[论文解读] Temporal Brewster angle

Víctor Pacheco‐Peña, Nader Engheta|arXiv (Cornell University)|Feb 26, 2021

Visual perception and processing mechanisms参考文献 1被引用 5

一句话总结

本文提出了一种时间域布儒斯特角——一种具有动态调制介电常数的超材料的时间变体，是空间布儒斯特角的类比。通过快速切换介质从各向同性到各向异性，作者理论上证明，在时间布儒斯特角处，前向（透射）波完全透射，而后向（反射）波则被完全抑制，从而实现实时光学波传播的实时调控。

ABSTRACT

Controlling amplitude, phase and polarization of electromagnetic waves is key for a full manipulation of wave-matter interactions. The Brewster angle is one of the important features in this context. Here, we exploit metamaterial concepts with a time-modulated permittivity to propose the temporal equivalent of the spatial Brewster angle, a concept we call temporal Brewster angle. We consider temporal boundaries (as the temporal equivalent of the spatial boundaries between two media) by rapidly changing the permittivity of the medium, where a wave travels, from isotropic to an anisotropic permittivity tensor. It is theoretically shown that when the incidence angle coincides with that of the temporal Brewster angle a forward (temporal transmission) wave is produced while the backward (temporal reflection) is eliminated. We provide a closed-form analytical expression of the temporal Brewster angle and demonstrate its performance both theoretically and numerically. Our findings may provide a fresh view on how to control electromagnetic wave propagation and wave-matter interactions in real time using temporal metamaterials.

研究动机与目标

• 通过使用时间变材料，将空间布儒斯特角的概念扩展至时间域。
• 解决在无静态边界条件下实时控制电磁波反射与透射的挑战。
• 建立基于快速介电常数调制所定义的时间边界之波调控理论框架。
• 证明特定入射角（称为时间布儒斯特角）的存在，此时时间反射消失。

提出的方法

• 通过时间调制的超材料，将介质的介电常数快速从各向同性切换至各向异性，以建模时间边界。
• 理论分析采用具有阶跃式介电张量变化的时间依赖麦克斯韦方程组，以模拟时间界面。
• 通过求解时间变边界条件下的波动方程，解析推导出时间布儒斯特角。
• 基于介电张量分量与波入射角，采用闭式表达式推导时间布儒斯特角。
• 数值模拟验证了理论预测，显示在布儒斯特角处后向波完全被抑制。
• 该方法借鉴空间与时间边界的类比，将时间调制视为空间界面的动态等效。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否通过时间调制材料将布儒斯特角的概念从空间域扩展至时间域？
• RQ2 在时间变介质中，时间反射消失需满足何种条件？
• RQ3 入射角如何影响在动态调制介质中的波透射与反射特性？
• RQ4 时间布儒斯特角的解析表达式如何用介电张量分量与波参数表示？
• RQ5 数值模拟能否证实理论预测的时间反射在布儒斯特角处为零？

主要发现

• 时间布儒斯特角被推导为依赖于介电张量分量与波入射角的闭式解析表达式。
• 在时间布儒斯特角处，后向（时间反射）波被完全消除，实现完全前向透射。
• 数值模拟证实了理论预测，显示在布儒斯特角条件下反射功率接近零。
• 该现象在调制轮廓与介电常数对比度变化下仍具有鲁棒性。
• 该现象实现了无物理边界的实时全光学波-物质相互作用调控。
• 结果展示了一种利用时间变超材料实现波前整形与反射控制的新机制。