Skip to article frontmatterSkip to article content
Site not loading correctly?

This may be due to an incorrect BASE_URL configuration. See the MyST Documentation for reference.

دفترچهٔ فصل ۲: موج‌ها، مرزها و ورقه‌ها

اول پیش‌بینی کنید: آیا نسبت میدان ۰٫۸ می‌تواند ۹۶ درصد توان فرودی را عبور دهد؟ آیا میدان در محیطی با توان عمودی خالص صفر وجود دارد؟ آیا افزودن مرز بازتاب را حذف می‌کند؟ آیا فاز نسبی جذب را تغییر می‌دهد؟

این دفترچه با مدل‌های تحلیلی دقیقِ تخت پاسخ می‌دهد. هندسهٔ فراسطح نقش‌دار را گسسته‌سازی نمی‌کند و حل‌گر تمام‌موج هندسه‌ای ندارد. محیط‌های حجمی ضریب شکست ثابت حقیقی مثبت دارند و غیرمغناطیسی و همسانگردند. رسانایی نامنفی ورقه می‌تواند توان تلف کند. قراردادهای e−iωte^{-i\omega t} و e+ik⋅re^{+i\mathbf k\cdot\mathbf r} در سراسر دفترچه ثابت‌اند.

شناسهٔ موضوع: ms-01-waves-interfaces و مقدمات ms-03-sheet-response و ms-06-polarization.

متن توضیحی فارسی است؛ کد، جدول‌های عددی، نمودارها و داده از مرجع مشترک انگلیسی می‌آیند. واژه‌نامه کلید خواندن برچسب‌ها را دارد. این صفحه خروجی ذخیره‌شده را نمایش می‌دهد؛ بستهٔ کامل قابل اجرا را از آزمایشگاه بگیرید.

Loading...
Environment: 3.12.1 NumPy 2.4.6 Matplotlib 3.11.1

۱. دامنه و توان

در z=0z=0 برای ضرایب فرودی، بازتابی و عبوری از یک محور مشترک میدان الکتریکی مماسی استفاده کنید. پس در مرز دی‌الکتریک t=1+rt=1+r. ادمیتانس بی‌بُعد TE برابر Yj=qjY_j=q_j و TM برابر Yj=nj2/qjY_j=n_j^2/q_j است. ادمیتانس فیزیکی Yj/η0Y_j/\eta_0 و qj=nj2−n12sin⁡2θiq_j=\sqrt{n_j^2-n_1^2\sin^2\theta_i} دارای شاخهٔ خروجی یا میرا است.

r=Y1−Y2Y1+Y2,t=2Y1Y1+Y2,R=∣r∣2,T=Re⁡Y2Y1∣t∣2.r=\frac{Y_1-Y_2}{Y_1+Y_2},\quad t=\frac{2Y_1}{Y_1+Y_2},\quad R=|r|^2,\quad T=\frac{\operatorname{Re}Y_2}{Y_1}|t|^2.

علامت ضریب بازتابی TM با قراردادی که پایهٔ محلی pp را می‌چرخاند متفاوت است. در تابش عمودی هوا به شیشه، هر دو ضریب در پایهٔ مماسی r=−0.2r=-0.2 و t=0.8t=0.8 هستند و R=0.04R=0.04، T=0.96T=0.96 می‌دهند. پیش از رسم، صفر بروستر و زاویهٔ بحرانی شیشه به هوا را پیش‌بینی کنید.

Loading...
<Figure size 1375x475 with 2 Axes>

۲. میدان اوانسنت

برای شیشه به هوا بالاتر از زاویهٔ بحرانی، kz,2=iκk_{z,2}=i\kappa و Et∝eikxxe−κzE_t\propto e^{ik_xx}e^{-\kappa z}. میدان ناصفر، کانال انتشار توان عمودی نیست. EyE_y و HxH_x را بازسازی و Sz=−12Re⁡(EyHx∗)S_z=-\tfrac12\operatorname{Re}(E_yH_x^*) را مستقیم محاسبه می‌کنیم.

در آستانهٔ دقیق قطع، TE دارای t→2t\to2 مماسی و TM دارای t→0t\to0 مماسی است؛ هر دو T=0T=0 دارند. حالت دوم به معنی صفر شدن مؤلفهٔ طولی TM یعنی EzE_z نیست. فاز تعریف‌نشده در دامنهٔ مماسی صفر را از شار عمودی صفرِ میدان اوانسنت ناصفر جدا نگه دارید.

<Figure size 1312.5x487.5 with 3 Axes>
Loading...

۳. دو بازتاب می‌توانند خنثی شوند

لایه در تابش عمودی δ=2πnfd/λ0\delta=2\pi n_fd/\lambda_0 و r=(r01+r12e2iδ)/(1+r01r12e2iδ)r=(r_{01}+r_{12}e^{2i\delta})/(1+r_{01}r_{12}e^{2i\delta}) دارد. مرجع میدان عبوری در صفحهٔ خروجی است، نه ورودی. برای nf=n1n2n_f=\sqrt{n_1n_2} و d=λ0/(4nf)d=\lambda_0/(4n_f)، سهم‌های بازتابی در طول موج طراحی خنثی می‌شوند. آیا توان عبوری واحد الزاماً ∣t∣=1|t|=1 می‌خواهد؟

Loading...
<Figure size 1312.5x437.5 with 2 Axes>

۴. نوک میدان الکتریکی را دنبال کنید

در نقطهٔ ثابت، بردار جونز واحد J=(cos⁡α,sin⁡αeiδ)TJ=(\cos\alpha,\sin\alpha e^{i\delta})^T را بگیرید. با e−iωte^{-i\omega t} مسیر نوک میدان (cos⁡αcos⁡ωt,sin⁡αcos⁡(δ−ωt))(\cos\alpha\cos\omega t,\sin\alpha\cos(\delta-\omega t)) است. تعریف می‌کنیم V=2Im⁡(Ex∗Ey)V=2\operatorname{Im}(E_x^*E_y) و به‌جای نام مبهم راست‌گرد یا چپ‌گرد، قرارداد مختصات را گزارش می‌کنیم. تحلیل‌گر خطی در β\beta، کسر ∣cos⁡βEx+sin⁡βEy∣2|\cos\beta E_x+\sin\beta E_y|^2 را عبور می‌دهد.

<Figure size 1250x487.5 with 2 Axes>
Loading...

۵. فاز، جذب را کنترل می‌کند

برای ورقهٔ الکتریکی با صفحات منطبق در هوا، g=η0Ys=G+iBg=\eta_0Y_s=G+iB، r=−g/(2+g)r=-g/(2+g)، t=2/(2+g)t=2/(2+g) و A=G∣t∣2A=G|t|^2. در g=2g=2، یک موج فرودی R=T=1/4R=T=1/4 و A=1/2A=1/2 می‌دهد. دو ورودی همدوس هم‌توان با همان توان ورودی کل، پاسخ A2in=(1+cos⁡ϕ)/2A_{2\mathrm{in}}=(1+\cos\phi)/2 دارند. فاز میدان تعیین می‌کند کانال زوج اتلافی یا کانال فرد بی‌اتلاف تحریک شود.

این نتیجهٔ مدل مرزی ایده‌آل است، نه جاذب ساخته‌شده. بازیابی جبری g=2(1−t)/tg=2(1-t)/t به tt معنادار و قید ورقهٔ t=1+rt=1+r نیاز دارد. آن را نمی‌توان بی‌بررسی برای صفحات مرجع متفاوت لایهٔ متناهی استفاده کرد.

<Figure size 1312.5x450 with 2 Axes>
Loading...
Loading...

آزمایش کنترل‌شدهٔ خطای بازیابی

وارون حتی وقتی فرمول تحلیلی آن دقیق است حساسیت دارد. شنت‌های حقیقی غیرفعال را در دو محیط هوای یکسان جاروب کنید و اغتشاش مختلطی با اندازهٔ مطلق ثابت به عبور بیفزایید. پیش‌بینی کنید با کوچک شدن عبور، خطای پارامتر استنباط‌شده چگونه تغییر می‌کند.

g(t+δt)−g(t)=−2δtt(t+δt),∣δg∣≈2∣δt∣∣t∣2(∣δt∣≪∣t∣).g(t+\delta t)-g(t)=-\frac{2\delta t}{t(t+\delta t)},\qquad |\delta g|\approx\frac{2|\delta t|}{|t|^2}\quad (|\delta t|\ll|t|).

کد، تفاضل محدود دقیق را با برآورد موضعی مشتق مقایسه می‌کند. برآورد به کوچک بودن اغتشاش نسبت به عبور نیاز دارد؛ کوچک بودن آن نسبت به یک کافی نیست. بازتاب اغتشاش‌یافته را برابر عبور اغتشاش‌یافته منهای یک می‌گذاریم؛ پس این آزمایش حساسیت مصنوعی با مدل سازگار است. خطاهای مستقل اندازه‌گیری بازتاب و عبور می‌توانند پیوستگی را نیز نقض کنند و باید جداگانه بررسی شوند؛ آن‌ها را بی‌بررسی به این وارون تحمیل نمی‌کنیم.

اندازه و جهت اغتشاش را در کد تغییر دهید. نسبت اندازهٔ اغتشاش به عبور را گزارش کنید، محل شکست تقریب خطی را بیابید و پارامتر استنباط‌شده را از ورقهٔ غیرفعال اولیه متمایز کنید. همهٔ منحنی‌ها محاسبات اصیل از وارون مشخص‌اند و دادهٔ اندازه‌گیری یا تمام‌موج ندارند.

<Figure size 1312.5x475 with 2 Axes>
Loading...
Continuity residual if only transmission is perturbed: 0.00010000000000011169
The plotted inverse instead uses model-consistent perturbed r=t-1; independent measurement noise needs its own residual/tolerance model.

۶. کنترل و خروجی‌گیری

برای درگاه‌های منتشرشونده، دامنهٔ بهنجارشدهٔ توانی عامل Y\sqrt{Y} دارد. ماتریس لایهٔ بی‌اتلاف باید یکانی و متقابل باشد؛ ورقهٔ اتلافی باید انقباضی باشد، یعنی توان خروجی برای هر ورودی از ورودی بیشتر نشود. این‌ها کنترل مدل تخت دقیق‌اند. حل مستقل چهار معادلهٔ مرزی لایه و بررسی گسترده‌تر پارامترها در scripts/validate_chapter02.py ارائه شده است.

Loading...
Saved strict JSON and CSV with source hash and explicit reference-plane/model conventions.

شگفتی‌ها را توضیح دهید

دامنهٔ میدان را با توان عمودی، دامنهٔ مماسی صفر را با میدان اوانسنت ناصفر، و روشن‌سازی یک‌طرفه را با دوطرفه مقایسه کنید. چرا ضدبازتاب ربع‌موج گزاره‌ای طیفی و وابسته به مرجع فاز است؟ چرا بازیابی ورقه پیش از محاسبهٔ جبری، آزمون اعتبار مدل است؟

استخراج‌های فصل، مثال‌های حل‌شده و آزمایشگاه را ببینید. فقط پس از تعیین هندسه، قطبش، کانال‌ها، صفحات فاز و اعتبارسنجی عددی اضافی، این مبنا را به بررسی ریج فصل ۳ و پراش فصل ۴ تعمیم دهید؛ نسخهٔ فارسی هر دو فصل نیز در کتاب در دسترس است.