Оптика метаматериалов с отрицательным показателем преломления

1. Оптика метаматериалов с отрицательным показателем преломления Студентка 6 курса Сапарина Дарья Научный руководитель проф. Сухоруков Анатолий Петрович

2. ТЕМАТИКА ЛАБОРАТОРИИ ОПТИКА НЕОДНОРОДНЫХ СРЕД И МЕТАМАТЕРИАЛОВ НЕЛИНЕЙНАЯ ОПТИКА И ФОТОНИКА ФИЗИКА ПРОСТРАНСТВЕННЫХ СОЛИТОНОВ НЕЛИНЕЙНАЯ ФОТОНИКА И ПЛАЗМОНИКА СРЕДЫ С УПРАВЛЯЕМОЙ ДИФРАКЦИЕЙ И ДИСПЕРСИЕЙ ПЛАЗМОННЫЕ ВОЛНЫ В МЕТАЛЛАХ И МЕТАМАТЕРИАЛАХ ОПТИКА ПРЕДЕЛЬНО КОРОТКИХ ИМПУЛЬСОВ

3. ОТРАЖЕНИЕ ПУЧКОВ В НЕЛИНЕЙНЫХ СРЕДАХ • Нелинейные среды:показатель преломления зависит от амплитуды световой волны • фоторефрактивные кристаллы, • среды с тепловой нелинейностью, • кубичные и квадратично-нелинейные среды Принцип действия: Мощный оптический пучок формирует эффективную неоднородность показателя преломления, которая является своеобразным зеркалом в среде (аналог полного внутреннего отражения). При определенных начальных условиях второй сигнальный пучок отражается от созданной накачкой неоднородности – осуществляется пространственное переключение сигнала. Применение: оптические переключатели, основанные на эффекте отражения оптических пучков в дефокусирующей нелинейной среде

4. ОТРАЖЕНИЕ ПУЧКОВ В НЕЛИНЕЙНЫХ СРЕДАХ Отталкивание лазерных пучков в квадратично-нелинейной среде ПАРАМЕТРИЧЕСКОЕ ОТРАЖЕНИЕ ПАРАМЕТРИЧЕСКИЙ ВОЛНОВОД

5. ОТРАЖЕНИЕ ПУЧКОВ В НЕЛИНЕЙНЫХ СРЕДАХ Отталкивание лазерных пучков в квадратично-нелинейной среде ПАРАМЕТРИЧЕСКОЕ ОТРАЖЕНИЕ ПАРАМЕТРИЧЕСКИЙ ВОЛНОВОД

6. ОТРИЦАТЕЛЬНЫЙ ПОКАЗАТЕЛЬ ПРЕЛОМЛЕНИЯ: ИСТОРИЯ • 1909г. – книга Шустера “An introduction tothe Theory of Optics” Групповая и фазовая скорости волны: При скорости В этом случае будет наблюдаться отрицательное преломление Пример: пары натрия

7. ОТРИЦАТЕЛЬНЫЙ ПОКАЗАТЕЛЬ ПРЕЛОМЛЕНИЯ: ИСТОРИЯ • 1909г. – книга Шустера “An introduction tothe Theory of Optics” • 1940г. – лекции Мандельштама При разнонаправленных групповой и фазовой скоростях возможно отрицательное преломление

8. ОТРИЦАТЕЛЬНЫЙ ПОКАЗАТЕЛЬ ПРЕЛОМЛЕНИЯ: ИСТОРИЯ • 1909г. – книга Шустера “An introduction tothe Theory of Optics” • 1940г. – лекции Мандельштама • 1967г. – статья Веселаго «Электродинамика веществ с одновременно отрицательными значениями ε и µ»

9. ОПТИКА МЕТАМАТЕРИАЛОВ С ОТРИЦАТЕЛЬНОЙ РЕФРАКЦИЕЙ ОТРИЦАТЕЛЬНЫЙ ПОКАЗАТЕЛЬ ПРЕЛОМЛЕНИЯ: ИСТОРИЯ стакан с водой, n=1.3 стакан с «мета-водой», n=-1.3 пустой cтакан • 1967г. – статья Веселаго «Электродинамика веществ с одновременно отрицательными значениями ε и µ» Распространение волн в средах с отрицательным показателем преломления описывается теми же формулами, что и в обычном случае Преломление: падающий и преломленный лучи лежат по одну сторону от нормали к границе раздела Принцип работы «суперлинзы» (Дж. Пендри, 2000 г.): фокусировка компонент ближнего и дальнего поля за счет отрицательной рефракции

10. ОТРИЦАТЕЛЬНЫЙ ПОКАЗАТЕЛЬ ПРЕЛОМЛЕНИЯ: ИСТОРИЯ • 1909г. – книга Шустера “An introduction tothe Theory of Optics” • 1940г. – лекции Мандельштама • 1967г. – статья Веселаго «Электродинамика веществ с одновременно отрицательными значениями ε и µ» • 2000г. – создание первого метаматериала с отрицательным показателем преломления (микроволновый диапазон)

11. ОТРИЦАТЕЛЬНЫЙ ПОКАЗАТЕЛЬ ПРЕЛОМЛЕНИЯ: ИСТОРИЯ • 2000г. – создание первого метаматериала с отрицательным показателем преломления (микроволновый диапазон)

12. ОПТИКА МЕТАМАТЕРИАЛОВ С ОТРИЦАТЕЛЬНОЙ РЕФРАКЦИЕЙ МЕТАМАТЕРИАЛЫ – искусственные среды, в которых резонансные элементы (размерами меньше длины волны) играют роль атомов в обычных веществах. Поэтому в таких средах возможно одновременно отрицательные ε и μ, и, как следствие, показателя преломления n. Оптические метаматериалы => элементы размера порядка 10-100 нм. Новые уникальные возможности: • Плащ-невидимка(возможность маскировки объетов, находящиеся за ними) • Суперлинза(разрешение изображения больше, чем длина волны λ– критерий Релея)

13. ОПТИКА МЕТАМАТЕРИАЛОВ С ОТРИЦАТЕЛЬНОЙ РЕФРАКЦИЕЙ МЕТАМАТЕРИАЛЫ – искусственные среды, в которых резонансные элементы (размерами меньше длины волны) играют роль атомов в обычных веществах. Поэтому в таких средах возможно одновременно отрицательные ε и μ, и, как следствие, показателя преломления n. Оптические метаматериалы => элементы размера порядка 10-100 нм. Новые уникальные возможности: • Плащ-невидимка(возможность маскировки объетов, находящиеся за ними) • Суперлинза(разрешение изображения больше, чем длина волны λ– критерий Релея)

14. ОПТИКА МЕТАМАТЕРИАЛОВ С ОТРИЦАТЕЛЬНОЙ РЕФРАКЦИЕЙ Возможное применение: Квазиволноводное распространение пучков: Аналогия фокусировки линзовой линией, только для любых (не только гауссовых) пучков. Например, A(x)=x*sech(x) • В резонаторе: • Появление волноводных мод в резонаторе с двумя выпуклыми и двумя плоскими зеркалами • Возможность мод с произвольным профилем • Контроль ширины моды • Контроль устойчивости