ПОЛЯРИЗАЦИОННО-ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ИНТЕРФЕРЕНЦИОННЫЙ ФИЛЬТР НА ОСНОВЕ ФЕРРОМАГНЕТИКА

Полезная модель относится к области изготовления интерференционных фильтров и резонаторов.
В качестве аналогов взяты известные устройства полосно-пропускающие феррит-диэлектрические фильтры для СВЧ [Ильченко М.Е., Мелков Г.А., Мирских Г.А. Твердотельные фильтры СВЧ с, Киев: Технiка, 1977, С. 122], содержащие прозрачную плоскую ферритовую пластину, на противоположные поверхности которой ограниченны диэлектрическими пластинами. По принципу действия фильтры являются резонаторами со стоячей световой волной. При пропускании излучения через фильтр между диэлектрическими слоями, вследствие многократных отражений, возникает многолучевая интерференционная картина. Излучение проходит фильтр только на тех длинах электромагнитных волн, на которых между пластинами возникает резонанс, то есть, укладывается целое число полуволн. Недостатком данного устройства при его использовании в качестве фильтра является большая ширина полосы пропускания.
В качестве ближайшего аналога (прототипа) взято известное устройство - оптический поляризационно-чувствительный фильтр [Моисеев С.Г., Новиков С.Г., Коробко Д.А., Остаточников В.А., Семенцов Д.И. Поляризационно-чувствительный интерференционный фильтр на основе нанокомпозита, патент №138050 от 17.10.2013], состоящий из двух систем чередующихся четвертьволновых диэлектрических слоев с различающимися показателями преломления  и , толщиной  и . Зеркала разделены полуволновым диэлектрическим слоем с показателем преломления  и толщиной . Последовательность чередования слоев имеет вид .
В объеме разделяющего диэлектрического слоя равномерно распределены металлические наночастицы в форме эллипсоидов вращения, при этом главные оси вращения всех эллипсоидных наночастиц ориентированы вдоль одного направления перпендикулярно направлению периодичности структуры.
Принцип действия прототипа состоит в том, что его можно рассматривать в качестве интерференционного фильтра Фабри-Перо. Максимум пропускания интерференционного фильтра находится из условия Фабри-Перо:
где 1, 2, … - порядок интерференции.
Внесение в объём центрального слоя эллипсоидных наночастиц металла, придаёт ему свойства одноосного кристалла с компонентами тензора эффективной диэлектрической проницаемости в главных осях:  и . Частотные зависимости действительной и мнимой частей компонент эффективной диэлектрической проницаемости нанокомпозитной среды имеют резонансный характер. При этом резонансные частоты  и проницаемостей  и  различаются, что приводит, в конечном счете, к зависимости оптических свойств нанокомпозита от поляризации распространяющейся волны. Выбор параметров композита таким образом, что  и  (аналогично,  и ), приводит к подавлению пропускания для одной из поляризаций плоско поляризованного электромагнитного излучения.
Недостатком данного интерференционный фильтра является невозможность его применения в спектральной области СВЧ.
Основной целью является разработка поляризационно-чувствительного оптического фильтра для СВЧ диапазона.
Технический результат: управляемый внешним магнитным полем частотно-поляризационный фильтр электромагнитного излучения.
Технический результат достигается за счет помещения в магнитное поле интерференционного фильтра, имеющего в своем составе слой ферромагнетика. Силовые линии магнитного поля параллельны границам раздела слоев фильтра.
Описание полезной модели.
Рассмотрим интерференционный фильтр Фабри-Перо, в котором между двумя боковыми диэлектрическими зеркалами, включен слой однородно намагниченного магнетика толщиной . Каждое из боковых зеркал состоит из одинакового и конечного числа периодов структуры. В свою очередь, период состоит из двух не поглощающих диэлектрических слоев со скалярными и вещественными диэлектрическими проницаемостями , магнитными проницаемостями  и толщинами Последовательность чередования слоев имеет вид , где $ v $ -- число пар.
Волны в структуре должны распространяются вдоль оси ее периодичности (ось OZ), а внешнее постоянное магнитное поле  ориентировано перпендикулярно этой оси (ось OX). Решение уравнений Максвелла с учетом направления распространения и ориентации намагничивающего поля приводит к двум собственным волнам структуры, с компонентами поля и , соответственно.
Тензор диэлектрической проницаемости ферромагнетика имеет диагональный вид с компонентами  , где .
Свойства ферромагнетика, во внешнем магнитном поле, в СВЧ диапазоне, представляются тензором магнитной проницаемости:
Компоненты тензора имеют характерную частотную зависимость:
где ,
,
,
- магнитомеханическое отношение,
- намагниченность,
- внутреннее макроскопическое усредненное поле, которое складывается из внешнего магнитного поля и размагничивающих полей, зависящих от размеров и формы образца.
Для волны c компонентами поля  магнитная проницаемость равна . Управляемой внешним магнитным полем является волна с компонентами , для которой эффективная магнитная проницаемость имеем вид:
Изменение направления внешнего поля  на перпендикулярное к оси ОХ, вдоль оси OY, к перемагничиванию ферромагнетика, его тензор магнитной проницаемости принимает вид:
В данном случае, для волны  магнитная проницаемость равна . Управляемой внешним магнитным полем является волна ТM типа c компонентами поля , для которой эффективная магнитная проницаемость имеем вид:
Эффективная магнитная проницаемость имеет резонансную частоту , значение которой зависит от внешнего намагничивающего поля . На фиг. 1 приведены зависимости действительной части эффективной проницаемости магнетика от частоты для значений намагничивающего поля 0.85, 1.0, 1.15 (кривые 1-3), а также от величины намагничивающего поля для трех значений частоты 0.88, 1.0, 1.12 (кривые 4-6). Для нормировки выбирается поле , соответствующее значению внешнего поля при . Кривые 1-3 соответствуют нормированным значениям поля 0.85, 1.0, 1.15; 4-5 -- нормированным частотам 0.88, 1.0, 1.12.
Видно, что каждому значению намагничивающего поля отвечает свое значение резонансной частоты  (длины волны ), а каждой частоте - резонансное значение магнитного поля. Увеличение поля приводит к сдвигу резонанса в область более высоких частот, а для увеличения частоты резонанса  требуется большая интенсивность внешнего поля . Указанное свойство ферромагнетиков позволяет обеспечить близость частоты магнитного резонанса к частоте максимума пропускания интерференционного фильтра находится из условия Фабри-Перо (1).
Для выделения спектральной полосы с несущей частотой электромагнитного излучения  ( ГГц) предлагается слоистый интерференционный фильтр, зеркала которого составлены диэлектрическими СВЧ керамиками марок МСТ25 и МСТ10 с параметрами  и ,  мм и  мм, соответственно. Ферромагнитный слой изготавливается из феррита марки 10СЧ6Б с параметрами: ,  мм.
Параметры диэлектрических зеркал и слоя ферромагнетика подобраны таким образом, что максимум пропускания волны c компонентами  наблюдается на частоте  (длина волны ). Внешнее намагничивающее поле  кЭ и направленно вдоль оси ОХ. На фигуре 2 приведена зависимость коэффициента прохождения ТE (a) и TM (b) мод структуры , где , поле направленно вдоль ОХ. В предложенной конфигурации для  волны пропускание на частоте резонанса будет подавленно (фиг. 2). Изменение направления внешнего поля  на перпендикулярное к оси OX (вдоль оси OY) приводит к изменению поляризации чувствительной к внешнему магнитному полю. Таким образом, после введения в интерференционный фильтр слоя из магнитного материала ее спектры пропускания и отражения становятся поляризационно-чувствительными, технический результат достигается.