Электромагнитные волны в немагнитных анизотропных средах
Плоская монохроматическая волна. Распространение электромагнитных волн в прозрачном немагнитном кристалле описывается уравнениями Максвелла в форме
![]() | (36) |
и материальным уравнением
![]() | (37) |
где E и D - векторы напряженности и индукции; с - скорость света в вакууме, а по повторяющемуся (немому) индексу к предполагается суммирование. Предположение о прозрачности кристалла приводит к отбрасыванию в полных уравнениях Максвелла источников поля (плотностей заряда и тока). Свойство немагнитности (пренебрежение намагниченностью) кристалла выражается равенством Н = В.
Связь (37) между векторами Е и D осуществляется при помощи тензора диэлектрической непроницаемости ). Понятие тензора возникает при установлении линейных соотношений между внешним воздействием и реакцией на него в анизотропных средах. Скалярная величина (температура, энергия) представляется тензором нулевого ранга, векторная величина (напряженность и индукция электрического поля) - тензором первого ранга. Физические свойства кристаллов описываются тензорами разного ранга: нулевого (теплоемкость), второго (диэлектрическая проницаемость) и т.п. Связь между индукцией и напряженностью электрического поля
определяет тензор диэлектрической проницаемости , связанный с
из (37) равенством
![]() | (38) |
Тензоры и
обладают свойством симметрии относительно перестановки индексов
Следует иметь в виду, что компоненты и
тензоров
и
зависят, как и проекции
, и
векторов D и Е, от выбора системы координат (базиса).
Если переменное электромагнитное поле распространяется в кристалле в форме плоской монохроматической волны, то для полей D, Е, Н будем иметь:
![]() | (39) |
где - фазовый множитель;
- фаза волны;
- волновой вектор;
- циклическая частота. Равенство
![]() | (40) |
определяет форму фронта волны - поверхности равной фазы. Легко видеть, что (40) представляет уравнение плоскости, нормаль к которой (волновая нормаль) - вектор . Можно показать, что имеют место соотношения
![]() | (41) |
где - фазовая скорость света в рассматриваемой среде; п - показатель преломления среды, зависящий от направления единичного вектора волновой нормали m;
- волновое число в случае вакуума, когда п = 1;
и
- длина волны света в среде и вакууме соответственно.
Пространственно-временная зависимость (39) полей D, Е и Н в случае плоской монохроматической волны существенно упрощает
уравнения (36), поскольку действие операторов и
на поля D, Е, Н
сводится к их действию на скалярную функцию . Это дает:
В силу этого для полей вида (39) устанавливается соответствие
![]() | (42) |
С учетом (42) уравнения (36) в случае (39) принимают вид:
![]() | (43) |
Отсюда следует, что поля D, Е, Н имеют одинаковую фазу
, причем векторы k,D,H0 взаимно ортогональны, а Е0 в общем случае ортогонален лишь вектору Н0. Таким образом, поперечность электромагнитных волн в анизотропных средах сводится к тому, что векторы D() и
Н0 лежат в плоскости волнового фронта. Общий случай пространственного расположения векторов m,k,D(),H() и Е0, удовлетворяющих (41) и (43), изображен на рис.9.
Исключив из пары векторных уравнений (43) поле Н0 и поделив на , получим уравнение
которое после преобразования двойного векторного произведения принимает вид:
![]() | (44) |
где - составляющая поля
, лежащая в плоскости волнового фронта (см. рис.9).
Воспользовавшись материальным уравнением (37) и введя в рассмотрение поляризацию вектора D0 (единичный вектор в направлении исследуемого поля)
,
вместо (44) запишем:
![]() | (45) |
Векторному уравнению (45) соответствуют три (по числу проекций) скалярных:
![]() | (46) |
Уравнение (45) позволяет по известным оптическим свойствам среды (тензор ) рассчитать соответствующие им значения показателя
преломления п, а также векторы d для волн, распространяющихся в кристалле в направлении m .
Действительно, представив (46) в форме
![]() | (47) |
придем к системе однородных линейных уравнений относительно неизвестных . Критерий
существования нетривиального решения системы (47) сводится к квадратному уравнению относительно (дисперсионному уравнению). Это означает, что в общем случае существует не более двух различных значений
, обозначаемых посредством
.Им соответствуют два значения показателя преломления -
и два значения фазовой скорости -
.
Подставив
в матрицу и решив систему (47) вместе с условием нормировки
d2 = 1, найдем поляризации и
обеих мод плоской монохроматической волны поля D.
Можно показать, что и
ортогональны. С учетом вытекающей из (43) ортогональности m и
заключим: m,
,
взаимно ортогональны подобно m, D0, Н0. В случае, когда D0 коллинеарен вектору d0 = const, волна называется линейно-поляризованной.
Итак, при прохождении света через анизотропную среду в общем случае имеет место двойное лучепреломление - раздвоение луча, обусловленное зависимостью показателя преломления от поляризации d и направления m распространения волны. Проходящая через кристалл волна (39) распадается на две линейно-поляризованные волны, для которых имеем:
![]() | (48) |
В любой оптически анизотропной среде существуют особые направления - оптические оси, - вдоль которых раздвоения луча не происходит. По числу (не более двух) этих осей кристаллы подразделяются на одноосные и двухосные.
Оптическая индикатриса. Задача нахождения и
может быть проиллюстрирована геометрическими построениями, опирающимися на использование характеристической поверхности
![]() | (49) |
тензора , называемой оптической индикатрисой (или эллипсоидом Пуансо).
Приведение поверхности (49) второго порядка к каноническому виду (или, что то же самое, приведение матрицы [ ] к диагональному виду) дает:
![]() | (50) |
где ,
- собственные (главные) значения
,
соответственно. Главные оси индикатрисы (50) ортогональны. Длины ее полуосей
именуемые главными показателями преломления, - характерные параметры вещества. Напомним, что они зависят от частоты
колебаний электромагнитного поля (39). В таблице приведены некоторые данные о форме оптической индикатрисы и свойствах кристаллов.
Форма оптической индикатрисы | Соотношение между ![]() | Оптические свойства кристаллов |
Сфера | ![]() | Изотропные |
Эллипсоид вращения | ![]() | Одноосные |
Трехосный эллипсоид | ![]() | Двухосные |
На рис. 10 изображена оптическая индикатриса двухосного кристалла вместе с характерными плоскостями и осями.
Центральным сечением называется кривая, получаемая от пересечения с оптической индикатрисой плоскости волнового фронта, проходящего через начало координат (точку 0 на рис. 10). В общем случае эта кривая - эллипс, все точки которого удовлетворяют одновременно и уравнению индикатрисы, и уравнению плоскости волнового фронта. Если по известному вектору m нормали к фронту волны провести через точку 0 ортогональную ему плоскость, то длины полуосей центрального сечения, соответствующего данному m, представляют показатели преломления, определяющие, согласно (48), фазовые скорости обеих линейно-поляризованных волн, распространяющихся в направлении m.
У оптически изотропных кристаллов (см. таблицу) индикатриса - сфера и все центральные сечения - окружности. Это означает, что показатель преломления (48) не зависит ни от направления m распространения волны, ни от ее поляризации d:
![]() | (51) |
Равенство вида (51) имеет место и для оптически анизотропных веществ, но лишь для одного (одноосные кристаллы) или двух (двухосные кристаллы) направлений вектора m. Направление нормали , для которого центральное сечение (см. плоскость
на рис. 10) -
окружность, называется оптической осью (или бинормалью). На рис. 10 для направлений и
справедливо равенство
Для одноосных кристаллов (два различных значения главных показателей преломления) имеем:
в случае оптически положительных кристаллов:
![]() | (52) |
в случае оптически отрицательных кристаллов:
![]() | (53) |
Вследствие этого направления (оптические оси) и
совпадают с большой (
) главной осью эллипсоида (50) в случае (52) и малой (
) - в случае (53). Таким образом, в одноосных кристаллах первый показатель преломления (53) не зависит от m, а второй - в разных направлениях различен. Первый показатель называют обыкновенным и обозначают
; второй - необыкновенным и обозначают
, его значения зависят от направления распространения волны.
Фазовая и групповая скорости. В анизотропных средах векторы и Е0 в общем случае неортогональны, поэтому возникает необходимость введения, наряду с вектором m, нормали к фронту волны другого единичного вектора s (называемого лучевым, или лучом), ортогонального векторам Е0 и Н0 (см. рис.9).
Вектор m задает направление перемещения фронта волны, т.е. направление фазовой скорости. По определению,
где величина фазовой скорости v находится из условия постоянства фазы для точек фронта волны. Продифференцировав обе части равенства (40), получим:
Отсюда с учетом (37), (38) и (41) найдем:
Важную роль в теории поля играет вектор Пойтинга
имеющий смысл плотности потока энергии. В рассматриваемом случае (39), (43) плоской монохроматической волны, распространяющейся в оптически прозрачной анизотропной среде, для лучевого вектора имеем:
Выразив Е0 и Н0 через D0 при помощи (37) и (43) и введя единичный вектор d, приведем s к виду
Отсюда с учетом ортогональности векторов и (45) найдем:
Таким образом, угол между векторами D0 и Е0 равен углу между векторами m и s.
Для описания процесса переноса энергии электромагнитной волны вводится вектор групповой скорости u. Его направление совпадает с направлением s. В рассматриваемом случае прозрачных немагнитных кристаллов фазовая и групповая скорости связаны равенством
![]() | (54) |
В общем случае для групповой скорости имеем:
Для расчета необходимо знать решение
дисперсионного уравнения типа (24).
В качестве альтернативного часто используется метод, основанный на принципе перестановочной двойственности, который в нашем случае сводится к следующему:
![]() | (55) |
замена (55), осуществленная в соотношениях для волн, переводит их в соотношение для лучей (и обратно).
Замена (55), выполненная в (50), приводит к уравнению
характеристической поверхности тензора (в главных осях), именуемой эллипсоидом Френеля. Главные оси взаимно-обратных (38) тензоров
и
совпадают, однако длины соответствующих полуосей вза- имно-обратны. Построения на эллипсоиде Френеля идентичны построениям на индикатрисе (эллипсоиде Пуансо). Направления, перпендикулярные круговым сечениям эллипсоида Френеля, называются лучевыми оптическими осями, или бирадиалями. У одноосных кристаллов бирадиали совпадают с бинормалями, а у двухосных лежат вместе с ними в плоскости оптических осей, которая ортогональна средней (
) главной оси обоих эллипсоидов.
По заданному лучу s рассчитываются, подобно (47), (48), параметры луча:
![]() | (56) |
Из (48),(54) и (56) следует
В заключение еще раз отметим, что оптические свойства кристаллов в значительной мере определяются свойствами симметрии тензоров и
и геометрией соответствующих им квадратичных форм.