Electromagnetic Surface Waves

A Modern Perspective
 
 
Elsevier (Verlag)
  • 1. Auflage
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  • erschienen am 31. Mai 2013
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  • 314 Seiten
 
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978-0-12-397185-2 (ISBN)
 

For decades, the surface-plasmon-polariton wave guided by the interface of simple isotropic materials dominated the scene. However, in recent times research on electromagnetic surface waves guided by planar interfaces has expanded into new and exciting areas. In the 1990's research focused on advancing knowledge of the newly discovered Dyakonov wave. More recently, much of the surface wave research is motivated by the proliferation of nanotechnology and the growing number of materials available with novel properties. This book leads the reader from the relatively simple surface-plasmon-polariton wave with isotropic materials to the latest research on various types of electromagnetic surface waves guided by the interfaces of complex materials enabled by recent developments in nanotechnology. This includes: Dyakonov waves guided by interfaces formed with columnar thin films, Dyakonov-Tamm waves guided by interfaces formed with sculptured thin films, and multiple modes of surface-plasmon-polariton waves guided by the interface of a metal and a periodically varying dielectric material.

  • Gathers research from the past 5 years in a single comprehensive view of electromagnetic surface waves.
  • Written by the foremost experts and researchers in the field.
  • Layered presentation explains topics with an introductory overview level up to a highly technical level.
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Elsevier Science
  • 11,44 MB
978-0-12-397185-2 (9780123971852)
0123971853 (0123971853)
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  • Front Cover
  • Half Title
  • Title Page
  • Copyright
  • Dedication
  • Contents
  • Preface
  • List of Acronyms and Principal Symbols
  • Surface Waves
  • 1.1 Introduction
  • 1.2 A Brief History
  • 1.3 Simple SPP Wave
  • 1.3.1 Canonical Boundary-Value Problem
  • 1.3.2 Practical Configurations
  • 1.3.2.1 Prism-Coupled Configurations
  • 1.3.2.2 Grating-Coupled Configuration
  • 1.3.2.3 Waveguide-Coupled Configurations
  • 1.4 Dielectric Materials
  • 1.4.1 Solid Crystals
  • 1.4.2 Particulate Composite Materials
  • 1.4.3 Nanoengineered Materials
  • 1.4.3.1 Columnar Thin Films
  • 1.4.3.2 Sculptured Thin Films
  • 1.4.3.3 Photonic Crystals
  • 1.4.3.4 Rugate Filters
  • 1.4.4 Liquid Crystals
  • 1.4.5 Reusch Piles
  • 1.5 Negative-Phase-Velocity Materials
  • 1.6 Bianisotropic Materials
  • 1.7 Taxonomy of Electromagnetic Surface Waves
  • 1.7.1 SPP Waves
  • 1.7.2 Dyakonov Waves
  • 1.7.3 Tamm Waves
  • 1.7.4 Dyakonov-Tamm Waves
  • 1.7.5 Emerging Types of Surface Waves
  • 1.8 Applications
  • 1.8.1 SPP Waves
  • 1.8.2 Other Surface Waves
  • 1.8.3 STFs for Optical Sensing
  • Surface-Plasmon-Polariton Waves I
  • 2.1 Introduction
  • 2.2 Canonical Boundary-Value Problem
  • 2.2.1 Geometry
  • 2.2.2 Field Representation
  • 2.2.3 Linear Polarization States
  • 2.2.4 Boundary Conditions
  • 2.2.5 Amplitude Vectors
  • 2.2.6 Time-Averaged Poynting Vector
  • 2.2.7 Wavenumbers
  • 2.2.8 Phase Speed and Characteristic Lengths
  • 2.2.9 Characteristics of Simple SPP Waves
  • 2.2.10 Fano Wave
  • 2.2.11 Zenneck Wave
  • 2.3 Optical Excitation of Simple SPP Waves
  • 2.3.1 Turbadar-Kretschmann-Raether Configuration
  • 2.3.1.1 Boundary-Value Problem
  • 2.3.1.2 p-Polarized Incident Plane Wave
  • 2.3.1.3 s-Polarized Incident Plane Wave
  • 2.3.1.4 Illustrative Results
  • 2.3.1.5 SPR-Based Prism-Coupled Sensing
  • 2.3.1.6 Fiber-Optic Coupling
  • 2.3.2 Turbadar-Otto Configuration
  • 2.3.3 Sarid Configuration
  • 2.3.4 Grating-Coupled Configuration
  • 2.3.4.1 Incident Plane Wave
  • 2.3.4.2 Reflected and Transmitted Field Phasors
  • 2.3.4.3 Linear Reflectances and Transmittances
  • 2.3.4.4 Rigorous Coupled-Wave Approach
  • 2.3.4.5 Stable RCWA Algorithm
  • 2.3.4.6 Excitation of an SPP Wave
  • 2.3.4.7 Illustrative Results
  • 2.3.5 Waveguide-Coupled Configuration
  • 2.4 Nonlinear Dielectric Materials
  • General Theory of Surface-Wave Propagation
  • 3.1 Introduction
  • 3.2 Bianisotropic Materials
  • 3.2.1 Maxwell Postulates
  • 3.2.2 Linear Constitutive Relations
  • 3.2.3 Periodic Nonhomogeneity
  • 3.2.4 Homogeneous Bianisotropic Materials
  • 3.3 Propagation in a Homogeneous Bianisotropic Material
  • 3.3.1 Matrix Ordinary Differential Equation
  • 3.3.2 Eigenmodes
  • 3.4 Propagation in a Periodically Nonhomogeneous Bianisotropic Material
  • 3.4.1 Matrix Ordinary Differential Equation
  • 3.4.2 Eigenmodes
  • 3.5 Canonical Boundary-Value Problem
  • 3.5.1 Dispersion Equation
  • 3.5.2 Computational Matters
  • 3.6 Modified Canonical Boundary-Value Problem
  • 3.7 Prism-Coupled Configuration
  • 3.7.1 Incident, Reflected, and Transmitted Plane Waves
  • 3.7.2 Solution of Boundary-Value Problem
  • 3.7.3 Linear Reflectances and Transmittances
  • 3.7.4 Circular Reflectances and Transmittances
  • 3.8 Grating-Coupled Configuration
  • 3.8.1 Incident Plane Wave
  • 3.8.2 Reflected and Transmitted Field Phasors
  • 3.8.3 Linear Reflectances and Transmittances
  • 3.8.4 Circular Reflectances and Transmittances
  • 3.8.5 Rigorous Coupled-Wave Approach
  • 3.8.6 Stable RCWA Algorithm
  • 3.8.7 Excitation of a Surface Wave
  • Dyakonov Waves
  • 4.1 Introduction
  • 4.2 Interface of an Anisotropic Material and an Isotropic Material
  • 4.2.1 Interface of a Uniaxial Material and an Isotropic Material
  • 4.2.1.1 Optic Axis in Interface Plane
  • 4.2.1.2 Optic Axis not in Interface Plane
  • 4.2.2 Interface of a Biaxial Material and an Isotropic Material
  • 4.2.2.1 Optic Ray Axes in Interface Plane
  • 4.2.2.2 Optic Ray Axes not in Interface Plane
  • 4.3 Interface of Two Anisotropic Materials
  • 4.3.1 Interface of Two Uniaxial Materials
  • 4.3.1.1 Optic Axes in Interface Plane
  • 4.3.1.2 Optic Axes not in Interface Plane
  • 4.3.2 Interface of Two Biaxial Materials
  • 4.3.2.1 Optic Ray Axes in Interface Plane
  • 4.3.2.2 Optic Ray Axes not in Interface Plane
  • 4.4 Nanostructured Materials
  • 4.4.1 Liquid Crystals
  • 4.4.2 Columnar Thin Films
  • 4.4.3 Photonic Crystals
  • 4.5 Electro-Optic Materials
  • 4.6 Magnetic Analogs
  • 4.7 More Exotic Materials
  • 4.8 Experimental Observation
  • 4.8.1 Prism-Coupled Configuration
  • 4.8.2 First Observation of Dyakonov Waves
  • 4.9 Outlook
  • Tamm Waves
  • 5.1 Introduction
  • 5.2 Canonical Boundary-Value Problem
  • 5.2.1 s-Polarized Tamm Wave
  • 5.2.2 p-Polarized Tamm Wave
  • 5.2.3 Illustrative Numerical Results
  • 5.2.3.1 Interface of a Homogeneous Dielectric Material and a Periodic Multilayer
  • 5.2.3.2 Interface of a Homogeneous Dielectric Material and a Rugate Filter
  • 5.3 Practical Configurations
  • 5.3.1 Prism-Coupled Configuration
  • 5.3.1.1 Interface of a Homogeneous Dielectric Material and a Periodic Multilayer
  • 5.3.1.2 Interface of a Homogeneous Dielectric Material and a Rugate Filter
  • 5.3.2 Grating-Coupled Configuration
  • 5.3.2.1 Interface of a Homogeneous Dielectric Material and a Periodic Multilayer
  • 5.3.2.2 Interface of a Homogeneous Dielectric Material and a Rugate Filter
  • 5.3.3 Prospects for Optical Sensing
  • 5.4 Interface of Two Periodically Nonhomogeneous Dielectric Materials
  • 5.4.1 s-Polarized Tamm Wave
  • 5.4.2 p-Polarized Tamm Wave
  • 5.4.3 Illustrative Numerical Results
  • 5.5 Outlook
  • Surface-Plasmon-Polariton Waves II
  • 6.1 Introduction
  • 6.2 Interface of a Metal and an Isotropic Dielectric Multilayer
  • 6.3 Interface of a Metal and a Homogeneous Anisotropic Dielectric Material
  • 6.3.1 General Considerations
  • 6.3.2 Columnar Thin Films
  • 6.3.3 Metal/CTF Interface
  • 6.4 Interface of a Metal and a Continuously and Periodically Nonhomogeneous Dielectric Material
  • 6.4.1 Metal/Rugate-Filter Interface
  • 6.4.1.1 Canonical Boundary-Value Problem
  • 6.4.1.2 Turbadar-Kretschmann-Raether Configuration
  • 6.4.1.3 Grating-Coupled Configuration
  • 6.4.2 Metal/SNTF Interface
  • 6.4.2.1 Canonical Boundary-Value Problem
  • 6.4.2.2 Turbadar-Kretschmann-Raether Configuration
  • 6.4.2.3 Grating-Coupled Configuration
  • 6.4.3 Metal/Chiral-STF Interface
  • 6.4.3.1 Canonical Configuration
  • 6.4.3.2 Turbadar-Kretschmann-Raether Configuration
  • 6.4.3.3 Grating-Coupled Configuration
  • 6.5 Optical Sensing
  • 6.5.1 Metal/CTF Interface
  • 6.5.1.1 Nominal Model of a CTF
  • 6.5.1.2 Canonical Boundary-Value Problem
  • 6.5.1.3 Turbadar-Kretschmann-Raether Configuration
  • 6.5.2 Metal/SNTF Interface
  • 6.5.3 Metal/Chiral-STF Interface
  • 6.5.3.1 Theoretical Analysis and Results
  • 6.5.3.2 Experimental Observations
  • 6.6 Harvesting of Solar Energy
  • 6.7 Outlook
  • Dyakonov-Tamm Waves
  • 7.1 Introduction
  • 7.2 Canonical Boundary-Value Problem
  • 7.2.1 Interface of a Homogeneous Isotropic Material and a Periodically Nonhomogeneous Anisotropic Material
  • 7.2.1.1 Interface of an Isotropic Dielectric Material and a Chiral Sculptured Thin Film
  • 7.2.1.2 Interface of an Isotropic Dielectric Material and a Sculptured Nematic Thin Film
  • 7.2.1.3 Interface of an Isotropic Dielectric Material and an Electro-Optic Reusch Pile
  • 7.2.2 Interface of Two Periodically Nonhomogeneous and Anisotropic Materials
  • 7.2.2.1 Interface of Two Sculptured Nematic Thin Films
  • 7.2.2.2 Interface of Two Chiral Sculptured Thin Films
  • 7.3 Practical Configurations
  • 7.3.1 Prism-Coupled Configuration
  • 7.3.2 Grating-Coupled Configuration
  • 7.4 Outlook
  • Appendix A
  • Appendix B
  • Appendix C
  • Appendix D
  • Appendix E
  • E.1 Forward Bruggeman Formalism for CTFs
  • E.2 Inverse Bruggeman Formalism for CTFs
  • E.3 Forward Bruggeman Formalism for Fluid-Infiltrated CTFs
  • E.4 Cautionary Remarks
  • Bibliography

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