Особая поверхностная волна (ОПВ) как условие максимального усиления интенсивности эванесцентной электромагнитной волны в прозрачной диэлектрической среде
Как известно, в условиях ПВО в оптически менее плотной среде существование неоднородных эванесцентных волн возможно даже в отсутствии поглощения (в частности, в оптически прозрачных средах).
В последние годы резко возрос интерес к условиям формирования и свойствам этого типа ЭМ возбуждений. В монографии [27] отмечено , что на границе раздела оптически изотропных непоглощающих и немагнитных сред максимальное (четырехкратное) усиление интенсивности эванесцентных волн ТМ-типа по отношению к падающей извне объемной p-волне достигается при угле падения S, равном критическому углу ПВО S. Этот вывод был основан на анализе амплитудного коэффициента прохождения, который вне области ПВО можно представить в виде:
где- поверхностный импеданс для ЭМ волны с поляризацией
а = s,р в оптически более плотноеи менее плотной (Za)средах, соответственно. Однако условие достижения максимума коэффициента прохождения объемной ТМ-волны
отвечает Zp=Q,т.е. возбужде
нию в оптически менее плотной, изотропной среде особой объемной волны
47
(OOB) с поляризацией p-типа5. Таким образом, вопрос об условиях достижения в области ПВО максимума интенсивности эванесцентной волны TM- или ТЕ- типа, бегущей вдоль границы раздела прозрачных диэлектрических сред, фактически остался открытым. Вместе с тем, в соответствии со своим определением, OOB ТМ-типа по своим электродинамическим характеристикам (Zp=Q) удовлетворяет границе раздела “изотропный диэлектрик - идеальный металл“ [16,17].
C другой стороны, как следует из [34,63], в случае границы раздела “изотропный диэлектрик - идеальный металл“ постоянное внешнее электрическое E0или магнитное H0поле (а также их комбинация) вследствие динамического МЭ взаимодействия может приводить к формированию в диэлектрике однопарциальной поверхностной электромагнитной ТМ-волны. Однако, несмотря на это, возможность достижения с помощью постоянного внешнего магнитного или электрического поля (или их комбинации) максимального усиления в условиях в ПВО интенсивности эванесцентной волны TM- или ТЕ-типа на границе раздела двух диэлектрических сред до сих пор не рассматривалась.В связи с этим, целью данного подраздела является определение необходимых условий, при выполнении которых для границы раздела оптически прозрачных сред можно, за счет наложения внешнего постоянного магнитного или электрического поля, реализовать максимальное (четырехкратное) усиление интенсивности эванесцентных волн TM- или ТЕ-типа. В качестве примера рассмотрим плоскую границу раздела двух прозрачных полуограниченных немагнитных сред с нормалью к границе раздела q, считая, как и в случае (2.1.1), что верхнее полупространство занято оптически более плотной немагнитной средой, изотропной по своим ЭМ свойствам. Для нее соответствующие материальные соотношения можно представить в виде (1.1.1).
В этом случае выражения для поверхностных импедансов в оптически более плотной среде в зависимости от поляризации волны определяются как в (1.1.6). Что же касается нижнего полупространства, то будем полагать, что оно
5особая объемная волна - это однопарциальная волна, у которой в любой момент времени мгновенный поток энергии через границу раздела сред равен нулю [17,62].
48
занято оптически прозрачным диэлектриком (1.1.2), (1.1.4). Как результат, в плоскости векторов qи bв рассматриваемой модели диэлектрика возможно независимое распространение нормальных поляритонов TM- или ТЕ-типа с дисперсионными соотношениями (1.1.7-8).
В дальнейшем будем полагать такую плоскость сагиттальной, a qи b- единичными векторами соответственно вдоль нормали к границе раздела сред и вдоль линии пересечения сагиттальной плоскости и плоскости границы раздела сред {qb = 0). В зависимости от поляризации волны (TM- или ТЕ-типа), распространяющейся в нижнем полупространстве, поверхностный волновой импеданс для волны TM- или поверхностная волновая проводимость для волны ТЕ-типа Zaв ковариантной форме [16] могут быть представлены в виде (1.1.6).Совместный анализ (1.1.7-8) и (1.1.11) - (1.1.13) показывает, что и в рассматриваемом случае (внутри области ПВО) максимальное (четырехкратное) усиление интенсивности эванесцентной волны TM- или ТЕ-типаоп
ределяется условием Za =0, но теперь оно реализуется не на границе области ПВО (при l9 = Bac), а внутри нее (приПри этом частота ω и угол па
дения (проекция волнового вектора к на границу раздела сред h) объемной ЭМ волны (ТЕ- или ТМ-типа) в верхней, оптически изотропной среде с учетом (1.1.6), (1.1.12) одновременно удовлетворяют одному из следующих соотношений
Вследствие (1.1.6), (2.1.2), для волны с заданной поляризацией a = р (a = s)π области ПВОодновременно также выполнены условия:
Здесь Sa- вектор Пойтинга эванесцентной волны с поляризацией а в оптически менее плотной среде , φa- фазовый сдвиг объемной волны с поляризацией а, отраженной от поверхности рассматриваемого одноосного диэлектрика в верхнюю, оптически более плотную среду. Анализ COOT-
49
ношений (2.1.2) и (1.1.6) - (1.1.8) показывает, что при а = р соответствующее дисперсионное соотношение в (2.1.2) отвечает поверхностному ТМ-поляритону с ⅛∈XY, распространяющемуся вдоль границы раздела “немагнитный диэлектрик - идеальный электрический проводник (формально Zp = 0)”.
Если же в (2.1.2)-(2.1.3) а = s, то речь идет о законе дисперсии поверхностного поляритона ТЕ-типа (
конфигурации вдоль границы раздела “немагнитный диэлектрик - идеальный магнитный проводник (формально Zs= 0)”. Вследствие (2.1.2)-(2.1.3), у этого класса бегущих ЭМ волн в произвольный момент времени групповая скорость параллельна границе раздела сред (равен нулю поток энергии через границу раздела сред ((Saq) = 0)). Таким образом, следуя аналогии с особыми объемными волнами TM- типа из [17,64], определяемые (1.1.6) -(1.1.8), (2.1.2) - (2.1.3) поверхностные поляритонные возбуждения можно назвать особыми поверхностными волнами TM- и ТЕ-типа. Что же касается границы области ПВО
, то, как показывает анализ, в рассматриваемом случае для формирующейся в оптически менее плотной среде волны TM- или ТЕ-типа
одна
ко теперь она не является особой, поскольку для нее одновременно выполнены соотношения:
В этом случае, как показывает расчет, поток энергии через границу раздела сред равен нулю только в среднем за период колебаний (см. также [12,59]), вследствие чего условие максимального усиления интенсивности эванесцент- ной волны не достигается
Как известно, в условиях ПВО существование неоднородных эванесцентных волн возможно даже в отсутствии поглощения (в частности, в оптически прозрачных средах). В последние годы резко возрос интерес к условиям формирования и свойствам этого типа ЭМ возбуждений.
Не в последнюю очередь это связано с интенсивным развитием нанооптики (в частности, фотонной ска-50
нирующей туннельной микроскопии), поскольку использование ЭВ позволяет выйти за рамки дифракционного предела. В этих условиях ключевым вопросом является анализ условий формирования и свойств распространяющихся ЭВ. В частности было показано, что на границе раздела оптически изотропных непоглощающих сред усиление интенсивности эванесцентных волн ТМ-типа достигается при угле падения, равном предельному углу ПВО [27]. При этом из анализа френелевских амплитудных коэффициентов следует, что отмеченное в [27] условие достижения максимума коэффициента прохождения объемной TM- волны отвечает возбуждению в оптически менее плотной среде особой предельной объемной волны с поляризацией р-типа .
Таким образом, вопрос о возможности достижения в условиях ПВО максимума усиления для эванесцентной волны TM- или ТЕ-типа, бегущей вдоль границы раздела непроводящих прозрачных сред, фактически остался открытым. Однако до сих пор анализ эффекта усиления эванесцентных волн проводился исключительно в немагнитных средах [27]. Кроме того, в связи с освоением ПК диапазона, несомненный интерес представляет и также анализ свойств эванесцентных волн в магнитно упорядоченных средах, в частности, антиферромагнетиках, поскольку в этом типе магнитных материалов частоты АФМ резонанса вследствие больших внутренних магнитных полей лежат в терагерце- вом частотном диапазоне. Кроме того, хорошо известно, что резонансные характеристики АФМ сред чувствительны не только к характеру магнитного упорядочения, но и к воздействию внешних полей, в частности, электрического [65]. При этом следует отметить, что уже в коллинеарной фазе скомпенсированного АФМ с центром симметрии (ЦС АФМ) в постоянном внешнем электрическом поле E0, ортогональном или коллинеарном легкой магнитной оси, по своим электродинамическим свойствам становится подобен омега- структуре [66-68]. Что же касается легкоплоскостной слабо ферромагнитной фазы, то при указанных выше ориентациях E0ЦС АФМ по своим электродинамическим свойствам отвечает невзаимной киральной омега-среде [69-71].
Это позволяет рассчитывать на возможность целенаправленного и эффективно-51
го воздействия с помощью постоянного внешнего электрического поля не только на характер рефракции объемной волны TM- или ТЕ-типа на границе раздела “немагнетик- антиферромагнетик”, но и на условия формирования и свойства эванесцентных волн той же поляризации, распространяющихся в условиях ПВО вдоль границы раздела магнитной и немагнитной сред.
До сих пор возможность целенаправленного влияния на условия достижения в условиях ПВО максимума интенсивности возбуждения эванесцентной волны TM- или ТЕ-типа обсуждалась только в общем виде. В связи с этим целью следующего подраздела является анализ влияния постоянного внешнего электрического поля на условия формирования и свойства эванесцентных волн TM- и ТЕ-типа вблизи границы раздела “немагнетик - скомпенсированный ЦС АФМ”.
Результаты данного раздела были опубликованы в [4-а].
2.2.
Еще по теме Особая поверхностная волна (ОПВ) как условие максимального усиления интенсивности эванесцентной электромагнитной волны в прозрачной диэлектрической среде:
- ОПВ как вытекающая волна на уединенной границе раздела сред (новый механизм поверхностного поляритонного резонанса, новый механизм усиления пространственного эффекта Гуса-Хенхен на границе раздела прозрачных сред)
- Рефракция s-и р-поляризованной плоской электромагнитной волны на границе «немагнитный диэлектрик - скомпенсированный легкоосный центроантисимметричный антиферромагнетик». Продольная магнитооптическая конфигурация
- ГЛАВА I. ЭФФЕКТЫ НЕВЗАИМНОСТИ ПРИ ПРОХОЖДЕНИИ ПЛОСКОЙ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ВОЛНЫ TM- (ТЕ-) ТИПА ЧЕРЕЗ ГРАНИЦУ РАЗДЕЛА НЕМАГНИТНОГО ДИЭЛЕКТРИКА И АНТИФЕРРОМАГНЕТИКА C ЦЕНТРОМ АНТИСИММЕТРИИ
- Π.5 Области существования объемных и эванесцентных волн TM- (ТЕ-) типа и соответствующих ОПВ в коллинеарной фазе скомпенсированного JIO АФМ в постоянном внешнем электрическом поле
- Π.6 Области существования объемных и эванесцентных волн TM- (ТЕ-) типа и соответствующих ОПВ в нескомпенсированном JIO АФМ в постоянном внешнем электрическом поле. Геометрия Фогта
- Принципы административных процедур как необходимое условие эффективности государственного управления
- П.З Частотная зависимость условий существования объемных и эванесцентных волн TM- (ТЕ-) типа и соответствующих типов сечений ПВВ в коллинеарной фазе скомпенсированного ЛО АФМ с ЦАС. Продольная МОК.
- П.4 Частотная зависимость условий существования объемных и эванесцентных волн TM- (ТЕ-) типа и соответствующих типов сечений ПВВ в мультиферроике PML типа. Геометрия Фогта
- Таммовские ОПВ
- П.7. Области существования и линии максимального усиления эффекта Гуса-Хенхен в нескомпенсированном JIO АФМ в постоянном внешнем электрическом поле. Геометрия Фогта
- Связь условий резонансного прохождения с локальной геометрией поверхности волновых векторов (ПВВ).
- 4.1. Особенности резонансного прохождения волны TM (ТЕ-) типа через пластину антиферромагнетика в скрещенных магнитном и электрическом полях
- Рефракция s-и р- поляризованной плоской ЭМ волны на границе «немагнитный диэлектрик - некомпенсированный JIO АФМ с ЦАС»
- Свойства эванесцентных волн в электрически и магнитополяризованном диэлектрике. Некомпенсированный АФМ
- П.8. Условия полуволнового прохождения плоских объемных волн TM- (ТЕ-) типа через слой ЛО АФМ в скрещенных магнитном и электрическом
- ТАРАСЕНКО АРТЕМ СЕРГЕЕВИЧ. ПОВЕРХНОСТНАЯ СПИН-ВОЛНОВАЯ ЭЛЕКТРОДИНАМИКА АНТИФЕРРОМАГНИТНЫХ СРЕД C ЦЕНТРОМ АНТИСИММЕТРИИ. ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук. Донецк - 2019, 2019
- Тарасенко Артём Сергеевич. ПОВЕРХНОСТНАЯ СПИН-ВОЛНОВАЯ ЭЛЕКТРОДИНАМИКА АНТИФЕРРОМАГНИТНЫХ СРЕД C ЦЕНТРОМ АНТИСИММЕТРИИ. АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук. Донецк - 2019, 2019
- Финансовые суды как особый вид административной юстиции
- Тема: Компетенция органов как важнейший элемент их правового статуса
- П.2 Частотная зависимость условий существования объемных и эванесцентных волн TM- (ТЕ-) типа и соответствующих типов сечений ПВВ в коллинеарной фазе скомпенсированого ЛО АФМ с ЦАС. Полярная MOK