Можно ли сделать так, чтобы распространяющееся вдоль волновода поле имело только продольную/поперечную составляющие?

Мы знаем, что в свободном пространстве электромагнитная волна распространяется всегда поперечно. Однако вдоль диэлектрического волновода распространяющаяся волна может иметь продольные составляющие. Наличие продольной составляющей делает групповой показатель преломления не равным фазовой группе преломления волновода.

Мой вопрос: можно ли, используя некоторые комбинации волн, распространяющихся с любого направления (даже от направления, перпендикулярного волноводу), сделать поле чисто поперечным или продольным при наличии цилиндрического волоконного волновода?

Я выделяю здесь эти два слова и определяю направление оси волновода/оптического волокна как продольное направление, а плоскость, перпендикулярная оси волновода, является поперечной плоскостью. Итак, если комбинированное поле колеблется вдоль оси волокна, я рассматриваю это как продольное локальное поле. Без этого определения можно было бы запутаться, если бы мы допускали падение света с любых направлений.

Между тем, чтобы быть ясным, я говорю об электромагнитном поле, по крайней мере, на одном/периодическом участке(ах) пересечения распространяющегося поля или, по крайней мере, на линии, а не только в одной или двух конкретных/тривиальных точках в пространстве или во всем пространстве. . Спасибо.

В космосе есть всевозможные продольные волны. Вы имеете в виду, что единственные волны, которые не взаимодействуют с фоновой плазмой, должны быть поперечными «свободными» модами системы?
Спасибо за вопрос. Я только что определил продольное направление в вопросе. Например, если вы направляете свет перпендикулярно оси волновода с линейной поляризацией, колеблющейся параллельно оси волокна, я бы рассматривал локальное поле как продольное для моей цели. Дайте мне знать, если есть какие-либо дальнейшие недоразумения.
Я бы поискал статьи о магнитозвуковых или быстрых волнах (или кинетических альфвеновских волнах) в области аврорального ускорения. Боб Лайсак написал несколько статей о том, как эта область пространства может действовать как волновод. Я не помню навскидку, были ли задействованы продольные волны, но посмотреть стоит. Кстати, относительно легко генерировать продольную электростатическую волну без волновода в плазме (например, ионно-звуковые волны, низшие гибридные волны и т. д.).

Ответы (2)

Чисто продольные моды, в которых только электрическое или магнитное поле являются полностью продольными (необязательно оба вектора одновременно), исключаются теоремой Пойнтинга. Такая волна могла бы с необходимостью распространять мощность только поперек ведущего направления (по теореме Пойнтинга).

Чистые моды ТЕМ ( т.е. без продольной составляющей) с компактной поддержкой могут существовать только на волноводах с двумя замкнутыми кривыми Жордана, одна обязательно внутри другой, в каждом поперечном сечении. Это означает, что у нас должны быть проводники для линий электрического поля, на которых заканчиваются линии электрического поля, а это означает, что они практически исключены для оптических волноводов (хотя вы, вероятно, могли бы приблизиться к более длинным волнам, используя технологию волновода с металлическим покрытием). Моды TEM, конечно, существуют в коаксиальных кабелях и микроволновых полосковых линиях на микроволновых частотах.

Слова с компактной поддержкой важны, поскольку плоская ЭМ волна, конечно, является чисто ТЕМ модой.

Чтобы вкратце понять, почему возникает ситуация с ТЕМ, можно показать, что существуют режимы ТЭМ, когда конфигурации поперечных полей электрического и магнитного полей точно такие же в каждом поперечном сечении, как и для электро- и магнитостатических полей ; см., например, мой ответ здесь . И наоборот, можно показать, что поле TEM обязательно имеет аналогию со статическими полями. Но это означает, что если поле имеет компактный носитель, то существует эквипотенциал нулевого потенциала, образованный некоторой замкнутой жордановой кривой, ограничивающей опорную область, т. е . полый проводник. Единственным решением уравнения Лапласа, если на границе нет особенностей, с таким поведением является постоянный потенциал внутри границы, т.е.нет электрических магнитных полей. Таким образом, это означает, что внутри должна быть сингулярность или, что то же самое, вторая эквипотенциальная кривая Жордана внутри. Так что речь идет о полосковой линии, с двумя разными эквипотенциальными пластинами, или обобщенном коаксиальном кабеле.

Итак, ваш ответ на вопрос ОП «Да» или «Нет»? Я предпочитаю, чтобы ответ помог мне понять долго , а не понять кратко . Также я думаю, что такие конструкции, как «И наоборот, можно показать, что поле TEM необходимо имеет аналогию со статическими полями». просто трудно понять и, возможно, безвозмездно. Что вы говорите? Нет ли способа написать это простым английским языком без излишеств и цветистых формулировок? Как может быть необходимо электромагнитное поле? Хороший ответ SE должен быть доступен многим/большинству, а не просто демонстрировать, что вы знаете ответ.
Не могли бы вы добавить некоторые пояснения, например, для каждого поперечного сечения; Кривая Жордана простая замкнутая кривая и компактная поддержка стремится к нулю вне некоторой конечной границы? Это больше похоже на личный блог, чем на полезный ответ SE для OP и будущих читателей.
@unoh: верно обратное, т. е . условие статического поля необходимо и достаточно. Не стесняйтесь редактировать по своему усмотрению, но будьте осторожны с топологическим смыслом. Я думаю, что «поддержка» достаточно широко понимается и легко просматривается; он заменяет целую неуклюжую фразу и является обычным явлением в теории ЭМ.
Я думаю, что здесь есть что-то действительно важное, и мое разочарование связано с ощущением, что это находится за несколькими метрами стекла, и мне трудно получить достаточно хороший обзор, чтобы понять. Простая речь и упрощение, чтобы донести суть в неформальной обстановке, никогда не были табу ни в физике, ни в математике, но я также понимаю, что не хочу говорить что-то «слегка неправильное», когда доступен правильный язык. Тем не менее, должен ли ОП убрать из этого «Да» или «Нет» вопрос, заданный?

Если ваш вопрос заключается в том, могут ли волноводы поддерживать волны ТЕМ (с поперечным электрическим и магнитным полем), то ответ обычно отрицательный. Существует фундаментальная теорема о том, что для ТЕМ-волны волновод должен быть открытым. Примером волновода, который поддерживает волны ТЕМ, является волновод с параллельными пластинами. Закрытые волноводы, такие как круглые или прямоугольные, не поддерживают волны ТЕМ. [см. Джин Ау Конг "Теория электромагнитных волн", 1986, с. 196].

Обратите также внимание, поскольку моды волновода ортогональны, вы не можете ожидать полной компенсации поперечных составляющих (в полном поперечном сечении) путем суперпозиции мод, если, во-первых, моды не имеют поперечных составляющих.

Это вообще неверно для сокращения только в части поперечного сечения. Там, вероятно, можно добиться подавления поперечных составляющих (в этом я не вполне уверен), но вообще потребуется бесконечно много мод с возбуждением определенной фазы и амплитуды.

Насколько мне известно, волновод с двумя слоями границ, по-видимому, также поддерживает режимы TEM. И действительно, я спрашиваю, может ли часть поля быть чисто поперечной или продольной, а не все пространство, конечно. Я чувствую, что может быть какой-то способ сделать это, но не уверен... Спасибо за ответ!
«Существует фундаментальная теорема о том, что для волны ТЕМ волновод должен быть открытым». У этой теоремы есть название? Можно ли как-то сослаться на него ссылкой? Я не оспариваю ваш вывод, просто если ответы начнут появляться повсюду, ссылаясь на безымянные фундаментальные теоремы , сайт может быстро погрузиться в хаос. Ответы вида «Существует такая теорема, что...» просто бесполезны. Я хотел бы прочитать об этой еще не определенной фундаментальной теореме , чтобы иметь возможность проверить ваш ответ и проголосовать за него. Спасибо!
Можете ли вы согласовать свой ответ с предложением в статье о коаксиальном кабеле Википедии: в радиочастотных приложениях до нескольких гигагерц волна распространяется в основном в поперечном электромагнитном (ТЕМ) режиме , что означает, что электрическое и магнитное поля перпендикулярны. к направлению распространения. Кажется, это описывает ТЭМ в закрытом волноводе, я неправильно понимаю, что «для ТЭМ-волны волновод должен быть открытым». Может быть, вы имеете в виду два проводника вместо одного? Коаксиальный кабель закрыт; поля снаружи равны нулю.
@uhoh: я добавил ссылку на теорему. В отличие от круглого волновода, коаксиальный кабель, по-видимому, поддерживает TEM-волны. Возможно, термин «замкнутый волновод» слишком неточен и нуждается в правильном определении. Вероятно, вы правы с двумя проводниками против одного, но, к сожалению, я больше не могу искать ссылку, чтобы проверить, каков был точный аргумент в теореме (я взял ссылку из своих заметок, но у меня больше нет книги). Надеюсь, он поможет вам и прояснит вопрос.