектроники. Сер.1, Электроника. 1961, вып.11. - С. 3 - 16
19. Силин Р. А., Сазонов В.П. Замедляющие системы. - М.: Советское радио. - 1966. R.A.Silin, V.P.Sazonov Slow-wave structures / Translation edited by H.Stachera. - Boston Spa. Eng.: National Lending for Science and Technology. 1971. - Vol. 1 - 3.
20. Силин Р. А. Расчет дисперсии поля типа Е в многопроводной линии / Электронная техника. Сер.1, Электроника СВЧ. 1969, выл.2. - С. 3 - 16
21. Бурцев В.В., Силин Р. А. Особенности условий синхронизма электронов с волной в двумерно-периодических замедляющих системах, замкнутых в цилиндр / Электронная техника. Сер.1, Электроника СВЧ. 1971, выл.7. - С. 3 - 15
22. Силин Р.А. Оптические свойства искусственных диэлектриков / ИВУЗ, Радиофизика. - 1972. - Т.15, №6. - С. 809 - 820
23. Силин Р.А. О возможности создания плоско-параллельных линз / Оптика и спектроскопия. - 1978. т.44, Вып.1. - С. 189 - 191
24. Демченко Н.П., Нефедов И.С., Силин Р.А. Особенности распространения поверхностных электромагнитных волн в слоистых гиротропных структурах. В кн.: Взаимодействие электромагнитных волн с полупроводниками и полупроводниково-диэлектрическими структурами и проблемы создания интегральных КВЧ схем. Ч.2. Саратов: Изд. Саратовского университета, 1985, 94 - 95.
25. Иванов В.Н., Демченко Н.П., Нефедов И.С., Силин Р.А. Волны в касательно намагниченном ферритовом слое (электродинамический расчет и равномерные асимптотики) / ИВУЗ, Радиофизика. - 1989. т. 32, №6. - С. 764 - 776
26. Силин Р. А. Необыкновенные законы преломления и отражения. - М.: Фазис, 1999
27. Nefedov I.S., Silin R.A. Photonic Cristals as Complex Media / Proc. 7 Int. Conf. on Complex Media. 3 - 6 June, 1998. Bianisotropic 98 Technique Univ., Braunsh Weig
28. Силин Р. А., Чепурных И.П. О средах с отрицательной дисперсией / Радиотехника и электроника. - 2001, т. 46, 1 10, с.1212 - 1217.
29. Силин Р.А. Построение законов преломления и отражения с помощью изочастот / Радиотехника и электроника. - 2002, т.47, № 2. - С.186 - 191.
30 Силин Р. А. Периодические волноводы. - М.: Фазис. - 2002. - 440 с.
31. Бырдин В.М. К теории холестерических жидких кристаллов / Оптика и спектроскопия, 1983. Т. 54, вып. 8. - С. 456 - 458
32. Вашковский А.В., Стальмахов А.В., Шахназарян Д.Г. Формирование, отражение и преломление волновых пучков магнитостатических волн / Изв. высш. учебн. заведений. Физика, 1988, 31(1), 67 - 75.
33. Вашковский А.В., Стальмахов В.С., Шараевский Ю.П. Магнитостатические волны в электронике СВЧ. - Саратов: СГУ. - 1993.
34. Зубков В.И., Щеглов В.И. Обратные поверхностные магнитостатические вопны в структурах феррит-диэлектрик-металл/ Р.Э. 1997, т.42, №9. - С. 1114
35. Ландау Л. Д., Лифшиц Е.М. Электродинамика сплошных сред. - М.: Наука ФМЛ. 1982
36. Блинов Л.М. Электро- магнитооптика жидких кристаллов. - М.: Наука, 1978
37. Ерицян О.С. Оптика жидких сред и холестерических жидких кристаллов. - Ереван: Айастан, 1988. - С. 333
38. Де Жен П. Физика жидких кристаллов. - М.: Мир, 1977. De Gennes P.G. The Pysics of Liquid Cristals. - Oxford: Clearendon Press, 1974. - P.269.
