Details

Предмет исследования. Новый класс искусственных электромагнитных сред - нестационарные материалы, отличительной особенностью которых является быстрая модуляция оптических параметров среды на сверхкоротких временах, сравнимых или меньших периода волны. Цель работы. Разработка новой платформы для реализации аналоговых оптических вычислений. Для этого исследованы зависимости амплитуд и частот волн, образовавшихся в результате взаимодействия падающей электромагнитной волны с нестационарной средой, от длительности переключения диэлектрической проницаемости и спектральной дисперсии. Метод. Амплитуды отраженных и преломленных электромагнитных волн рассчитаны путем решения уравнений Максвелла методом конечных элементов во временной области. Для описания нестационарной среды со спектральной дисперсией использована модель Лоренца, в которой плазменная частота является функцией времени. Влияние длительности переключения исследовано с помощью модели сигмоидального временного профиля переключения. Основные результаты. Показано, что при наличии в среде лоренцевской дисперсии в спектре отраженных/преломленных электромагнитных волн может возникать не одна, а несколько компонент, сдвинутых относительно частоты падающего излучения. Изменение скорости и глубины переключения диэлектрической проницаемости среды позволяет регулировать амплитуды и частоты образовавшихся волн соответственно. Для наблюдения отраженной волны длительность переключения должна быть сравнима или меньше периода падающей волны. Практическая значимость. Полученные в работе результаты могут быть использованы при реализации оптических устройств нового поколения. Возможность гибкого управления амплитудами волн путем настройки временной модуляции пространственно-однородных сред открывает новые перспективы в создании аналоговых оптических компьютеров.

Subject of study. A new class of artificial electromagnetic media - time-varying materials, the distinctive feature of which is the rapid modulation of optical parameters of the medium at ultrashort times, comparable to or shorter than the wave period. Aim of study. This work is aimed at developing a new platform for the implementation of analog optical computers. For this purpose, the dependences of the amplitudes and frequencies of waves formed upon interaction with a time-varying medium on the permittivity switching time and the magnitude of spectral dispersion are investigated. Method. The amplitudes of reflected and refracted electromagnetic waves are calculated using the time-domain finite element method. To describe the time-varying medium with spectral dispersion, a Lorentz model with time-dependent plasma frequency is used. The optical response from the medium exhibiting non-instantaneous switching is studied by considering the sigmoidal switching profile. Main results. It is shown that using the dispersive time-varying medium it is possible to obtain several spectral components that are shifted from the frequency of the incident light. Controlling the speed and depth of the permittivity switching allows one to adjust the amplitudes and frequencies of the time reflected/refracted waves respectively. To observe the reflected wave, the duration of switching should be comparable or less than the period of the incident wave. Practical significance. The results of this work are useful for the development of next-generation optical devices. The ability to flexibly control the amplitude and frequency of light waves by temporal modulation of homogeneous media opens up new possibilities for the realization of analog optical computers.