在一众电磁仿真软件的使用中,牵涉到平面波的设置或Floquet端口的设置。
在设置平面波时,论坛里有不少人提到TE波、TM波;
在设置Floquet端口时,又有不少人提到TE极化、TM极化。
其实,这些都有概念上的错误。如果不能非常清晰地理解平面波、TE(M)波、TE(M)极化、极化这几个概念之间的区别与联系,就不能正确地使用仿真软件,或者不能正确理解仿真软件给出的结果。这就是“电磁学”教材中专门用篇幅来讲这几个概念的实际意义之一吧。
教材中一般都会用成套的公式来阐释,本文争取尽量用白话。
1.平面波
就是TEM波,即横电磁波,概念上就是:若电磁波传播方向沿z轴,那么电场矢量和磁场矢量都仅在xy平面上有分量,而在z轴上没有分量。特别地,如果在同一平面上,各点的电场和磁场矢量与 (x,y)(x,y)(x,y) 都无关,那么就是均匀平面波了。
2. TE(M)极化
最简单的情形,当平面波斜入射到一个介质平面上,波矢 k 会与平面的法矢 n形成的面S。这个面定义为入射面,如果平面波的电场分量与S垂直,则称平面波TE极化(垂直极化波,在光学领域称为S偏振光);如果平面波的电场分量与 S平行,则称平面波为TM极化(平行极化波,在光学领域中称为P偏振光)。
所以,平面波也可能有TE(M)的概念,只是必须有“入射面”作为背景,并且是称为TE(M)极化波,而不是直接称为TE(M)波。另外,如果平面波的电场矢量 E 与 S并不平行或垂直,则其也可以分解为平行与垂直的分量,那么入射平面波就有两种极化成分了。
也就是说,TE(M)极化是指入射平面波(TEM波)的电场方向,代表的是极化特征,而不是TE、TM模式。可以理解为两种极化正交的电磁波入射
3. (波)极化
这里波的极化与TE(M)极化又不同,波的极化分为线极化、圆极化、椭圆极化,简单定义之,当 电场矢量E和 磁场矢量H之间的相位差为0或 π (即同相或反相)就是线极化,当相位差非0且非 π 时,就是椭圆极化;当极化椭圆的轴比为1时,就是圆极化。可见,波的极化与TE(M)极化是两码事,提出的背景也完全不同。
4. TE(M)波
如果波在传播方向上没有电场分量,则为TE波;如果没有磁场分量,则为TM波;如果电场、磁场分量都没有,则为TEM波。如果从远场去看TEM波,则多数可以近按平面波处理。所以,波极化、TE(M)波是电磁波本身的属性,在理想情形下定义出平面波,当平面波遇到入射面,又定义出TE(M)极化。以上四个概念可能就是电磁场理论中最易混淆的吧。
作者:知乎用户
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