Gyrotropic superlattice as a transformer of light polarization
N. M. Makarov1, S. S. Melnyk2, O. V. Usatenko2, A. A. Shmat’ko3, and V. A. Yampol’skii2,3
1Instituto de Ciencias, Benemérita Universidad Autónoma de Puebla, Puebla 72570, México
2A. Ya. Usikov Institute for Radiophysics and Electronics of the National Academy of Sciences of UkraineKharkiv 61805, Ukraine
3V. N. Karazin Kharkiv National University, Kharkiv 61077, Ukraine
E-mail: makarov.n@gmail.com
melnik.teor@gmail.com
usatenkoleg@gmail.com
sh47@ukr.net
yampolskiii@rambler.ru
Received February 3, 2021 , published online May 26, 2021
Abstract
We suggest a novel approach to predict and clarify the transformation of an arbitrarily polarized wave into two circularly polarized ones, based on the peculiar features of their transmission and reflection from a stack with regularly arranged gyrotropic layers. In spite of the fact that in the Faraday geometry gyrotropic media possess four electromagnetic eigenmodes, we have managed to modify the problem to be analytically resolved within the conventional transfer-matrix method. As a result, we have obtained and analyzed the dispersion relation, as well as the transmission and reflection coefficients, which are applicable for any elliptic polarization of a wave irradiating a gyrotropic superlattice with finite number of unit cells. It is shown that there exists a wide range of wave frequency and magneto-optical parameter (proportional to external dc magnetic field) inside of which the wave of given circular polarization is perfectly transmitted, while the wave with the opposite circular polarization is completely reflected. Thus, under certain conditions, the incident plane wave (taken as an appropriate example) splits up into the transmitted and reflected circular waves with mutually inverse rotations. We indicate conditions when a relatively small variation of the magnetization can reverse the polarizations mentioned above.
Анотація
Запропоновано новий підхід для прогнозування та пояснення процесу перетворення довільно поляризованої хвилі в дві циркулярно поляризовані на основі особливостей їх проходження та відбиття від надґраткиз регулярно розташованими гіротропними шарами. Незважаючи на те, що в геометрії Фарадея гіротропні середовища мають чотири електромагнітні власні моди, нам вдалося модифікувати проблему для її аналітичного вирішення в межах звичайного методу трансфер-матриці. В результаті отримано та проаналізовано дисперсійне співвідношення, а також коефіцієнти проходження та відбиття, які можуть бути застосовані для будь-якої еліптичної поляризації хвилі, що опромінює гіротропну надґратку з кінцевою кількістю елементарних комірок. Показано, що існують широкі області значень частоти хвилі та магнітооптичного параметру (пропорційного зовнішньому постійному магнітному полю), у яких хвиля даної кругової поляризації ідеально проходить крізь надґратку, тоді як хвиля з протилежною круговою поляризацією повністю відбивається. Таким чином, за певних умов падаюча плоска хвиля (взята як відповідний приклад) розпадається на передані та відбиті кругові хвилі із взаємно оберненими напрямами обертання. Встановлено умови, за яких відносноневелика варіація намагніченості може змінити згадані вище поляризації на протилежні.
Key words: extraordinary optical transmission, photonics, superlattices, Faraday effect, polarization of light.
