
- •Уравнения Максвелла. Потенциалы
- •Градиентная инвариантность
- •Калибровки
- •Функция Грина. Интеграл свертки
- •Функция Грина уравнения Пуассона
- •Функция Грина волнового уравнения
- •Запаздывающие потенциалы
- •Уравнения Максвелла для электромагнитных волн
- •Плоские волны
- •Плотность потока энергии
- •Теорема Пойнтинга
- •Теорема взаимности
- •Основные понятия макроэлектродинамики
- •Линейные и нелинейные среды
- •Граничные условия
- •Уравнения Максвелла для электромагнитного поля в среде с учетом пространственно-временной дисперсии
- •Соотношения Линдхарда
- •Нормальные волны
- •Неоднородные среды
- •Диэлектрический эллипсоид
- •Симметрия кристаллов
- •Электромагнитные волны в немагнитных анизотропных средах
- •Влияние стационарного электрического поля на оптические свойства кристаллов
- •Применение эффекта Поккельса
- •Литература
Симметрия кристаллов
При решении кристаллофизических задач часто оказывается удобной не кристаллофизическая (декартова система координат, условленным образом ориентированная относительно кристаллографической системы), а какая-то другая декартова система координат, направления осей которой определяются геометрией данной задачи. Так как система декартовых координат полностью задается своим ортонормированным базисом, преобразование декартовых координат означает переход от одного ортонормированного базиса к другому.
Преобразование, при котором ортонормированный базис переходит в ортонормированный, называется ортогональным преобразованием.
Пусть
старая система координат
построена
на базисе
,
а новая
-на
базисе
.
Разложение нового базиса по векторам
старого
определяется
коэффициентами
,
которые образуют матрицу ортогонального
преобразования:
Она также называется матрицей косинусов, поскольку каждый ее элемент равен косинусу угла между соответствующими координатными осями. Ортогональные преобразования обладают тем свойством, что квадрат определителя их матрицы равен единице [4, с. 135].
Примерами матриц ортогональных преобразований могут выступать:
матрица вращения вокруг оси Z:
матрица отражения относительно плоскости
XY:
Для описания свойств кристалла введем материальные тензоры. Материальными называются тензоры, которые описывают свойства кристалла.
Пусть с кристаллом связана какая-либо декартова система координат. Набор компонент материального тензора относительно этой системы координат численно характеризует соответствующее свойство. Подвергнем координатную систему какому-либо ортогональному преобразованию. Компоненты материального тензора относительно новой системы, вообще говоря, не равны одноименным его компонентам относительно старой системы. Однако если данное преобразование входит в группу симметрии кристалла, то компоненты материального тензора относительно новой системы совпадают с его компонентами относительно старой. Следовательно, материальный тензор кристалла инвариантен относительно всех преобразований симметрии этого кристалла.
Пусть
-
материальный тензор, а
-
матрица преобразования
симметрии кристалла, свойства которого
этот тензор описывает. В новой системе
координат
причем компоненты тензора в новой системе должны совпадать с его компонентами в старой системе. Поэтому можно записать:
Отсюда получим:
и
эти
равенств должны выполняться, если
-
матрица преобразования
симметрии.
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.