Выделение заданной поляризационной составляющей электромагнитного излучения при его отражении от плоской двухслойной системы магнетик–металл Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 621:3.035.222.7.:621.317.335.3

ВЫДЕЛЕНИЕ ЗАДАННОЙ ПОЛЯРИЗАЦИОННОЙ СОСТАВЛЯЮЩЕЙ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ПРИ ЕГО ОТРАЖЕНИИ ОТ ПЛОСКОЙ ДВУХСЛОЙНОЙ СИСТЕМЫ МАГНЕТИК-МЕТАЛЛ

С.Р.Касимова

Азербайджанский технический университет

sevda.gasimova@yahoo. сот

Поступила в редакцию 09.09.2014

Найдены условия выделения одной из двух поляризационных составляющих электромагнитного излучения, падающего под углом на плоскую двухслойную систему магнетик-металл.

Ключевые слова: электромагнитная волна, поляризационные составляющие, магнетик-металл.

При нормальном падении плоскополяризованной электромагнитной волны на плоский слой поглощающего магнетика, нанесенного на металлическую подложку, в веществе покрытия может произойти полное или безотражательное поглощение падающего излучения [1]. Оно возникает при строго определенных избирательных значениях частоты излучения и толщины слоя покрытия. При заданной частоте падающего излучения указанный эффект в данной системе может проявляться также при избирательных толщинах слоя покрытия и углах падения волны [2]. Так как эти избирательные значения при выбранном материале покрытия зависят от поляризации падающей волны, то представляет практический интерес использование указанного эффекта для направленного выделения одной из поляризационных составляющих падающего излучения за счет полного гашения ее другой составляющей. Данный эффект можно также использовать в целях обнаружения объектов, имеющих защитные неотражающие покрытия от нормально падающего на них излучения.

Для решения указанной задачи рассмотрим отражение плоско-поляризованной электромагнитной волны, падающей под углом а0 на плоский слой поглощающего магнетика. Слой магнетика толщиной I нанесен на идеальную металлическую подложку и имеет комплексную величину магнитной проницаемости Д = р,'-/р,", где ц' - магнитная проницаемость и ц" - магнитные потери вещества покрытия, i - мнимая единица. С учетом положения вектора электрической напряженности волны Е по отношению к плоскости ее падения будем различать случаи отражения параллельно-поляризованной (ПАП) и поперечно-поляризованной (ПОП) волн, соответственно, когда вектор Е параллелен или перпендикулярен плоскости падения волны.

В зависимости от типа поляризации падающей волны комплексное значение ее коэффициента отражения р от рассматриваемой двухслойной системы равно

Р = 1

ZRX cos а0 - Z0 cos а т-т™-г

—1—-0-0- при отражении ПОП волны,

ZBX cos а0 + Z cos а

Zn cos ап - ZRX cos а -,-ri-.-r

—-0-—- при отражении ПАП волны,

Z0 cos а0 + ZBX cos а

(1)

где = 2гй(у/ео8а) - входное сопротивление двухслойной системы; у = / X -постоянная распространения волны в магнетике; 2 = 20 ^, 20 - волновые сопротивления

магнетика и вакуума; а0, а - углы падения и преломления волны; X - длина волны излучения [3-5].

Входящие в уравнения (1) величины магнитной проницаемости ц' и магнитных потерь ц" вещества покрытия связаны с его коэффициентами преломления п и поглощения х волны известными уравнениями

|" = п2(1 - у2), |' = 2п2у, (2)

где х = у/п - фактор магнитных потерь; п = Х/Хм; Хм - длина волны в магнетике; у = tg5/2; 5 = агС£(ц"/ц').

Введем обозначение

п - ix = (1 - p)yl- Щ2 , (3)

р'- Р Ц

где Ц = -- , Ц 2 =

1 - p 1 - p По аналогии с выражениями (2) и ц2 представим в виде

Ц = п 2(1 - У2) , (4)

ц 2 = 2П 2 y ,

где п = X / , у = tg5 /2, 5 = arctg^ / ц ; X, Хш - длина волны в вакууме и в веществе покрытия по направлению распространения волны.

Имеем у/ cos а = 2лхр + 2лх, где x = / ^1- p . Безотражательное поглощение волны в рассматриваемой двухслойной системе может возникнуть в точке минимума зависимости модуля р от l и при выполнении условия р = 0 в этой точке [2]. В результате получим:

, 2п/ г:-

th^~ vp- p = к

Z0cos а Vp - p

Z cos а0 iW 1 - p

Z0 cos а0 л/1 - -p

Z cos а л/р - p

при отражении ПОП волны

(5)

при отражении ПАП волны

Используя принятые обозначения в уравнении (5), получим, что условию полного поглощения волны (р=0), падающей под углом а0 на рассматриваемую систему, соответствует следующее уравнение

1 при отражении ПОП волны

th (2nxy + i2nx) =

P(1 - iY) (6) при отражении ПАП волны

п (1 - iy)

где р = п 211 - У 2 + 2уу) , Y = 2У - У1- У2), x = / / . п (1 + У 2 ) (1 - У 2 )+ 2УУ

Разделим уравнение (6) на мнимые и вещественные части. После соответствующих преобразований получим два уравнения, которые описывают условия безотражательного поглощения волны в рассматриваемой системе:

4лху = 1п (1/ г),

4лх = —ф,

(7)

(8)

где г =

(п — 1)2 + (пу )2

Цп +1)2 + (пу)2

г =

(р — 1)2 + (ру )2

2пу

ф = — 2 /| 1 — п (1 +

(р +1)2 + (ру )2 '

ф = аг^

2РУ

1 — Р2 (1 + У2)

для ПАП волны

для ПОП волны

При нормальном падении электромагнитной волны на рассматриваемую двухслойную систему условия безотражательного поглощения волны в системе выполняются в точках минимума зависимости р от I и при толщинах покрытия, близких к величинам, кратным Хм /2 [2]. Подобное же положение должно иметь место и при падении волны под углом, но при толщинах покрытия, близких к величинам, кратным X /2 [4, 5]. Поэтому,

примем:

1 лт

(9)

_ К л

х = =--+ А,

X,

2

где N - номер нулевого минимума зависимости р от I, при котором величина р становится равной нулю; А - в общем случае малая, но не нулевая, величина, определяемая из совместного решения уравнений (7)-(9)

А = — — 4л

(10)

Подставив выражение (10) в уравнения (8) и (9) и исключив из них в качестве промежуточного параметра величину А, получим

~ ^ ф 1,1

2лN — = — 1п-

(11)

4л у г

Уравнение (11) связывает между собой значения слойной системы, при которых в ней возникает полное поглощение падающего излучения. Требуемая при этом толщина слоя покрытия находится из выражения:

д' и д" вещества покрытия двух-

_ X

1

п

Я

р

Г N

V 2

4л у

(12)

Полученные уравнения (10)-(12) определяют условия возникновения безотражательного поглощения электромагнитного излучения при его падении под углом на систему магнетик-металл. Такое полное поглощение волны становится возможным благодаря интерференции двух волн, отраженных от соответствующих границ раздела рассматриваемой слоистой системы, когда эти волны противоположны по фазе, но имеют одинаковые по величине амплитуды.

На рис.1 и 2 приведены зависимости между избирательными значениями угла падения а0 волны, оптическими параметрами покрытия п, х и величины отклонения А толщины слоя вещества покрытия от величины кратной X /2, которым, согласно уравнениям (7) и

(8), соответствуют условия полного поглощения ПАП и ПОП волн.

X

0.40

0.30

0.20

0.10

60'

-7п0 Оп0 о«0

Рис.1. Зависимости между избирательными значениями коэффициентов преломления п и поглощения х волны магнитного вещества покрытия, углов падения а0 волны при безотражательном поглощении падающей на нее под углом поперечно-поляризованной (сплошные линии) и параллельно-поляризованной (штриховые линии) волн. Номер нулевого минимума отраженного сигнала N = 1.

5 п

0

0

0

1

2

3

4

А 0.25-

0.20-

0.15-

0.10-

0.05-

\\ 1

а=00 У.

\1 \\ V у у 400 600 \ \ 1 \ \ ч \ 1 \ 1| \ \ \700 0

- ч \ \ '1 \ \ \ \ \\\ Х

40° \\\Ч бо'Чх^:

Рис.2. Зависимости между избирательными значениями отклонений Д толщины слоя покрытия от величин, кратных половине длины волны в веществе покрытия, коэффициентов преломления п волны магнитного вещества покрытия и углов падения а0 волны при безотражательном поглощении падающей на нее под углом поперечно-поляризованной (сплошные линии) и параллельно-поляризованной (штриховые линии) волн. Номер нулевого минимума отраженно го сигнала N = 1.

5 п

1

2

3

4

Найдем величину коэффициента отражения ПАП составляющей волны ршш при условии полного отражения ПОП составляющей волны рпоп , определяемых уравнениями (7) и (8). Тогда из уравнения (1) следует, что величина коэффициента отражения ПАП составляющей волны будет равна

„ _ (У-")-(у 1 -/у2) ГПч

Р ПАП , I ■ п\ , ■ \ ' (13)

(У - ) + (У 1 - 2)

При выполнении же условия полного поглощения ПАП составляющей волны в рассматриваемой системе (рПАП=0) из уравнения (1) вытекает аналогичное выражению (13)

соотношение для коэффициента отражения рпоп ПОП составляющей волны.

На рис.3 представленные вычисленные по уравнению (13) зависимости модуля коэффициентов отражения волн рпоп(или рПАП) от показателя преломления вещества покрытия п при различных значениях углов падения ао волны. Они позволяют оценить величину ПАП и ПОП составляющих падающего излучения при условии реализации полного гашения в слое покрытия одной из выбранных его составляющих.

Р 1.0

0.8 0.6

0.4

0.2

а=80°

Рис.3. Зависимости модуля коэффициента отражения параллельно-поляризованной рПАП или поперечно-поляризованной рПОП составляющих падающей волны от коэффициента преломления волны п поглощающего покрытия при условии полного поглощения волны противоположного типа поляризации; а0 - угол падения волн на двухслойную систему.

1

5 n

2

3

4

Рассмотрение рис.1-3 позволяет определить значения угла падения волны соответствующих поляризации и толщины слоя выбранного вещества покрытия, наиболее приемлемые для полного гашения одного типа волны с одновременным выделением второго типа волны.

В заключение отметим, что проведенное исследование подтверждает вывод о возможности использования эффекта полного поглощения волны двухслойной системы магнетик-металл при разработке простых поляроидов для выделения нужной поляризационной составляющей падающих волн.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Касимов Р.М. // Инженерно-физический журнал. 2007. Т. 80. № 5. С. 19-22.

2. Касимов Р.М., Касимова С.Р. // Инженерно-физический журнал. 2011. Т. 84. № 4.

С. 735-739.

3. Бреховских Л.М. Волны в слоистых средах. М.: Наука, 1957. 402 с.

4. Касимова С.Р. // Азерб. хим. журн. 2013. № 4. С. 91-95.

5. Касимова С.Р. // Азерб. хим. журн. 2014. № 1. С. 78-82.

YASTI ikilayli MAQNETlK-METAL s1stem!nd3n 3KS OLUNAN ELEKTROMAQNlT

§ualanmasinin polyarIzq olunmus tqrkIb HlsseslNlN ayrilmasi

S.R.Qasimova

Yasti ikilayli maqnetik-metal sistemindan aks olunan elektromaqnit §ualanmasinm polyariza olunmu§ iki tarkib hissasindan birinin ayrilmasi §araiti tapilmi§dir.

Agar sozlar: elektromaqnit dalga, polyariza olunmu§ tarkib hissa, maqnetik-metal.

DISTINGUISHING OUT THE GIVEN POLARIZATION CONSTITUENT OF ELECTROMAGNETIC RADIATION AT ITS REFLECTION FROM THE FLAT TWO-LAYER

MAGNETIC-METAL SYSTEM

S.R.Kasimova

The conditions of distinguishing out one of two polarization constituents of electromagnetic radiation falling down at angle on the flat two-layer magnetic-metal system have been found out.

Keyword: electromagnetic wave, polarization constituents, magnetic—metal.