Аналитическое решение уравнений Максвелла: собственные моды оптоволокна (любителям «матана»)

Как-то мне понадобилась «собственная мода оптоволокна«. Но я нигде не нашел аналитического выражения электромагнитного поля. Ну и «сделал сам», раз не нашел, и оформил для всех тут, в статье. Так что, скорее всего, нигде больше вы такого не встретите — уникальнейшая вещь! В книжках это не пишут, потому что оно длинное — обычно пишут самое простое, а про общий случай упоминают вскользь. Ну вот он, общий случай, под катом.
Постановка задачи

Решить уравнения Максвелла с условиями:
— оптоволокно состоит из сердцевины радиуса с диэлектрической проницаемостью и оболочки бесконечного внешнего радиуса с диэлектрической проницаемостью ,
— поле периодично по , пространственная частота всех компонент поля едина: ,
— компоненты поля на оси — без особенностей,
— компоненты поля при интегрируемы с квадратом,
— тангенциальные компоненты поля на поверхности цилиндра — непрерывны:
1. Преобразование уравнений Максвелла, вызванное периодичностью по
Подставив в уравнения Максвелла периодическую зависимость по :
получаются уравнения на -компоненты поля:
При этом остальные компоненты выражаются через -компоненты по закону:
где — единичный вектор вдоль оси , , .
2. Уравнения на -компоненты в полярных координатах
Уравнения на имеют один вид, решения одинаковы, поэтому естественно переобозначение искомой функции:
В полярных координатах уравнение имеет вид:
3. Разделение переменных в уравнении
Подстановкой в уравнение зависимости переменные разделяются:
Обозначив константу равенства символом выписываются обе части равенства:
4. Решение первого уравнения
Первое уравнение имеет решения: .
Из периодического граничного условия , следует, что — целое:
5. Решение второго уравнения
Второе уравнение сводится либо к уравнению Бесселя, либо к модифицированному уравнению Бесселя:
1. Уравнение Бесселя:
2. Модифицированное уравнение Бесселя:
Уравнению Бесселя удовлетворяют функции Бесселя и функции Неймана . Модифицированному уравнению Бесселя удовлетворяют функции Инфельда и функции Макдональда .
В силу граничных условий: при — функция без особенностей, при — функция интегрируема с квадратом, при — тангенциальные компоненты поля непрерывны, — в качестве решения предлагается следующая комбинация: при — функция Бесселя , при .
Из предложенной комбинации следует, что сердцевина должна быть более оптически плотной, чем оболочка,
Источник
Как вырабатывать электроэнергию с помощью списанного авиадвигателя
К Марсу за щепоткой пыли: зачем ученым грунт Фобоса
Причудливые технологии прошлого, которые так и не прижились, часть 7
Случайность, физика и устройство мира
Почему сознание балансирует между болью и забвением: взгляд нейробиологии
Микроскоп для смартфона и фотомикроскоп Levenhuk Kelvin: обзор опытного ботаника
Уравнения Эйнштейна в общей теории относительности простыми словами
Карты XIII века в десять раз точнее модели компасной навигации: разгадка может скрываться в античности