Введение к работе
Проблемы дифракции электромагнитных волн в неоднородных нелинейных средах охватывают различные стороны физики волновых явлений. Условно их можно отнести к трем зонам: (1) зоне излучателей, (2) зоне транспортировки излучения, (3) зоне воздействия излучения на объект или взаимодействия с ним (рассеяния, трансформации и т.п.). В каждой из зон возникают свои дифракционные задачи со своими целевыми и методическими особенностями. Из всего труднообозримого множества дифракционных эффектов в диссертации выделяются связанные с направленной транспортировкой электромагнитной энергии через плавно неоднородные среды и с воздействием электромагнитных полей на резонансные структуры.
В первом случае речь идет о транспортировке электромагнитной энергии с помощью волновых пучков и пакетов вдоль какой-то "рефракционной7' траектории. В линейном приближении эта траектория совпадает с центральным геометрооптическим лучом, а задача дифракции сводится к навешиванию на геометрооптнче-ский луч "волнового окружения". Даже в рамках линейной теории здесь остались еще неясные и не до конца проработанные места. Нелинейность же еще более усложняет задачу, вызывая искажения как трасс распространения, так и локализованных вблизи них волновых полей.
Во втором случае имеются в виду эффекты резонансного рас-:еяния и излучения волновых полей различными неоднородно-:тями среды, способными поддерживать локализованные и ква-зилокализованные в пространстве моды (волноводные и поверхностные, колебательные). Наличие резонансов повышает эффективность нелинейных процессов. Кроме того, резонансы фикси-эуют структуру полей, что существенно облегчает их теоретическое рассмотрение.
Поучение очерченных выше "трассовых" и резонансных дифракционных эффектов является основной целью данной дне сертациошіои работы. Ее осуществление потребовало развитш новых методов и подходов, базирующихся на сочетании тео ршт линейных волновых процессов и нелинейной теории колеба ний. Перечислим важнейшие из них:
Обобщение квазиоптики и дифракционной теории аберра ций дискретных оптических систем на случай волновых пуч ков в плавно неоднородных средах.
Самосогласованное описание трасс распространения и ло кализованных вблизи них полей при изучении эффектов са. мовоздействия и взаимодействия волновых пучков (или па кетов) в неоднородных нелинейных средах.
Сведение задачи об эволюции квазилокализованных в про странстве нелинейных волновых структур с малыми ради анионными потерями к задаче о взаимодействии локалнзо ванных в пространстве мод с медленно изменяющимися па раметрами и нелокализованных полей излучения.
"Укорочение" уравнений для медленных амплитуд волновы: полей при анализе нелинейного резонансного взаимодейств: волновых мод различной размерности (объемных, поверх ностных и волноводных, колебательных).
Научную новизну проделанной работы характеризуют елс дующие основные моменты:
- Развито квазиоптическое описание электромагнитных вол новых пучков в произвольных плавно неоднородных ере цах. Исследованы эффекты, обусловленные сильным астш матиомом распределенных фазовых корректоров и круче нием трассы распространения. Обобщена на случай плавн неоднородных сред дифракционная теория аберраций.
Исследована динамика солнтонов и солитоноподобных волновых каналов в неоднородных нестационарных нелинейных средах. Изучены процессы проникновения локализованных волновых полей вглубь закритических плазменных барьеров. Проанализировано влияние радиационных потерь на перестройку самоподдерживающихся волновых каналов, локализованных в приповерхностном слое нелинейной среды.
Исследованы нелинейные эффекты, сопровождающие рассеяние и получение волновых полей объектами и структурами, способными поддерживать локализованные в пространстве собственные колебания и волновые моды. Изучены, в частности, механизмы нелинейного захвата излучения в волновые каналы и обратного преобразования локализованных в пространстве (волноводных и поверхностных) мод в поле излучения.
Рассмотрены возможности создания высокоэффективных плазменных антенных систем.
Развитие теории дифракции электромагнитных волн в неоднородных нелинейных средах тесным образом связано с появлением источников мощного излучения (лазеров, гиротронов и т.п.) її их научно-техническими и технологическими приложениями. В настоящее время эта теория стала весьма актуальной практически для любого частотного диапазона (от ОНЧ до оптического). Она, в частности, представляет интерес для радиосвязи, энергетики, электроники больших мощностей и нелинейной оптики.
Многие из рассматриваемых в диссертации проблем имеют не только чисто теоретическое, но и прикладное значение. К таким проблемам, например, относятся: транспортировка интенсивного электромагнитного излучения через неоднородные нелинейные среды (плазму в установках УТС, ионосферу, оптические световоды и сверхпроводящие полосковые линии и т.п.); созда-
ниє высокоэффективных компактных плазменных антенных систем, согласованных (или даже самосогласованных) с окружающим пространством в широкой полосе частот; оптимизация квазиоптических гриппов, предназначенных для возбуждения нижнегибридных волн и генерации токов увлечения в токамаках; разработка новых методов нелинейной спектроскопии плазмоподобных и диэлектрических покрытий.
Результаты диссертации можно использовать в следующих научно-исследовательских учреждениях: ФИ РАН, ИОФ РАН, ИС РАН, ФТИ РАН, ИКИ РАН, НИРФИ, Институте атомной энергии, ИФМ РАН, ННГУ, МГУ.
Апробация работы.
Данная диссертация выполнена в Институте прикладной физики РАН. Ее результаты опубликованы в работах [1-46] и докладывались на следующих конференциях, симпозиумах и семинарах: Международной конференции по явлениям в ионизированных газах ICPIG XIX (Белград, 1989), Генеральных ассамблеях URSI (XXIII, Прага, 1990; XXIV, Киото, 1993; XXV. Лилль,1996), Европейской конференции по управляемому синтезу и физике плазмы (XXI, Монпелье, 1994) Международных симпозиумах URSI по ЭМ теории (Стокгольм, 1989; Санкт-Петербург, 1995), Европейской конференции по лазерам и электрооптике CLEO (Амстердам, 1994), Первом евро-азиатском симпозиуме по космическим исследованиям и технологиям (Мармара, 1993), Симпозиуме черноморского региона по прикладному электромагнитизму MEMI (Греция, 1996), Международной школе-семинаре "Динамические и стохастические волновые явления" (Н.Новгород, 1992), Международной рабочей группе по квазиоптическим гриппам (Прага, 1995), Международной рабочей группе по нелинейным и турбулентным процессам в физике (Киев, 1989), Международных рабочих группах по сильным микроволнам в плазме (Н.Новгород, 1994, 1996), Международной научно-технической конференции
"Распространение и дифракция электромагнитных волн в неоднородных средах" (IV, Вологда, 1994), Всесоюзных симпозиумах по дифракции и распространению волн (VIII, Львов, 1981; IX, Тбилиси, 1985), Российской конференции по распространению волн (XVIII, Санкт-Петербург, 1996), Всесоюзных конференциях по взаимодействию электромагнитных излучений с плазмой (Алма-Ата, 1982; Ташкент, 1985, 1989), Всесоюзных семинарах по параметрической турбулентности (Москва, 1980, 1981, 1984, 1985, 1987), Конференции по физике плазмы и УТС (Звенигород, 1995), на научных семинарах ИПФ РАН, ФИ им. П.Н.Лебедева РАН, ИОФ РАН, НИРФІІ, Университета г.Сент-Эндрюс (Шотландия), Лаборатории имени Джоуля Сэлфордского университета (Англия).
Основные результаты диссертации опубликованы в 21-ой статье в отечественных и зарубежных научных журналах, 4-х препринтах ИПФ РАН и 21-ом докладе в трудах международных и всесоюзных конференций, симпозиумов и школ.
Структура и объем работы.
