Answer for HW6

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1 1D 电磁波解

(1c2∂2∂t2−∂2∂x2)φ=(1c∂∂t+∂∂x)(1c∂∂t−∂∂x)φ=0令 v=(1c∂∂t−∂∂x)φ→{(1c∂∂t+∂∂x)v=0(1c∂∂t−∂∂x)φ=0→特征方程:{cdt=dxcdt=−dx⇒{ξ=x−ctη=x+ct

⇒ 原方程的解为:

∂ψ∂ξ=0∂φ∂η=0}⇒∂2φ∂ξ∂η=0⇒φ(x,t)=f(x−ct)⏟右行波 +g(x+ct)⏟右行波  1c2∂2∂t2φ=Δ3φ=(∂2∂r2+2r∂∂r)φ

设 φ=1ru(r,t) 代入上式得:

(1c2∂2∂t2−∂2∂r2)u=0→φ(r,t)=1r[f(t+r/c⏟会聚波 )+g(t−r/c)⏟发散波 ]

对于源,会聚波可略去.

2 反常色散

此时 nr−1=Const⋅ω02−ω2(ω02−ω2)2+(ωγ)2=Const⋅f(ω) :

f′(ω)=−2ω[(ω02−ω2)2+(ωγ)2]+(ω2−ω02)[2(ω02−ω2)(−2ω)+2γ2ω]/没用的分母2=2ω[(ω02−ω2)2−ω02γ2]/没用的分母2

对于 f′(ω1)=f′(ω2)=0:

|ω1−ω2|=(ω02+ω0γ)1/2−(ω02−ω0γ)1/2=ω0(1+γω0)1/2−ω0(1−γω0)1/2≈γ( 当 γ≪ω0 时 )

3 介质边界的电磁波

由 ∇×E=−∂B∂t 和 ∇×Bμ=∂εE∂tk0, B→=n→c×E→=μεh^×E→ 得到如下边界条件:

E0+ERx=ETx0+ERy=ETy0+BRxμ=BTxμ′B0+BRyμ=BTy/μ′εμERy=ε′μ′ETy

由第二式和最后一式可知 ERy=0,ETy=0.

∇×E=−∂B∂t<+∞⇒E0+ER=ET

以及 ∇×Bμ=∂εE∂t<+∞ 和 B→=μεn^×E→ :

⇒εμE0cos⁡θI−εμERcos⁡θI=ε′μ′ETcos⁡θII

上述两式结合 sin⁡θIIsin⁡θI=nIInI 得到:

{EIE0=2nIcos⁡θInIcos⁡θI+μμ′nII2−nI2sin2⁡θIEIE0=nIcos⁡θI−μμ′nII2−nI2sin2⁡θInIcos⁡θI+μμ′nII2−nI2sin2⁡θI

4 TM 模

假设方形波导管的轴向是 z 方向, 波动方程是:

(∂2∂2x+∂2∂2y+(μϵω2−k2))Ez=0

边界条件是 E→||=0:

{Ez=Ey=0at x=0,aEz=Ex=0at y=0,b

通过分离变量 Ez=X(x)Y(y), 得到:

Ez=E0sin⁡mπxasin⁡nπyb

给出的截止频率在 k=0 时取得, 它是:

ωmn=πcm2a2+n2b2

注意, 如果 m=0 or n=0 会使得 Ez=0, 波模不存在. 所以对应的最低截止频率是 ω11.

5 课本题

5.1 窄带双色波

A→=A→0[ei(kx−ωt+dkx−dωt)+ei(kx−ωt−dkx+dωt)]=A→0ei(kx−ωt)[edkx−idωt+edkx−idωt―]=2A→0cos⁡(dk⋅x−dω⋅t)ei(kx−ωt) νphase =ω/k,νgroup =dω/dk

5.2 各向异性介质

∇⋅B=0⇒k→⋅B→=0∇⋅D→=ϵ∇⋅E→+E→⋅∇ϵ=0⇒k⋅D→=0(∇ϵ≠0⇒∇⋅E→≠0⇒k→⋅E→≠0)∇×E=−∂B∂t⇒k→×E→=ωB→⇒E→⊥B→⇒B→⋅E→=B→⋅D→=0∇×Bμ=∂D∂t⇒k→×B→μ=−ωD→⇒B→⊥D→⇒B⋅D→=0 D→=−kω×B→μ=−1ω2μk→×(k→×E→)=1ω2μ[k2E→−k→(k→⋅E→)] (k→×E→)×E→=ωB→×E→⇒E→(k→⋅E→)−k→E2=ωB→×E→∵k→⋅E→≠0∴可见B→×E→一般不与k→同向

5.3 半无界波导管

求解 [∂2∂x2+∂2∂y2+∂2∂z2+ω2c2](EB)=0 , 边界条件:

{Ex=Ey=0, ∂Ez/∂z=0 at z=0Ey=Ez=0, ∂Ey/∂x=0 at x=0,aEx=Ez=0, ∂Ey/∂y=0 at y=0,b

设 Ez=X(x)Y(y)Z(z) ,可得

1Xd2Xdx2=−kx21Yd2Ydy2=−ky21Zd2Zdz2=−kz2kx2+ky2+kz2=w2c2

可以得到答案的前四式. 最后, 由 ∇⋅E→=0 得到:

Axmπa+Aynπb+Azkz=0

5.4 波导管** 2

νmn=ωmn2π=12cm2a2+n2b2={1.5×108⋅m249×10−6+n21.6×10−6=1.5×1011m249+n216 Hz1.5×108⋅m249×10−6+n236×10−6=1.5×1011m249+n236 Hz

对于 0.7×0.4 cm2:ν01=37.5×109 Hz>ν0=30×109 Hz,  ν10=21.4×109 Hz<ν0.

对于 0.7×0.6 cm2:ν01=25×109 Hz<ν0,  ν10=21.4×109 Hz<ν0,  ν11=32.9×109Hz>ν0.

⇒(1)TE10,  (2)TE10 and TE01

6 波动物理量的时间平均

AB=A^+A^∗2B^+B^∗2 AB=Re[A^eiωt]⋅Re[B^eiωt]=14(A^eiωt+A^∗e−iωt)(B^eiωt+B^∗e−iωt)=14[A^B^e2iωt+A^∗B^∗e−i2ωt+A^∗B^+A^B^∗]=12{Re[A^B^ei2ωt]+Re[AB∗]}

可见当 A, B 的变化时间尺度 τ≫t 时, ⟨AB⟩=12Re[AB∗].

7 三种介质中的 1D电磁波

在介质 2 中的相位变化记为 θ=k→⋅Δx→=ωc/n2d, 假设波在介质 2 中反射 n 次(一个来回算一次), 那么:

Eout,nEin=TRn

其中, T 是完全透射 1→2→3 对应的衰减:

T=T12eiθT23=2n1n1+n22n2n2+n3eiθ

R 是在介质 2 中传播一个来回的衰减:

R=R23eiθR21eiθ=n2−n3n2+n3n2−n1n1+n2ei2θ

于是

EoutEin=∑n=0+∞Eout,nEin=∑n=0+∞TRn=T1−R=4n1n2eiθ(n2+n3)(n1+n2)−(n2−n3)(n2−n1)ei2θ

这里, 实际的 E 是上述的实部.

或者, 使用边界条件求解:

$$ \begin{aligned} E_{in} T_{12} + E_{2-} R_{21} &= E_{2+} \\ E_{in} R_{12} + E_{2-} T_{21} &= E_r \\ E_{2+}e^{i\theta} T_{23} &= E_{out} \\ E_{2+} e^{i\theta} R_{23} &= E_{2-}e^{-i\theta} \end{aligned} $$ 重新记无量纲复振幅 $E_i' = \frac{E_i}{E_{in}}$, 上式给出: $$ \begin{bmatrix} -1 & \frac{{n_2-n_1}}{n_1+n_2} & 0 & 0 \\ 0 & \frac{2n_2}{n_1+n_2} & -1 & 0 \\ e^{i\theta} \frac{2n_2}{n_2+n_3} & 0 & 0 & -1 \\ e^{i\theta} \frac{{n_2-n_3}}{n_2+n_3} & -e^{-i\theta} & 0 & 0 \end{bmatrix} \begin{bmatrix} E_{2+}' \\ E_{2-}' \\ E'_r \\E'_{out} \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} -\frac{2n_1}{n_1+n_2} \\ -\frac{{(n_1-n_2)}}{n_1+n_2} \\ 0 \\0 \end{bmatrix} $$ MMA 给出一致的结果: ![zz_figure/Pasted image 20250527113220.png](/img/user/zz_figure/Pasted%20image%2020250527113220.png)

当然, 也可以用最基本的边界条件:

Ein+Er=E2++E2−n1(Ein−Er)=n2(E2+−E2−)E2+eiθ+E2−e−iθ=Eoutn2(E2+eiθ−E2−e−iθ)=n3Eout

会得到一样的结果.

8 Drude 模型

(a)

注意到极化强度 P→=Np→=NαE→=(ϵr−1)ϵ0E→, 得到:

α=(ϵr−1)ϵ0N=e2/mω02−ω2−iωγ
(b)

当电场驱动和阻尼可以忽略时, ω=γ=0:

α4πϵ0=e2ℏ24πϵ0me(ℏω0)2≈5.93×10−31 m3
(c)

原子极化率可以写作 α=4πϵ0a03 , 于是 α4πϵ0=a03≈1.48×10−31 m3 与上式处于同一量级.

(d)

对于实数 ω:

kR=nRcω=1c[ω+ωp22ωω02−ω2(ω02−ω2)2+γ2ω2]∴νgroup c=[dkR/dω]−1/c={[ω+ωe22ωω02−ω2(ω02−ω2)2+γ2ω2]ω′}−1            ={ωp22ω02−3ω2(ω02−ω2)2+γ2ω2−ωp22ω2[2γ2−4(ω02−ω2)](ω02−ω2)[(ω02−ω2)2+γ2ω2]2+1}−1⇒νg/c={1+0.0031−3(ωω0)2[1−(ωω0)2]2+0.01(ωω0)2−0.003(ωω0)2[0.02−4(1−(ωω0)2)](1−(ωω0)2){[1−(ωω0)2]2+0.01(ωω0)2}2}−1={1.00658−1≈0.993ω=0.5ω00.4−1=2.5ω=ω01.00598−1≈0.994ω=1.5ω0

在共振区域附近, 反常色散的群速度超过了光速(为什么? 可以查阅: 反常色散的群速度).

有些科普说群速度是能量传播的速度。这是错误的。要记住,群速度只是波包运动的一阶近似而已,并不能完全表述波包的演化。群速度超过光速,并不说明能量/信息超光速,而是在这种情况下,群速度已经失去了意义。

(e)

对于 E→^=E→^0e−kIxei(kIx−ωt) :

{kIL≪1   透明 kIL≫1    不透明 
(f)
n2=εrμr=μr(1+Ne2mϵ01ω02−ω2−iωγ)|ω0=0=μr(1−ωpe2ω2+iωγ)≈1−ωpe2ω2+iωγ
(g)

由 (7)(8)→σE=Nqe2Emτ⇒Ne2m=στ, 代入(f) 得到:

n2=1−στϵ01ω(ω+i/τ)=1−σ/ϵ0ω(ωτ+i)=1−σ/ϵ0iω(1−iτω)
(h)

由(g)可知

n={1−σ/ϵ0ω(ωτ+i)}1/2={1+iσ/ϵ0ω(1−iωτ)}1/2=ω≪σ/ε0ωτ≪1σϵ0ω⋅e(iπ4+kπ)(1−iωτ)−12=ωτ≪1k=0σ2ϵ0ω(1+i)(1+12iωτ)⇒nI(虚部)≈σ2ϵ0ω(1+12ωτ)≈σ2ϵ0ω⇒kI=nIωc=μ0ϵ0⋅σω2ϵ0=μ0σω/2⇒δ=1/kI=2/μ0σω
(i)

直接套公式有:

δ={6.6×10−6f=108Hz8.56×10−3f=60Hz
(j)

根据(9), 高频近似 ωτ≫1 给出:

n2=1−στϵ01ω2=1−ωpe2ω2→1

ωτ≫1 和 ω≫ωpe 意味着, 电磁波的时间尺度 1ω 远小于电子平均碰撞时间 τ, 阻尼效应被忽略, 这导致电磁波的能量不能像课上那样迅速耗散到粒子中(其对应于 ω≪ωpe, 与这里不同), 因此波动得以维持和传播.

该式也适用于描述冷等离子体中电磁波的色散关系.

(k)

由 (j) 可知, 条件是波的频率足够高/金属足够薄.

9 介质中的 Maxwell's 方程组

(a)

由 ∇⋅j→+∂ρ/∂t=0 得到:

∇⋅j→p+∂ρp/∂t=0when ∇⋅j→f+∂ρf/∂t=0

而极化体电荷 ρρ=−∇⋅P→, 带入上式得到:

j→p=∂P→/∂t
(b)

同理 ∇⋅j→m+∂ρm/∂t=0, 磁化电流 j→m=∇×m→, 得到:

−∂ρm∂t=∇⋅∇×m→=0⇒ρm=const.
(c)
∇⋅E→=ρϵ0⇒∇⋅E→=(ρf+ρm+ρp)/ϵ0=(ρf−∇⋅p)/ϵ0⇒∇⋅(ϵ0E+p)=ρf⇒∇⋅D→=ρf∇×B→μ0=J→+∂ϵ0E→∂t⇒∇×B→μ0=J→f+J→m+J→p+∂ϵ0E→∂t=J→f+∇×M→+∂(ϵ0E→+p→)∂t⇒∇×(B→μ0−M→)=J→f+∂D→∂t⇒∇×H→=J→f+∂D→∂t

10 补充: 没有补充

本来想写点电磁场的拉氏量, 怎么按一般步骤推导得到的来着, 但是大家有期末考试, 助教也有, 所以......

结果放在这里, 拉氏量:

L=−∑imiδ(x→−x→i)c2γ−14μ0cFαβFαβ−jμAμc

以及连续性方程:

∂μTE.M.fieldμν=−F  μνjμ=−fμ

课上讲的四维洛伦兹力:

fμ=F  νμjν=mδ(x→−x→0)duμdt=( 1cj→⋅E→,  j→×B→+ρE→ )