Relación de dispersión para ondas TE y TM en medio anisotrópico general

Quiero calcular la relación de dispersión (la relación entre k y tensores de permitividad y permeabilidad y ω ) para una onda TE y una TM con vector de onda k = k X X ^ + k z z ^ propagándose en un medio anisotrópico con permeabilidad diagonal general y tensores de permitividad m = m 0 m ~ y ϵ = ϵ 0 ϵ ~ con ϵ ~ y m ~ dada a continuación.

Escribo las ecuaciones rotacionales de Maxwell para los campos con una dependencia espacio-temporal de la forma Exp ( i k 0 k r + i ω t ) (con k 0 = ω ϵ 0 m 0 ) en el k dominio como siempre:

k × mi = m ~ B
k × H = ϵ ~ mi

dónde ϵ ~ y m ~ son matrices adimensionales:

( ϵ X 0 0 0 ϵ y 0 0 0 ϵ z ) , ( m X 0 0 0 m y 0 0 0 m z )
escribiendo los productos vectoriales k × H y k × mi como multiplicación de matrices k ¯ H con
k ¯ = ( 0 k z k y k z 0 k X k y k X 0 )

Reescribo las ecuaciones de curl como:

{ k ¯ H = ϵ ~ mi k ¯ mi = m ~ H { ( k ¯ m ~ 1 k ¯ + ϵ ~ ) mi = 0 ( k ¯ ϵ ~ 1 k ¯ + m ~ ) H = 0
Ahora, el determinante de las matrices de coeficientes k ¯ ϵ ~ 1 k ¯ + m ~ y k ¯ m ~ 1 k ¯ + ϵ ~ debe ser cero para que los sistemas tengan soluciones no triviales.

Mi pregunta es, ¿dónde en este proceso debo considerar la suposición de que las ondas son TM o TE? Sé que la relación de dispersión final depende de esto (siendo TE o TM)

Por supuesto, el medio más general no tiene un tensor de permitividad/permeabilidad diagonal.
@SeanD No tiene nada que ver con mi pregunta, pero supongo que podemos diagonalizar cada tensor de permeabilidad/permitividad no diagonal.
@ Nunca he visto a nadie intentarlo, probablemente porque transformarse fuera de la base cartesiana sería bastante incómodo en cuanto a experimentos. Sin embargo, no puedo pensar en ninguna buena razón de cualquier manera. Tal vez alguien más informado pueda intervenir.
@ user215721: Generalmente, los tensores son simétricos y, por lo tanto, diagonalizables, pero tenga en cuenta que implícita en su formulación está la noción de que m y ϵ son simultáneamente diagonalizables, es decir, hay una elección de ejes principales en los que tanto m y ϵ convertirse en diagonal. Supongo que eso suele ser posible para la mayoría de los materiales, pero no estoy seguro.
@SeanD: En realidad, la mayoría de los datos comerciales de óptica de cristal se dan en el sistema de coordenadas del eje principal del material de cristal, por esa misma razón. La noción de "ejes rápidos" y "ejes lentos" es solo una reformulación de la condición del eje principal.
No estoy familiarizado con los conceptos "TE" y "TM" fuera de una guía de ondas, o al menos una superficie reflectante. ¿Nos has dado toda la información? (Tal vez sí, y mi conocimiento de estos términos es limitado).

Respuestas (1)

Las ondas TE y TM solo interactúan con aquellos elementos de tensores de permitividad y permeabilidad en los que la onda tiene un campo eléctrico y magnético distinto de cero a lo largo de ellos, respectivamente. entonces con un vector de onda k = k X X ^ + k z z ^ , solo para una onda TE ϵ y interactúa con el campo E y sólo m z y m X interactuar con el campo H. Para una onda TM, solo ϵ z y ϵ X interactuar con E el campo y solo m y interactúa con el campo H.

Después de calcular el determinante que ha obtenido, e incorporar los hechos anteriores (poniendo a cero los elementos que no interactúan de los tensores materiales para cada caso, más k y = 0 ) lo encontraremos :

(TM) k X 2 ϵ z + k z 2 ϵ X = ω 2 m y

(TE) k X 2 m z + k z 2 m X = ω 2 ϵ y