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JCMsuite應用：四分之一波片

利用光學手性和內置手性參量的形式，可以在JCMsuite中計算光學散射體的手性響應。結果表明，時間諧波光學手性密度服從局部連續性方程[1]。這使得手性行為的分析類似于電磁能量的研究。
 

圓偏振平面波是光手性的本征態。因此，近場光手性密度與圓偏振密切相關。在幾何光學中，四分之一波板將線偏振轉換為圓偏振是眾所周知的。它們是由雙折射材料制成的，例如各向異性材料。波片的厚度是尋常(x-)偏振和非尋常(z-)偏振波長差的四分之一。入射平面波在xz方向上線性偏振，在-y方向上傳播，如下圖所示：

 

四分之一波片的能量守恒和光學手性
 

由于線偏振，入射手性通量消失=0。對于一個完美的四分之一波片，反射通量將消失，而透射手性通量=1將以圓偏振平面波為單位。從幾何光學的角度，我們認為由于波片的各向異性導致了偏振變化或手性轉換發生在波片的體積內。對于麥克斯韋方程組的嚴格解，會產生與這個簡化模型的輕微偏差。
 

在近場中，由于各向異性和材料參數[1]的變化而發生手性轉換。利用各向異性電學手性的密度積分，可以在JCMsuite中計算體積貢獻。這種轉換類似于能量吸收。對于這個例子中的分段常數材料，界面處的手性轉換是通過電磁手性轉換通量積分來計算的。它的實部得到。
 

最后，通過對界面外域電磁手性通量積分取實數部分給出了反射和透射光手性通量。由于光學手性守恒，推導出下式：

適用于任意材料和電磁場。這類似于能量守恒，可寫為

 

光學手性密度如下所示

 

研究了四分之一波片近場的光手性密度 (左)及其體積轉換(右)
 

這是由輸出參量：磁性手性密度和各向異性電性手性密度得到的。在這里，目前的符號并沒有區分整數(例如或)和密度(例如)。
 

注意，各向異性手性密度在計算上比它們的各向同性對應部分更消耗計算資源。由于所涉及的材料是非磁性的(μr=1)，計算(各向同性)磁性手性密度就足夠了。還需要注意的是，各向異性參量僅適用于具有電場分量或磁場分量的解決方案。這是由于需要對該場進行額外的導數求解。
 

對四分之一波片近場(見上圖)的分析證實了幾何光學的預期: 在周圍的空氣中波片內偏振變化發生 為零(和界面)。向下傳播(輸出)平面波的光手性密度幾乎是圓平面波手性密度的一個單位。發現輸出偏振幾乎完全圓偏振直至/≈0.9938。通過優化其厚度，可以獲得更優異的較低反射性能。

參考文獻

[1] (1, 2) Philipp Gutsche, Lisa V. Poulikakos, Martin Hammerschmidt, Sven Burger, and Frank Schmidt. Time-harmonic optical chirality in inhomogeneous space. In SPIE OPTO, Vol.9756, pages 97560X. International Society for Optics and Photonics, 2016.