ОПТИЧЕСКИЕ ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ЛЕКЦИЯ № 9 Композитные материалы с отрицательным преломлением

1. ОПТИЧЕСКИЕ ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИЛЕКЦИЯ№9Композитные материалы с отрицательным преломлением Астапенко В.А., д.ф.-м.н.

2. «Проволочный кристалл» Прилагательное эффективная говорит о том, что соответствующая величина введена по аналогии со своим прототипом для характеристики процессов на больших пространственных масштабах, когда композитная среда может рассматриваться как сплошная. Элементарная ячейка кубической периодической структуры, r – радиус металлической проволоки

3. Двойной кольцевой резонатор с разрезом – атом фотоники Двойной кольцевой резонатор с разрезом Представление одинарного кольцевого резонатора с разрезом в виде LC-контура Разрезы необходимы для увеличения резонансной длины волны, а промежуток между кольцами служит для уменьшения резонансной частоты (за счет увеличения емкости) и для концентрации внутри него электрического поля. Резонатор эффективно взаимодействует с внешним переменным магнитным полем, вектор напряженности которого перпендикулярен плоскости резонатора. Это поле наводит в проводящих кольцах токи, которые в свою очередь создают магнитное поле, направленное антипараллельно внешнему магнитному полю.

4. Эффективная магнитная проницаемость двойного кольцевого резонатора Для периодического массива из двойных кольцевых резонаторов с разрезом, являющегося искусственной кристаллической решеткой, эффективная магнитная проницаемость дается выражением: магнитная плазменная частота, на которой магнитная проницаемость обращается в ноль

5. Резонансная кривая медного кольцевого резонатора с разрезом(Smith D.R., Padilla W.J., Vier D.C. et al.Composite medium with simultaneously negative permeability and permittivity // Phys. Rev. Lett. – 2000. V. 84. P. 4184–4187.) с=0.8 мм, d=0.2 мм, r=1.5 мм f0 = 4.85 ГГц

6. Искусственная периодическая среда, позволяющая получить эффект отрицательного преломления Эффект отрицательного преломления в статье Д. Смита (Phys. Rev. Lett. 2000. V. 84. P. 4184) был зафиксирован в частотном интервале от 4.8 до 5.1 ГГц.

7. Дисперсия в «левом» метаматериале(D. Smith et al. Appl. Phys. Lett. – 2001. V.78. P.489) a – двойной резонатор с разрезом w=2.62 мм, c=0.25 мм, d=0.30 мм, g=0.46 мм b – двойной резонатор с разрезом квадратной формы, дополненный металлической полоской квадраты – только ДРР, кружки – ДРР с металлической полоской, здесь видна отрицательная групповая скорость

8. Пример «левого» метаматериала в микроволновом диапазоне Волновые и лучевые вектора в метаматериале с отрицательным преломлением Периодический массив ДРР с металлической полоской. Высота структуры 1 см.

9. Экспериментальная верификация отрицательного преломления (R.A.Shelby et al. Science V.292. P.77 (2001) Мощность излучения как функция угла преломления для левого n=-2.7 (сплошная кривая) и правого n=1.4 (пунктир) материала. Схема экспериментальной установки по измерению преломленной мощности излучения в гигагерцовом диапазоне Частота излучения: f = 10.5 ГГц

10. Дисперсия показателя преломления в левом и правом материалах Точечные кривые соответствуют областям с большой мнимой частью показателя преломления

11. Левый материал в ближнем ИК диапазоне Схема периодической структуры, составленной из Al2O3 слоя между двумя Au пленками, перфорированными квадратным массивом отверстий диаметром 360 нм Дисперсия комплексного показателя преломления: измерение и расчет

12. Левый материал на телекоммуникационной длине волны(Метаматериал двойная «рыболовная сеть» double “fishnet” structure) wx=316 nm, wy=100 nm, t=45 mn, s=30 nm ax=ay=600 nm – постоянная решетки FOM – figure of merit (аналог добротности)

13. Левая среда в видимом диапазоне(=780 нм) wx=102 nm, wy=68 nm, t=40 mn, s=17 nm ax=ay=300 nm – постоянная решетки Излучение падает перпендикулярно плоскости структуры

14. Дисперсия показателя преломления левой среды из композитного материала (ax=ay=300 nm) Для расчета кривых, изображенных на рисунке, использовались экспериментальные данные по фазовой задержке 125 фс лазерного импульса при его прохождении через образец из метаматериала. Эти данные были получены с помощью специальной время-пролетной методики, основанной на использовании стабилизированного интерферометра Майкельсона. Графики построены по экспериментальным данным

15. Развитие технологии метаматериалов с отрицательным преломлением

16. Отрицательное преломление в оптике

17. Магнитный метаматериал на основе алюминиевых наноструктур Период двумерной структуры а=200 нм, r=60 нм – радиус серебряных наночастиц, h=21 нм, d=24 нм

18. Метаматериал с отрицательным преломлением на основе MgB2/SiCкомпозита, =632 nm(Limberopoulos N.et al. Appl. Phys. Lett. – 2009. V. 95. P. 023306) Микрофотография метаматериала MgB2/SiC, полученная с помощью сканирующего электронного микроскопа: непрерывная MgB2фаза - темно-серый цвет, субмикронные включения SiC – светло-серый цвет MgB2 (матрица) обеспечивает отрицательную диэлектрическую восприимчивость; внедрения SiC обеспечивают отрицательную магнитную восприимчивость поликристаллической среды вследствие резонанса Ми.

19. Идея эксперимента с метаматериалом MgB2/SiC(Appl. Phys. Lett. – 2009. V. 95. P. 023306) • Объемная фракция (0.3) и радиус SiCнаносфер (120 нм) были подобраны таким образом, чтобы достичь пересечения спектральных областей отрицательности  и  для получения отрицательного значения показателя преломления в видимом спектральном диапазоне. • Полученный изотропный трехмерный метаматериал имел отрицательный показатель преломления в видимой части спектра ( = 0.632 мкм). • Отрицательность показателя преломления подтверждалась специальным экспериментом по возбуждению поверхностного плазмона в образце MgB2/SiC. Суть его сводилась к тому, что свет p-поляризации возбуждает ПП для отрицательной диэлектрической проницаемости, а s-поляризации – для отрицательной магнитной проницаемости. • В материале с отрицательным преломлением ПП возбуждаются обеими поляризациями света, что и было зафиксировано экспериментально в конфигурации Отто. • Преимущество такого способа заключается в независимой оценке  и , а также в возможности определения этих параметров в толстом или поглощающем образце.

20. Возбуждение поверхностного плазмона в конфигурации Отто

21. Ослабленное полное внутреннее отражение от метаматериала MgB2/SiC Теоретические и экспериментальные результаты по отражению излучения с различными поляризациями от метаматериала MgB2/SiC для различных углов падения и толщин воздушного зазора