电磁波在旋磁材料中的非线性传播特性

【摘要】：“旋磁材料中的非线性电磁波”主要研究电磁波与旋磁介质相互作用中出现的各种非线性传播特性以及应用途径。近年来随着优质大面积旋磁膜研制成功，光波微波与旋磁材料的非线性相互作用和相关的新型器件的研究已经成为国际上电磁场理论和信息传输理论的热点课题。这些研究有助于进一步深化我们对电磁波与物质相互作用的认识，在学术上和实际应用中具有重要的意义。 我们主要在理论上研究了单界面的非线性旋磁导波系统中电磁表面波的传播特性，以及非线性电磁波的时间空间传播特性。本文主要涉及到两种晶体和三种单界面的旋磁导波系统：铁磁晶体和反铁磁晶体；非线性反铁磁晶体和线性铁磁晶体组成的系统非线性反铁磁晶体和线性电介质组成的系统以及两个不同的非线性反铁磁晶体组成的系统。 论文包括以下四部分内容和主要结果： (1) 微波频段下，非线性反铁磁晶体与线性铁磁晶体组成的旋磁系统中的表面波传播特性。①给出了非线性TM表面波的空间电磁场分布形式和色散关系。在色散关系的基础上研究了非线性旋磁表面波的频率特性，揭示了该系统能激发后向表面波，其群速度与相速度反向；②将反铁磁晶体中TE表面波满足的非线性波动方程变形为伯努利方程，用反函数形式给出了表面波磁场的精确解。分析了小功率和大功率传输时电磁场的空间分布特征。求得了TE表面波的色散方程，深入讨论了系统的微波频 2001年上海大学博士学位论文 率特性.研究表明，非线性TM波和TE波存在频率通带和禁带， 带宽是导波功率的函数. (2)红外光波人射下，电磁表面波在非线性反铁磁晶体与线 性电介质系统中的传播特性.①研究了非线性TM电磁表面波的 色散特性和磁场峰值位置随传播功率变化的特点.分析表明， TM电磁表面波存在频率通带和禁带，其带宽是功率的函数，通 过调节导波的功率可以有效地实现通带和禁带之间的转换.在 一定条件下，反铁磁晶体中的TM表面波是非线性反向表面波， 其群速度与相速度反向。②研究了TE红外表面波磁场的横向分 布，求出了非线性色散方程，揭示了非线性TE表面波存在一个 临界频率，低于这个频率，非线性TE波是后向表面波，其群速 度与相速度反向.利用色散方程与边界条件讨论了非线性TE表 面波的频率范围.结果表明，功率影响导波的频率范围，不同的 频率具有不同的功率导通阐值和截止功率，且两种材料的介电常 数比影响带宽. (3)研究了两非线性反铁磁晶体交界面上稳定传播的电磁 表面波的传播特性.研究发现:稳定传播的表面波具有一个频率 闽值、一个功率阑值和两个跃迁功率.频率闽值主要取决于两反 铁磁晶体介电系数之间的大小关系.人射电磁波只有同时满足 频率阂值和功率阖值条件才能在该非线性系统中形成稳定传播 的表面波.初始的表面波磁场峰值位于某一非线性反铁磁晶体 中，随着功率的不断提高，达到跃迁功率时，表面波磁场峰值跃 人另一层非线性晶体中，空间跃迁距离与人射波频率有关，约为 100一200林m.在研究表面波的磁场峰值位置随功率的变化过程中 发现，表面波功率单调增加和单调下降时的跃迁功率是不相等的. 这是一种新的传播现象和特征，需要进一步从实验上来验证.另 电磁彼在旋磁材料中的非线性传播特性 外，表面波功率变化不会对交界面处的磁场振幅产生影响，频率 以及两个非线性晶体的电磁参数是影响其振幅大小的真正原因. (4)研究非线性旋磁波的时间和空间特性.①得到了在非 线性旋磁材料中传播的TM电磁波在衍射效应、色散效应和非 线性效应并存的条件下满足的传播方程.在平面波理想情况 下，用线性分析法讨论了调制非稳性可能发生的空间、时间频 率范围.研究表明:Lighthill判据并不是时空孤子形成的充要条 件.对于自聚焦介质来说，正常色散或反常色散情形下都能够 产生时空非稳性.②数值模拟了在不同人射频率下的非线性 长度、衍射长度和色散长度.当功率较低时，时空孤子不可能 发生;当功率不太高时，时空非稳性出现;当功率很高时，可 能出现空间孤子或时间孤子，具体取决于波束的宽度和脉冲的 长短.在忽略色散效应的前提条件下讨论了空间磁孤子的传 播特性.