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The Complex Charge Paradigm: A New Approach for Designing Electromagnetic Wavepackets
Advanced Science ( IF 14.3 ) Pub Date : 2020-08-11 , DOI: 10.1002/advs.201903377 Liang Jie Wong 1 , Demetrios N Christodoulides 2 , Ido Kaminer 3
Advanced Science ( IF 14.3 ) Pub Date : 2020-08-11 , DOI: 10.1002/advs.201903377 Liang Jie Wong 1 , Demetrios N Christodoulides 2 , Ido Kaminer 3
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Singularities in optics famously describe a broad range of intriguing phenomena, from vortices and caustics to field divergences near point charges. The diverging fields created by point charges are conventionally seen as a mathematical peculiarity that is neither needed nor related to the description of electromagnetic beams and pulses, and other effects in modern optics. This work disrupts this viewpoint by shifting point charges into the complex plane, and showing that their singularities then give rise to propagating, divergence‐free wavepackets. Specifically, point charges moving in complex space‐time trajectories are shown to map existing wavepackets to corresponding complex trajectories. Tailoring the complex trajectories in this “complex charge paradigm” leads to the discovery and design of new wavepacket families, as well as unprecedented electromagnetic phenomena, such as the combination of both nondiffracting behavior and abruptly‐varying behavior in a single wavepacket. As an example, the abruptly focusing X‐wave–a propagation‐invariant X‐wave‐like wavepacket with prechosen self‐disruptions that enhance its peak intensity by over 200 times–is presented. This work envisions a unified method that captures all existing wavepackets as corresponding complex trajectories, creating a new design tool in modern optics and paving the way to further discoveries of electromagnetic modes and waveshaping applications.
中文翻译：
复杂电荷范式：设计电磁波包的新方法
众所周知，光学中的奇点描述了一系列有趣的现象，从涡流和焦散到点电荷附近的场发散。点电荷产生的发散场通常被视为一种数学特性，它与电磁束和脉冲以及现代光学中的其他效应的描述既不需要也不相关。这项工作通过将点电荷转移到复平面中来颠覆这一观点，并表明它们的奇点随后会产生传播的、无发散的波包。具体来说，在复杂的时空轨迹中移动的点电荷被证明可以将现有的波包映射到相应的复杂轨迹。在这种“复杂电荷范式”中定制复杂的轨迹导致了新的波包族的发现和设计，以及前所未有的电磁现象，例如单个波包中非衍射行为和突变行为的组合。作为一个例子，提出了突然聚焦的 X 波——一种传播不变的 X 波类波包，具有预先选择的自我干扰，可将其峰值强度增强 200 倍以上。这项工作设想了一种统一的方法，可以捕获所有现有的波包作为相应的复杂轨迹，从而在现代光学中创建一种新的设计工具，并为进一步发现电磁模式和波形整形应用铺平道路。
更新日期：2020-10-07
中文翻译：
复杂电荷范式：设计电磁波包的新方法
众所周知，光学中的奇点描述了一系列有趣的现象，从涡流和焦散到点电荷附近的场发散。点电荷产生的发散场通常被视为一种数学特性，它与电磁束和脉冲以及现代光学中的其他效应的描述既不需要也不相关。这项工作通过将点电荷转移到复平面中来颠覆这一观点，并表明它们的奇点随后会产生传播的、无发散的波包。具体来说，在复杂的时空轨迹中移动的点电荷被证明可以将现有的波包映射到相应的复杂轨迹。在这种“复杂电荷范式”中定制复杂的轨迹导致了新的波包族的发现和设计，以及前所未有的电磁现象，例如单个波包中非衍射行为和突变行为的组合。作为一个例子，提出了突然聚焦的 X 波——一种传播不变的 X 波类波包，具有预先选择的自我干扰，可将其峰值强度增强 200 倍以上。这项工作设想了一种统一的方法，可以捕获所有现有的波包作为相应的复杂轨迹，从而在现代光学中创建一种新的设计工具，并为进一步发现电磁模式和波形整形应用铺平道路。
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