极小线性介电常数超材料中的极端非线性电动力学

我们考虑一种亚波长周期分层介质，其平板由任意线性超材料和标准非线性Kerr介质填充，并证明均匀化后的介质表现为一种Kerr介质，其参数可达到标准材料中无法实现的值。利用这种参数的可实现性，我们重点关注线性相对介电常数非常小的情况，从而能够观测到非线性极化与整体介电响应的线性部分相当甚至更大的极端非线性区域。极端非线性区域中电磁场的行为非常特殊，并具有新颖的特征，例如横向功率流反转。为了探索这一新区域，我们考虑了一类允许完全解析描述的场（横向磁非线性导波），并证明即使在线性相对介电常数ε<0且磁导率μ>0的介质中，这些波也能传播，因为非线性极化产生了正的总体有效介电常数。除了上述特征外，所考虑的非线性波还表现出许多有趣的性质，例如由场分量之间的相位差引起的超聚焦效应。