научная статья по теме УПРАВЛЕНИЕ ВЕЛИЧИНОЙ И ПРОСТРАНСТВЕННЫМ РАСПРЕДЕЛЕНИЕМ ИНТЕРФЕРЕНЦИОННЫХ ПОТОКОВ ЭНЕРГИИ В БЛИЖНИХ ПОЛЯХ СИСТЕМ ИДЕНТИЧНЫХ ИЗЛУЧАТЕЛЕЙ Физика

Текст научной статьи на тему «УПРАВЛЕНИЕ ВЕЛИЧИНОЙ И ПРОСТРАНСТВЕННЫМ РАСПРЕДЕЛЕНИЕМ ИНТЕРФЕРЕНЦИОННЫХ ПОТОКОВ ЭНЕРГИИ В БЛИЖНИХ ПОЛЯХ СИСТЕМ ИДЕНТИЧНЫХ ИЗЛУЧАТЕЛЕЙ»

ОПТИКА И СПЕКТРОСКОПИЯ, 2015, том 118, № 4, с. 633-636

^^^^^^^^^^^^^^^^ ФИЗИЧЕСКАЯ ^^^^^^^^^^^^^^^^

ОПТИКА

УДК 535.4

УПРАВЛЕНИЕ ВЕЛИЧИНОЙ И ПРОСТРАНСТВЕННЫМ РАСПРЕДЕЛЕНИЕМ ИНТЕРФЕРЕНЦИОННЫХ ПОТОКОВ ЭНЕРГИИ В БЛИЖНИХ ПОЛЯХ СИСТЕМ ИДЕНТИЧНЫХ ИЗЛУЧАТЕЛЕЙ

© 2015 г. В. П. Беличенко, А. С. Запасной, П. В. Шестаков

Национальный исследовательский Томский государственный университет, 634050 Томск, Россия

E-mail: bvp@mail.tsu.ru Поступила в редакцию 25.08.2014 г.

Исследована проблема активного управления как величиной, так и пространственным распределением отдельных компонент интерференционной составляющей вектора Пойнтинга в пределах ближней зоны систем излучателей. Характерный размер этой зоны составляет величину порядка длины волны и характеризуется наличием эванесцентных (нераспространяющихся) полей, образующихся за счет интерференционного взаимодействия излучателей. Использование мультипольных разложений для полей, а также специальных формул суммирования для подобных разложений позволили получить компактные выражения, удобные при проведении численных расчетов. Результаты расчетов подтверждают принципиальную возможность отмеченного выше управления при решении задач зондирования сред и объектов.

DOI: 10.7868/S0030403415040030

К настоящему времени значительно расширилась сфера применения технологии ближнеполь-ной микроскопии, в особенности с использованием оптического и инфракрасного излучений [1]. Впервые экспериментально возможность преодоления дифракционного предела была убедительно продемонстрирована в СВЧ диапазоне [2]. Эффективное использование этой возможности достигнуто, в частности, в задачах ближнеполь-ной СВЧ диагностики биологических сред [3]. В то же время результаты ряда работ (например, [4]) свидетельствуют о целесообразности применения технологии в задачах радиоволновой томографии [5] с использованием эванесцентных (затухающих) полей систем идентичных излучателей.

Динамика полных и интерференционных потоков энергии в ближних полях таких систем отчасти исследована в [6]. При этом были выявлены наличие безызлучательного переноса энергии между излучателями и дополнительное увеличение или уменьшение мощности излучения. Однако важный аспект, связанный с целенаправленным управлением в ближней зоне системы излучателей отдельными компонентами действительной части интерференционной составляющей комплексного вектора Пойнтинга $1П1 исследован не был. Эта проблематика и обсуждается в настоящей работе.

Простейшей моделью системы идентичных излучателей является пара коллинеарных электрических диполей с моментами р1 и р2 (рис. 1а).

В сферической системе координат г, 0, ф, связанной обычным образом с декартовыми координатами х, у, z, компоненты их полей могут быть представлены [7] в виде следующих выражений (предполагается зависимость от времени вида ехр(/ю 0):

=- 4Z х (2«+i)n (n+1)

X

n=1

X Pn (cos B)j„ (kr<)h(n2) (kr>),

(1)

= - pf X (2n +1)

X

(1)

n=1

X

dPn (cos 9) d 9

d_ dr

[rjn (kr)]h(„2) (kb), r < b,

jn (kb)d[rh(n1} (kr)], r > b,

dr

H ® = X (2n +1)

ф 4nb '

dPn(cos 9) d 9

jn (kr<)h(n2) (kr>),

e(2) =-p2kZ0 h(2)(kr)cos 9, 2nr P2kZ0

E 92) =

[rhf2)(kr )]sin 9,

4%r dr

H (2) =- ^ hf2)(kr )sin 9, ф 4n

Z pi I b (a) Z Pi i (б) b

pj ^ 1 1 -^ P2 ж \ r

Xy"" Y J* X Y

Рис. 1. Модели систем, содержащих идентичные излучатели.

где i — мнимая единица, k — волновое число, Z0 — волновое сопротивление окружающей среды,

jn (х), hff\х) — сферические функции Бесселя и Ханкеля второго рода, Pn (cos 0) — полиномы Ле-жандра, r> и r< — большая и меньшая из координат r, b.

Изменение ориентации диполя с моментом p2 на ортогональную (рис. 1б), так что этот момент оказывается направленным вдоль оси х , приводит к изменению структуры выражений (2). А именно поле диполя теперь характеризуется пятью компонентами:

;(2) _ _ MZo ^(kr )sin 0 cos ф, 2n r

E02) = _ pkZo d [rh1(2)(kr)]cos 0 cos ф, 4nr dr

P2kZо d

E ф2) _d [rhi(2)(kr )]sin ф, 4nr dr

H 02) _ h^kr )sin ф, 4n

(2)

(3)

H

(2) _ iP2k r (2)

4n

h^ (kr)cos 0cos ф.

Компоненты и комплексного вектора Пойнтинга поля коллинеарной системы диполей представляются в виде сумм соответствующих компонент уединенных диполей с компонентами интерференционной составляющей вектора Пойнтинга:

с(1) о(2) . о int

Sr "г Sr "г Sr 5

S + S 02) + S 0nt.

При этом окончательные выражения удается записать в компактном виде, используя ряд полученных нами формул суммирования. Так, например, принимая во внимание, что

± А k д0

ikR

R

_ Z(2n + 1) (cos0) jn (kr)h?> (kb), r < b, d 0

n _1

d_ dr

2 d_ dr

_ikR

R

+ k2 r2 *

_ikR

R

_ikZ (2n + 1)n(n + 1)Pn (cos 0) jn (kr) h? (kb), r < b,

n_0

R _yl r2 + b2

2rb cos 0,

находим

Sint _ \Ф4kZ°sin0{exp/(ф1 _ф2)x

32n br

x hf\kr)

Э r d0

_ikR

R

(4)

expКф2 _ф!)d[rhi2,(kr)]

Jae

ikR

R

S0nt __{exp/(ф! _ф2) hf>(kr):

x sin 0

32n br 2 Э

д r

д r

_ikR

R

+ k2 r2 *

_ikR

R

(5)

_ 2ехрг(ф2 _ ф^Р^)cos0 —

Э0

ikR'

R

где ф1 и ф 2 — начальные фазы токов в диполях.

Здесь существенно подчеркнуть два обстоятельства. Во-первых, в (4) и (5) исключена необходимость непосредственного суммирования очень медленно сходящихся бесконечных рядов типа (1). Во-вторых, эти представления в действительности справедливы не только при г < Ь, но и при г > Ь. Если дополнительно привлечь к рассмотрению еще и формулу суммирования вида

2

УПРАВЛЕНИЕ ВЕЛИЧИНОЙ И ПРОСТРАНСТВЕННЫМ РАСПРЕДЕЛЕНИЕМ

635

Re[^ent]

Re 2.0

1.5 1.0 X

0.5 0 \ ^^^ " \1 1 \ 1 1 1 1

\

-0.5 1 1

0 2 4 6 8 кг

Рис. 2. Коллинеарные диполи: зависимость ReSent] от kr при 9 = п/4; Ду = 0 (1), Ду = п/2 (2).

r- =

R _

= Z (2« +1)dPn (cos 9)d[rjn (kr)]hf (kb), , d 9 dr

n=1

r < b,

то оказывается возможным также и аналогичное вышеописанному упрощение выражений для компонент интерференционной составляющей вектора Пойнтинга поля ортогональной системы излучателей.

По формулам типа (4), (5) производился расчет компонент как полного вектора Пойнтинга, так и его интерференционных составляющих в ближней зоне систем диполей. У коллинеарной системы диполей (рис. 1а) в поле диполя с моментом p2 име-

о(2) о (2)

ется только две компоненты Sr и 59 вектора Пойнтинга. Причем первая из них является комплексной, а вторая — чисто мнимой. В поле диполя

с моментом р1 как компонента Яг(1), так и компонента Я01* комплексные, что обусловлено его смещением из начала координат. В произвольной точке наблюдения соотношение радиальной и меридиональной компонент вектора Пойнтинга поля отдельно взятого диполя вполне определенное и не допускает какого либо управления. Наложение полей диполей вызывает появление компонент Я™1 и

интерференционной составляющей Sвектора Пойнтинга. При этом становится возможным эффективное управление как величиной, так и пространственным распределением этих компонент в ближней зоне системы диполей за счет варьирования начальных фаз их токов.

На рис. 2 показано поведение Яе[Я0т] в поле системы из двух коллинеарных электрических диполей (рис. 1а) при удалении точки наблюдения от начала координат в радиальном направлении 0 = п/4. При этом модули моментов диполей приняты одинаковыми и произведена нормировка на вектора Пойнтинга электрического диполя, размещенного в точке (0,0,0). Электрическое расстояние между диполями кЪ = 2, Ду — разность начальных фаз токов в диполях. Как видно, варьирование Ду обусловливает очень существенные изменения в структуре распределения Яе[Я0т] в пределах ближней зоны системы диполей.

При ортогональном размещении диполей (рис. 1б) наблюдается качественно иное поведение

Яе[Я0т] с изменением расстояния кг (рис. 3а). Более того, у интерференционной составляющей

S1П вектора Пойнтинга появляется еще и управляемая за счет выбора Ду компонента (рис. 3б).

L

к Э0Эг

Re[SQnt]

Resr

Рис. 3. Ортогональные диполи: зависимость Re [S9 ] (а) и

int] (б) от кг при е = Ф = п/4; Ду = 0 (7), Ду = п/2 (2).

Расчеты также показали, что, меняя разность начальных фаз токов в диполях, можно варьировать в широких пределах соотношение величин компонент полного вектора Пойнтинга в некоторой окрестности точки наблюдения в ближней зоне. Тем самым с принципиальной точки зрения обеспечивается возможность изменения режима зондирования этой окрестности электрическим путем, не прибегая к какому-либо перемещению элементов излучающей системы.

Работа выполнена при финансовой поддержке гранта № 13-02-98025 регионального конкурса РФФИ (р_сибирь_а) "Фундаментальные ограничения в ближнеполевой электродинамике сложных излучающих систем" (2013—2015).

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Novotny L. // Progress in Optics / Ed. by Wolf E. Elsevier, 2007. V. 50. P. 137-184.

2. Ash E.A., NichoUs G. // Nature. 1972. V. 237. № 5357. P. 510-512.

3. Резник А.Н., Юрасова Н.В. // ЖТФ. 2006. Т. 76. № 1. С. 90-104.

4. Martínez C, Coello V., Cortés R.., Vilagómez R. // J. Korean Phys. Soc. 2005. V. 47. P. 152-156.

5. Якубов В.П., Склярчик К.Г., Пинчук Р.В. и др. // Изв. вузов. Физика. 2008. Т. 51. № 10. С. 63-79.

6. Афанасьев С.А., Семенцов Д.И. // УФН. 2008. Т. 178. № 4. С. 377-384.

7. Марков Г.Т., Чаплин А.Ф. Возбуждение электромагнитных волн. М.: Радио и связь, 1983. 296 с.

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком