Оптические волны в кристаллах - Ярив А.
Скачать (прямая ссылка):
Оценить характеристики оптических устройств и понять их ограничения можно лишь, если хорошо изучить особенности распространения электромагнитного излучения. Это позволяет разрабатывать устройства для управления лазерным излучением. Поэтому основное внимание в книге уделяется изложению фундаментальных принципов. Мы постарались установить связь между теорией и практикой путем рассмотрения конкретных примеров, основанных на реальных ситуациях. Когерентное взаимодействие лазерного излучения с различными оптическими средами мы рассматривали с привлечением лишь классической электродинамики. Оптические свойства этих сред описываются с помощью таких материальных параметров, как диэлектрические тензоры, тензоры гирации, электрооптические коэффициенты, постоянные фотоупругости и нелинейная восприимчивость. Из оглавления нетрудно видеть, что здесь рассмотрен очень широкий круг вопросов.
При написании этой книги мы предполагали, что читатель знаком с уравнениями Максвелла из курса электродинамики, а также с интегралами Фурье, матричной алгеброй и дифференциальными уравнениями.
Первоначальный вариант рукописи был положен в основу курса для аспирантов по современной оптике, прочитанного летом 1982 г, П. Юхом в Тайваньском университете. Он хотел бы поблагодарить своих коллег и студентов этого университета за полезные замечания и обсуждения. Особенно следует упомянуть проф. К. П. Ванга [из Тайваньского университета], которому П. Юх обязан возможностью прочитать такой курс лекций. Он хотел бы поблагодарить также д-ра Монте Кошневисана и д-ра Чан-Чинга Ши, 8
Предисловие
которые взяли на себя труд прочитать рукопись и сделали ценные замечания, а также д-ра Хидехико Кувамото, д-ра Эмилио Соверо и Марка Ивбанка за многочисленные полезные обсуждения.
Мы признательны Кармен Бирн и Руфь Стрэттон за их терпение и аккуратность при напечатании рукописи. Мы также хотели бы поблагодарить Филлис Форакер и Элен Куган за помощь при получении разрешения на публикацию и при подготовке ссылок на литературу. П. Юх признателен за поддержку научному центру «Рокуэлл Интернешнл», а также за постоянную помощь д-ру Джозефу Т. Лонго и д-ру Джону М. Трэси.
Пасадена, Калифорния Таузенд-Окс, Калифорния Май 1983
Амнон Ярив Почи Юх Глава 1
ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ПОЛЯ
Идеальный лазер генерирует когерентное электромагнитное излучение, которое описывается с помощью векторов электрического и магнитного полей. Поскольку распространение этого излучения подчиняется уравнениям Максвелла, мы сначала познакомим читателя с основными свойствами электромагнитных полей.
В этой вводной главе дается обзор и вывод некоторых основных соотношений для классических электромагнитных полей. Исходя из уравнений Максвелла и материальных уравнений, мы получим выражения для плотности и потока энергии электромагнитного поля. Будет доказана теорема Пойнтинга, а также выведены законы сохранения и волновые уравнения. Мы подробно рассмотрим распространение монохроматических плоских волн и некоторые их важные свойства, а также обсудим понятия фазовой скорости и групповой скорости волнового пакета, распространяющегося в среде с дисперсией.
1.1. УРАВНЕНИЯ МАКСВЕЛЛА И ГРАНИЧНЫЕ УСЛОВИЯ 1.1.1. УРАВНЕНИЯ МАКСВЕЛЛА
В классической электродинамике электромагнитное поле в свободном пространстве описывается двумя векторами E и Н, называемыми напряженностями соответственно электрического и магнитного полей. Для учета влияния этих полей на вещество необходимо ввести еще два вектора, а именно вектор электрического смещения D и вектор магнитной индукции В. Эти векторы связаны между собой уравнениями Максвелла, которые в системе единиц СИ записываются следующим образом:
VXH-I = '.
(1.1.1)
(1.1.2)
V-D = p, V-B = O.
(1.1.3)
(1.1.4) 10
Глава 1
Здесь J — плотность электрического тока (ампер на квадратный метр, А/м2), а р — плотность электрического заряда (кулон на кубический метр, Кл/м3).
Эти четыре уравнения выражают основные законы электродинамики в дифференциальном виде. Уравнение (1.1.1) является дифференциальным выражением закона индукции Фарадея, описывающего генерацию индуцированного электрического поля за счет изменяющегося во времени магнитного потока. Уравнение (1.1.2) — это дифференциальная форма обобщенного закона Ампера, описывающего генерацию индуцированного магнитного поля потоком зарядов. Уравнение (1.1.3) является дифференциальной формой закона Кулона, описывающего связь между распределением зарядов и электрическим полем. Уравнение (1.1.4) можно рассматривать как условие отсутствия свободных магнитных зарядов (монополей).
Уравнения Максвелла (1.1.1)-(1.1.4) полностью описывают распространение электромагнитного излучения в любой среде.
Плотность заряда р и платность тока J можно рассматривать как источники электромагнитного излучения. Во многих задачах оптики приходится иметь дело с распространением электромагнитного излучения в удаленных от источников областях, в которых как р, так и J равны нулю. К этой категории относятся и все задачи, рассматриваемые в данной книге.
