Rigorous analysis of grazing-angle scattering of electromagnetic waves in periodic gratings
掠角散射(GAS)是当满足布拉格条件的衍射级相对于板状光栅的边界以掠角传播时,波在倾斜的非均匀周期光栅中的布拉格散射。本文用改进的T矩阵算法对体TE电磁波在全息光栅中的GAS进行了严格的分析。严格的气体和以前开发的近似理论进行了比较。一个复杂的模式,许多以前未知的谐振被发现,并详细分析了大振幅的光栅,近似理论失败。这些共振不仅与GAS的几何形状有关,而且对于宽透射光栅也是典型的。数值研究了它们对光栅振幅、入射角和散射角以及光栅宽度的依赖关系。预测的共振的物理解释与倾斜光栅的特殊新本征模的存在和共振产生有关。讨论了这些模式的主要特性及其场结构。
2005-09-05 physics.optics
Does the Helmholtz theorem of vector decomposition apply to the wave fields of electromagnetic radiation?
3-向量场的向量分解的亥姆霍兹定理的推导要求该场在空间无穷远处满足某些收敛性质。本文研究了长距离时变电磁辐射波场是否满足这些要求。结果发现,满足要求是因为这些场在sin(kr)/r和cos(kr)/r形式的被积函数的径向距离r上产生积分。这些狄利克雷积分按要求收敛于无穷远。
2015-05-19 physics.optics
Spin-Orbital momentum decomposition and helicity exchange in a set of non-null knotted electromagnetic fields
我们计算分析的自旋轨道分解的角动量使用完全非傍轴场,有一定程度的链接的电力和磁力线。对于非零纽结电磁场,给出了角动量分裂为自旋轨道分量的方法。考虑了磁螺旋度和电螺旋度与角动量自旋轨道分解之间的关系。我们证明,即使总的角动量和自旋和轨道动量的值是相同的,本地角动量密度的行为是相当不同的。通过对电、磁螺旋度为常数和非常数的情况进行分析,我们发现在时间演化过程中,总角动量密度呈现出不同的特征。
2017-09-05 physics.optics
Decomposition of the Total Electromagnetic Momentum in a Linear Dielectric into Field and Matter Components
亚伯拉罕-闵可夫斯基电磁动量争论的长期解决方案是基于将封闭连续电动力学系统的总动量分解为单独的场和物质分量。使用一个简单的线性电介质的微观模型,我们推导出拉格朗日方程的电偶极子的运动,并表明,电介质可以被视为一个固定的简谐振子的集合,由电场驱动,并产生一个极化场的响应。宏观的能量和动量是根据电、磁和极化场来定义的,这些场作为电磁辐射脉冲一起穿过电介质。我们的结论是,宏观能量和宏观动量是完全电磁性质的一个简单的线性电介质在没有显着的反射。
2013-10-21 physics.optics
Logarithmically complex rigorous Fourier space solution to the 1D grating diffraction problem
本文利用张量列分解技术压缩标准离散化产生的冗余数据,实现了大周期多尺度一维光栅衍射问题的对数复杂度严格求解,突破了傅里叶空间方法的计算瓶颈。
2025-02-04 physics.comp-ph physics.optics
A Rigorous Time-Domain Analysis of Full--Wave Electromagnetic Cloaking (Invisibility)
目前,人们对用电磁波掩盖物体的观测在理论和实践上的可能性有很大的兴趣。这些不可见装置\cite{glu1, glu2, le}、\cite{pss1}的基本思想是使用各向异性{ \it变换介质},其介电常数和磁导率$\var^{λν}, μ^{λν}$通过坐标的奇异变换从各向同性介质的介电常数和磁导率$\var_0^{λν}, μ^{λν}_0$获得。本文利用含时散射理论研究了时域电磁隐身问题。这种形式主义使我们能够以一种明确的方式解决由{ \it变换介质}的介电常数和磁导率的倒数的奇异性在隐身物体的边界上所引起的数学问题。我们将麦克斯韦方程组写成薛定谔形式,电磁传播子扮演哈密顿量的角色。我们证明了隐身物体外的电磁传播子本质上是自伴的。此外,唯一的自伴扩张是酉等价的电磁传播介质$\var_0^{λν}, μ^{λν}_0$。利用这一事实,由于坐标变换是球外的恒等式,我们证明散射算子是恒等式。我们的结果给出了一个严格的证明,\cite{glu1, glu2, le},\cite{pss1}的建设完美地掩盖被动和主动设备从电磁波的观察。此外,我们证明了一般各向异性材料的隐身。特别是,我们的研究结果证明,有可能将物体隐藏在一般的晶体中。
2008-02-04 math-ph math.MP physics.optics
Decomposition of Abraham momentum into complex orbital and spin momenta in evanescent wave
电磁场的Abraham动量表示分解为实值轨道和自旋贡献的性质。然而,我们发现,倏逝电磁场的轨道和自旋动量是固有的复杂。在此基础上,重新研究了Abraham动量的分解,得到了既适用于传播电磁场又适用于倏逝电磁场的轨道动量和自旋动量的精确表达式.此外,我们还证明了新导出的有耗介质的Abraham动量分解,并通过一个具体的金属表面极化激元的例子进一步证明了这一点。此外,利用表面极化激元的复轨道动量,尝试性地提出了复群速度,其实部代表能流速度,虚部代表能量穿透相应介质的渗透速度
2018-05-08 physics.optics
Rigorous analysis of extremely asymmetrical scattering of electromagnetic waves in slanted periodic gratings
极不对称散射(EAS)是一种新型的周期性厚光栅布拉格散射。当散射波平行于光栅的前边界传播时,这是实现的。其最重要的特征是与入射波的振幅相比,散射波振幅的强烈共振增加:光栅振幅越小,散射波的振幅越大。本文采用改进的T矩阵算法对EAS进行了严格的数值分析。这包括调查的谐波产生内部和外部的光栅,异常强大的边缘效应,快速振荡的入射波的振幅在光栅等与以前开发的近似理论进行比较。特别是,它表明,在EAS的情况下,两波近似的适用条件是明显的限制比那些传统的布拉格散射。同时,它表明,近似理论通常是高度准确的描述EAS在最有趣的情况下,散射与强共振增加的散射波振幅。物理解释的预测效果。
2005-09-07 physics.optics
Spin decomposition and topological properties in a generic electromagnetic field
电磁自旋(包括纵向自旋和横向自旋)在光与物质相互作用中起着重要的作用。在这里,我们制定了一个统一的方程,揭示的物理起源和拓扑性质的纵向和横向自旋在一个通用的电磁场。该方程普遍地揭示了横向自旋与动力学动量锁定,起源于场的横向不均匀性,而与螺旋相关的纵向自旋方向与局域波矢平行。值得注意的是,一个隐藏的特殊的螺旋依赖的横向自旋具有螺旋依赖的自旋动量锁定被发现和锁定状态的数量与非平凡的拓扑自旋陈数一致。此外,这种决定反螺旋分量的自旋与Berry曲率密切相关。通过测量聚焦构型中的三维自旋分量,实验证明了这一发现,这将加深对自旋基础物理的理解,并为手征量子光学应用开辟一条途径。
2022-11-22 physics.optics
Electromagnetic multipole theory for optical nanomaterials
自然或设计材料的光学性质由光可以在组成粒子中激发的电磁多极矩决定。在这项工作中,我们提出了一种方法来计算多极激发在任意阵列的纳米散射在电介质中的主机介质。我们介绍了一个简单的和说明性的多极分解的电流中激发的散射体和链接到经典的多极展开的散射场的分解。特别是,我们发现,完全不同的多极子可以产生相同的散射场。多极理论可作为纳米光学材料设计和表征的基础。
2012-09-19 physics.optics
Accurate near-field calculation in the rigorous coupled-wave analysis method
严格耦合波分析(RCWA)是周期性光学结构建模最成功且应用最广泛的方法之一。它产生电磁远场的快速收敛,并已被适配为各种光学设备和波配置的模型。在这篇文章中,我们调查的准确性,电磁近场可以通过使用RCWA计算和解释所观察到的缓慢收敛和数值工件,它遭受,即非物理振荡在材料边界由于吉布斯现象。为了减轻这些缺点,我们还介绍了一个精确的近场计算的数学公式RCWA,一维和二维直和倾斜的衍射光栅。这种精确的近场计算方法进行了测试和评估的几个代表性的测试结构和配置,以说明所提出的修改制定的RCWA提供的优点。
2015-07-23 physics.optics
Space-Time Modulation Induced Non-reciprocity in Electromagnetic Metasurfaces
提出了电磁超颖表面中时空调制引起的非互易性,并利用严格的广义片层跃迁条件(GSTC)在平面波斜入射下进行了数值模拟。它是唯象地示出,时空调制的表面可伸缩性创建一个固有的不对称性相对于元表面上的方向扰动和输入波的横波动量,向前和向后传播之间,导致在非互易波传输。利用表面在时间和空间上的可伸缩性的周期性,Floquet模式展开方法被用来严格计算散射场,固有色散超颖表面,通过求解GSTC与因果洛伦兹表面可伸缩性相结合。各种谐波的解决方案显示和非互易波传输已被证实下的斜平面波入射。
2017-03-31 physics.optics
Efficient and accurate numerical-projection of electromagnetic multipoles for scattering objects
本文提出一种基于勒贝德夫和高斯求积的电磁多极子高效精确数值投影方法,通过少量采样点实现高精度分解,并在多种散射体上验证了与米氏理论及有限元模拟的一致性。
2023-11-26 physics.optics
Parallel overlapping-domain decomposition FDFD for large-scale complex nanostructures modeling
针对大规模复杂纳米结构电磁建模,提出基于FDFD的并行重叠域分解方法,通过PML子域划分与多波前预条件加速,实现与COMSOL一致精度且计算时间降低一个数量级。
2025-09-25 physics.optics
A rigorous analysis of high order electromagnetic invisibility cloaks
Pendry等人最近提出的基于变换方法的隐形斗篷目前引起了很大的兴趣。他们用一阶变换得到了结果。在最近的论文中,Hendi等人和Cai等人考虑了具有高阶变换的隐形斗篷。本文研究了一般各向异性介质经高阶变换后得到的变换介质中的高阶电磁隐身衣。我们考虑的情况下,有一个有限数量的球形斗篷位于空间中的不同点。我们证明了对于任意频率的平面波入射,散射波恒为零。我们还考虑了有限能量波包的散射。我们证明了散射矩阵是恒等式,即,对于任何输入波包,输出波包与输入波包相同。这证明了在任何电磁波在高阶变换介质,特别是Pendry等人的一阶变换介质中的散射实验中都不能探测到隐身衣,并证明了高阶隐身衣与一阶隐身衣一样,也能隐身无源和有源器件.隐形的物体与外部完全分离。实际上,外部的隐身与被隐身对象内部的内容无关。隐身物体内部的电磁波不能离开隐蔽区域,反之亦然,隐身物体外部的电磁波不能进入隐蔽区域。当我们证明我们的结果,从一般的各向异性材料的转换获得的媒体,我们证明,它是可能的斗篷内的一般晶体的对象。
2008-02-20 math-ph math.MP physics.optics
From Whitney Forms to Metamaterials: a Rigorous Homogenization Theory
一个严格的均匀化理论的超材料-人工周期性结构明智地设计控制电磁波的传播-发展。所有的粗粒度字段明确定义和有效的参数,然后推导出没有任何启发式的假设。该理论融合了两个概念:Smith & Pendry对场平均的物理见解和Whitney-Nedmont-Bossavit-Kotiuga插值的数学框架。所有的粗粒度场都是通过惠特尼形式定义的,并且精确地满足麦克斯韦方程。新的方法与几个分析和数值例子说明,并同意与已建立的结果(例如麦克斯韦-加内特公式和零细胞大小限制)的适用范围内,后者。的近似误差的来源和相应的合适的误差指标明确识别,以及进一步提高精度的系统路线。所提出的方法应该适用于超材料和电磁波以外的领域--例如声学和弹性。
2010-10-18 cond-mat.other physics.optics
The Scattering of Electromagnetic Waves from Two-Dimensional Randomly Rough Perfectly Conducting Surfaces: The Full Angular Intensity Distribution
用计算机模拟方法研究了$p$ -或$s$ -偏振光在二维随机粗糙理想导电表面上的散射。利用矩量法将表面磁场两个独立切向分量的耦合非齐次积分方程组转化为矩阵方程组,然后采用双共轭梯度稳定化方法求解。的解决方案是用来计算平均微分反射系数给定的入射角和指定的偏振的入射和散射场。通过严格的计算机模拟方法,得到了强随机粗糙表面散射光强度的全角度分布。
2009-10-03 physics.comp-ph physics.optics
Electromagnetic Waves Determined by the Tangential Electric Field of Incident Plane Wave at a Charged and Lossy Planar Interface
本文基于波矢和电场的法向与切向分解,证明带电有耗平面界面处的入射、反射和折射波仅由入射波切向电场决定,避免了偏振分解,并验证了时变电磁场唯一性定理。
2025-04-30 physics.optics
A Rigorous Analysis of Plane-transformed Invisibility Cloaks
对平面变换隐身衣的电磁特性进行了定量研究。以椭圆柱隐身衣为例,采用椭圆柱波展开法求解散射场。证明了理想的椭圆柱隐身衣是固有可见的。当隐身衣直接暴露在电磁波中时,会引起明显的场散射和穿透。然而,只要斗篷的内表面由一个完美的导电衬里组成,就可以在平行于斗篷主轴的方向上实现完美的隐身。另一个平面变换斗篷与圆锥几何也被提出。这种斗篷的优点是所有的介电常数和磁导率元素是空间不变的,而没有一个是奇异的。因此,它很容易实现与人工结构的超材料。最后,我们表明,这种斗篷也可以用来掩盖一个平坦的地平面上的物体。
2009-04-30 physics.optics
Modified rigorous coupled-wave analysis for grating-based plasmonic structures with delta-thin conductive channel. Far- and near-field study
采用改进的严格耦合波分析方法研究了具有栅控三角形薄导电沟道的等离子体结构在电磁波远场和近场区域的光学特性。该技术被应用于AlGaN/GAN异质结的共振特性分析结合深亚波长金属光栅,有利于激发的二维等离子体激元在太赫兹频率范围内。在等离子体共振附近的频率的计算的收敛性进行了讨论。详细研究了光栅的填充因子和厚度等参数对结构共振吸收的影响。在近场区中的电磁场的空间分布被用于评估分离光栅门控二维电子气和光栅耦合器的贡献的等离子体结构的总吸收。
2021-01-13 cond-mat.mes-hall physics.optics
Dynamical characteristics of electromagnetic field under conditions of total reflection
电磁场的动力学特性包括能量、动量、角动量(自旋)和螺旋度。分析了任意偏振的单色平面波入射到两种透明非色散介质的平面界面附近时,在较低光密度的介质中形成倏逝波时,它们的空间分布。基于最近支持材料介质中电磁动量的Minkowski定义的论点[Phys.Rev.A83,013823(2011); 86,055802(2012); Phys.Rev.Lett.2012],119,073901(2017)],我们推导出两种介质中动力学特性的显式表达式,特别注意它们在界面处的行为。特别是,“非凡的”自旋和动量分量的入射平面正交的描述,和规范(自旋轨道)动量分解进行,不包含奇异项。场能量、螺旋度、自旋动量和轨道动量分量处处规则,但在界面处不连续;平行于界面的自旋分量似乎是连续的,这证明了所采用的闵可夫斯基图像的一致性。该结果为非均匀介质中空间自由度和偏振自由度分离的电磁动量分解提供了一个有意义的例子,可用于工程上设计用于光学分选、调度和微操作的结构场。
2018-03-19 physics.optics
Electromagnetic energy within single-resonance chiral metamaterial spheres
本文导出了平面波作用下手征色散球内时均电磁能量的精确表达式。色散关系对应于由非耦合单共振螺旋谐振器组成的手性超材料。利用场分解方案和双各向异性介质中电磁能量密度的一般表达式,计算了同时具有磁性和手征性的介质中内场的Lorenz-Mie解.我们还得到了一个明确的内部电磁场和吸收截面之间的解析关系。这一结果被施加到证明,强手性导致弱球内的非共振场增强。absorb.ing
2013-03-04 physics.optics
Electromagnetic waves in photonic crystals: laws of dispersion, causality and analytical properties
光子晶体是周期性结构,其防止光在特定频率间隔中沿着一个或多个方向传播。通常使用Floquet-Bloch分解来分析它们的带谱。该谱位于实轴上,并且当在材料组分的介电常数中考虑吸收和色散时,该谱进入复平面。本文综述了光子晶体中色散定律和群速度的基本定义和性质,并通过数值例子加以说明。
2018-07-04 physics.optics
Orbital and spin components of the angular momentum of a general electromagnetic field
得到了经典电磁场的角动量分解为轨道分量和自旋分量,这是明显的规范不变的和一般的。这是通过利用亥姆霍兹定理将电场分解成其纵向和横向部分来完成的。任何特定电磁场的角动量的轨道和自旋分量都可以从这个公式中找到。
2006-09-05 physics.class-ph physics.optics
Transmission properties of one dimensional metal and left-handed gratings
我们提供严格的数值计算(使用严格的耦合波分析)的各种金属和超材料一维光栅的透射光谱,并确定负责增强传输的等离子体共振。我们认为,影响共振传输的最重要的机制是入射电磁波与两个等离子体波的耦合:纵向等离子体激元,它沿着光栅传播,和横向等离子体激元激发在空气间隙中。
2013-07-10 physics.optics
Electromagnetic Multipole Theory for Two-dimensional Photonics
本文提出适用于任意形状、非均匀各向异性二维柱体及其集合的全波电磁多极分解理论,并经COMSOL验证,可用于活性介质高定向开关等光子学分析。
2025-01-08 physics.optics
A note on conserved quantities for electromagnetic waves
电磁波携带无穷多个守恒量。我们对这一事实给出了一个简单的解释,这也说明了如何随意写下守恒量并计算它们的相关对称变换。然后,这个框架被用来讨论光学角动量的分解,并证明了磁螺旋度是光束和脉冲守恒。最后,我们描述了一个无限的电磁守恒量,对应于共形场论的Virasoro发电机。在量子情况下,Virasoro生成元在其代数中获得了一个中心荷,这是量子异常的一个例子。
2018-10-24 physics.optics quant-ph
Rigorous numerical study of strong microwave photon-magnon coupling in all-dielectric magnetic multilayers
我们从理论上证明了一个强大的局部增强的平面内微波磁场的强度在多层结构由磁绝缘钇铁石榴石(YIG)层夹在两个非磁性层与高介电常数匹配的YIG。预测的增强的激励制度时,微波磁场内的多层膜感应的带状线宽带铁磁共振(BFMR)设置的换能器。通过严格的数值解的Landau-Lifshitz-Gilbert方程一致的麦克斯韦方程组,我们调查的磁化动力学多层。我们揭示了一个强大的光子-磁振子耦合,这表现为反交叉的铁磁共振(FMR)磁振子模式支持的YIG层和电磁共振模式支持的整个多层结构。磁振子模式的频率取决于外部静态磁场,在我们的情况下,该磁场在垂直于由BFMR装置的带状线引起的微波磁场的方向上切向地施加到多层膜。电磁模式的频率与静态磁场无关。因此,预测的光子-磁振子耦合对所施加的磁场敏感,并且因此可以用于基于由于YIG层而可同时实现的负介电常数和磁导率的磁可调谐超材料中。我们还认为,预测的光子-磁振子耦合可能会在微波量子信息系统中找到应用。
2015-03-25 cond-mat.mes-hall physics.optics
Simulador electromagnético eficiente para el diseño de rejillas de difracción débiles en guías dieléctricas
针对激光雷达等应用对弱衍射光栅的需求,本文提出一种基于经典微扰方法和电路方法的高效电磁仿真器,在保证准确性的同时将仿真时间最多缩短16倍。
2025-03-06 physics.optics
Classical and quantum electromagnetic momentum in anisotropic optical waveguides
Paderborn University(帕德博恩大学);Institute for Photonic Quantum Systems (PhoQS), Paderborn University(帕德博恩大学光子量子系统研究所)
研究各向异性光学波导中经典和量子电磁动量的关系,通过正交条件建立动量与能量正交性的联系,为光子电路中电磁场的量子化提供理论基础。
2025-12-18 physics.optics quant-ph
Probability Distributions of Random Electromagnetic Fields in the Presence of a Semi-Infinite Isotropic Medium
利用自由随机电磁波的角平面波谱的TE/TM分解和匹配边界条件,我们导出了存在半无限各向同性介质时矢量电场的能量密度的概率密度函数。良好的电导体和一个无损的介电半空间的计算和结果的理论分析说明。的介电常数和电导率的强度,随机极化,统计分布和标准偏差的字段的影响进行了调查,无论是入射加反射场和折射场。发现外折射导致随机场波动的压缩。
2006-12-22 physics.data-an physics.optics