Вращение плоскости поляризации СВЧ волны хиральным композитом в свободном пространстве

ВРАЩЕНИЕ  ПЛОСКОСТИ  ПОЛЯРИЗАЦИИ  СВЧ  ВОЛНЫ  ХИРАЛЬНЫМ

 КОМПОЗИТОМ  В  СВОБОДНОМ  ПРОСТРАНСТВЕ

Азанов С.В.(аспирант), Вольхин И.Л.(к.ф.-м.н.), Коротаев Н.Н.( к.ф.-м.н.)

Пермский государственный университет, ул. Букирева, 15, Пермь-614600, Россия

Abstract- Dependence of the rotation’s angle  of a plane polarization microwave from the turn angle  between the axes of chiral  anisotropy  dielectric  composite and the wave direction is  investigated experimentally.

I. Введение

Природа оптической активности веществ до сих пор окончательно не выяснена. Имеются различные подходы к решению этой задачи. Одним из них является создание и изучение искусственных хиральных сред, проявляющих способность вращать плоскость поляризации волн в сантиметровом и миллиметровом диапазоне. Кроме того, искусственные хиральные среды в последнее время находят применение в технике СВЧ. Установление связи между структурой активной среды и эффектом вращения плоскости поляризации волны является одной из важных задач.

Целью нашей работы было изготовление искусственного хирального композита и изучение зависимости угла вращения плоскости поляризации СВЧ волны  от ориентации модельных хиральных частиц относительно направления распространения волны (угол ).

II. Установка

Для проведения экспериментов по изучению поворота плоскости поляризации СВЧ волны искусственным хиральным композитом в свободном пространстве была использована СВЧ установка. Ее схема представлена на рис.1.

Рис.1 СВЧ установка

Исследуемая модельная среда 1 помещалется в безэховую камеру 2. Безэховая камера представляет собой ящик из дюралюминия с размерами 2000´600´1000 мм³, покрытый изнутри блоками 3 из материала “Кварц‑3”, поглощающего СВЧ излучение. Для уменьшения отражения поверхность блоков, обращенная внутрь камеры, сделана в виде большого числа четырехгранных призм с размерами, близкими к длине волны СВЧ.

Генератором плоскополяризованного излучения с длиной волны l=3,2 см и мощностью ~100 мВт служит отражательный клистрон 4. СВЧ волна промодулирована по амплитуде меандром (коэффициент модуляции 100%) с частотой 400 Гц. Излучение клистрона через ферритовый вентиль 5, подстроечный аттенюатор 6, калиброванный аттенюатор 7, согласующий трансформатор 8 и плавный волноводный переход с прямоугольного сечения на круглое поступает на ячейку Фарадея  9, с помощью которой можно изменять плоскость поляризации СВЧ волны. С выхода ячейки Фарадея излучение поступает в коническую рупорную антенну 10 с диэлектрической линзой  11 и с помощью СВЧ зеркала 12 направляется вдоль безэховой камеры 2 на исследуемую модельную среду. Для точной фокусировки СВЧ пучка служит шток с гайками 13, изменяющий кривизну зеркала  12.

Сигнал с приемной антенны 14 поступает на квадратичный детектор 15. Продетектированный сигнал с частотой 400 Гц усиливается узкополосным усилителем 16, настроенным на частоту модуляции, и измеряется вольтметром 17. В качестве приемной антенны используется СВЧ диод ДКВ8 с удлиненными выводами. Этот же диод детектирует СВЧ излучение. СВЧ диод укреплен на конце пенополистиролового стержня. Второй конец стержня закреплен на диске с измерительным лимбом диаметром 40 см, разбитым на 360 частей. Диск вместе со стержнем и диодом может вращаться вокруг оси, совпадающей с направлением распространения СВЧ волны. Используя нониус, можно измерить угол поворота диода, а следовательно и поворот плоскости поляризации СВЧ волны с точностью до 0.1 градуса.

Степень монохроматичности  излучения СВЧ, генерируемого клистроном, составляет приблизительно 0,2%..

Модель активной среды - анизотропный хиральный композит представлял собой набор правых или левых спиралей, изготовленных из искусственного диэлектрика парафин – металл [1]. Спирали были изготовлены следующим образом. На цилиндрических пенополистирольных стержнях, прозрачных для СВЧ волны, нарезались спиральные канавки шириной и глубиной 4 мм, которые заполнялись смесью парафин – металл. Оси спиралей в композите были параллельны. Диаметр спиралей равнялся 10 мм, шаг-10 мм, длина - 80 мм.

III. Экспериментальные результаты

В ходе эксперимента было установлено, что при ориентации спиралей вдоль СВЧ луча хиральная среда из правых спиралей вращала плоскость поляризации волны вправо, а из левых - влево.

Рис.2. Зависимость угла вращения плоскости поляризации волны  от угла  для композита из левых спиралей с объемной концентрацией меди 12%.

График зависимости угла вращения плоскости поляризации волны  от угла ориентации осей спиралей композита относительно направления распространения СВЧ излучения для объемной концентрации меди в смеси 12% представлен на рис. 2. Аналогичные результаты были получены и для других объемных концентраций металлических частиц в парафине. В [2] было рассчитано, что в длинноволновом приближении зависимость () имеет вид . Здесь  и -параметры хиральной среды Для проверки этой формулы экспериментальная зависимость() была представлена в виде ряда Фурье.. На диаграммах рис. 3 показаны постоянный член (0), вторая (2), четвертая (4) и

шестая (6) гармоники этого ряда для хиральных сред с разными концентрациями меди в парафине Из формулы следует, что в Фурье - разложении должны присутствовать только постоянный член и вторая гармоника. Однако на диаграммах рис.3 кроме постоянного члена и второй гармоники присутствуют также четвертая и шестая гармоники. Вторая гармоника значительно преобладает над более высокими гармониками только в хиральной среде с концентрацией металла в парафине12%. Возникновение высших гармоник при более высоких концентрациях металла в парафине, на наш взгляд, можно объяснить тем, что при увеличении концентрации металла в смеси образуются проводящие кластеры, которые не позволяют считать спирали строго диэлектрическими.

В процессе выполнения работы были также проведены дополнительные опыты, на основании которых мы можем утверждать, что искусственный диэлектрик металл-парафин сам по себе не является хиральной средой. Кроме того, набор колец, изготовленных из этого материала, также не вращает плоскость поляризации СВЧ волны. На основании этих опытов можно утверждать, что результаты, приведенные в статье, связаны исключительно с хиральностью диэлектрического композита.

Рис.3. Диаграмма гармоник в Фурье-разложении зависимости () для хирального композита с правыми (черный столбик) и левыми (белый столбик) спиралями. Наполнитель –медь

IV. Заключение

Создана модель хиральной среды на основе искусственного диэлектрика парафин – металл. Исследована оптическая активность искусственной хиральной среды на СВЧ. Получены результаты, качественно совпадающие с теорией.

V. Список литературы

[1] Joseph M. Kelly, Joseph O. Stenoten, and Dwiert E. Isbell. Wave-Guide Measurements in the Microwave Region on Metal Powders Suspended in Paraffin Wax.// J. Phys. D Appl. Phys. 24, 258 (1952). 1953. march. Vol. 24, №3

[2] Азанов C.В., Вольхин И.Л., Коротаев Н.Н, Марценюк  М.А. Моделирование анизотропной оптически активной среды // Вестн. Перм. ун-та. Физика. 1998. Вып.4.