Спектральную причинность предложили использовать для оптических приложений

Z. Hayran et al / Optica, 2021

Американские физики исследовали распространение света в средах, реальные и мнимые части характеристик которых меняются одновременно. Они обнаружили, что в них может быть реализован принцип спектральной причинности, который позволяет управлять частотным откликом среды. Ученые теоретически описали несколько полезных явлений, в основе которых лежит этот принцип. Исследование опубликовано в Optica.

В оптике преломление средой (рефракцию) принято описывать с помощью показателя преломления, который в немагнитном случае равен квадратному корню из диэлектрической проницаемости. Поглощение же оказалось связанным с мнимой частью диэлектрической проницаемости. Более того, требования аналитичности (причинности) привели к тому, что ее реальная и мнимая часть оказываются связаны через соотношения Крамерса-Кронига, которые в целом представляют дисперсионные свойства среды.

С середины прошлого века физики стали интересоваться, как свет будет взаимодействовать со средой, чьи оптические параметры меняются со временем. Долгое время ученых интересовало только изменение реальной части характеристик среды, впоследствии стали появляться работы, где исследовалась модуляция мнимой части. Однако, до недавнего времени было не ясно, что будет, если реальная и мнимая части будут изменяться одновременно.

Группа теоретиков из Корнеллского университета, США под руководством Франческо Монтиконе (Francesco Monticone) попыталась ответить на этот вопрос. Физики рассмотрели распространение электромагнитной волны в такой среде, записав для нее вектор смещения в динамической форме через свертку поля с функцией диэлектрической восприимчивости, которая определяет и дисперсионные свойства среды (нелокальный отклик) и изменения, вызванные модуляцией.

Исследуя частотные свойства этой восприимчивости, физики обнаружили, что в такой системе возможна ситуация, когда частота отклика не может быть ниже частоты падающего света, причем правило распространяется и на отрицательные частоты, которые соответствуют фазосопряженным и отраженным волнам. Такое поведение они назвали спектральной причинностью, по аналогии с причинностью по временной шкале, где отклик не может предшествовать воздействию. Используя этот факт, авторы вывели соотношения между реальной и мнимой частью временно́й зависимости восприимчивости, которые по форме оказались очень похожи на обычные соотношения Крамерса-Кронига, отличаясь от них лишь знаком, и потому получили названия соотношений анти-Крамерса-Кронига.

Вывод соотношений анти-Крамерса-Кронига позволил физикам понять какие динамические условия необходимы для того, чтобы физически реализовать тот или иной режим рассеяния света. Они описали три примера: широкополосное спектрально-причинное поглощение, маскировка событий и однонаправленное преобразование частоты.

Авторы отмечают, что практическая реализация быстрой модуляции для оптической области пока недоступна, однако для излучения меньшей частоты нужна будет меньшая скорость. В частности, для микроволнового диапазона описанных эффектов можно будет достичь с помощью динамически меняющихся емкостей и резисторов, активных нефостеровых элементов, микроволновых туннельных диодов и так далее.

Современная спектроскопия не стоит на месте. Недавно мы рассказывали, как физики связали длину волны каждой из компонент светового импульса с поляризацией для ускорения спектропии.

Марат Хамадеев

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.