ВКР: Динамическая дифракция лазерных импульсов по схеме Лауэ в фотонных кристаллах из метаматериалов

Введение

Метаматериалы — это искусственные среды с особыми оптическими свойствами, которые нельзя обнаружить у обычных, природных материалов. Ярким примером являются так называемые среды с отрицательным показателем преломления (NIM, negative-index materials), или левые среды (LHM, left-handed materials), рассматриваемые в данной работе. Возможность существования таких материалов и их оптические свойства были теоретически предсказаны и наиболее полно описаны В. Г. Веселаго в 1967 г. [1], также было выдвинуто предположение, среди каких веществ нужно прежде всего вести поиск, а именно среди гиротропных сред. Тем не менее, эта гипотеза впоследствии не подтвердилась, и только в 2000 г. Смиту и его коллегам из Калифорнийского университета в Сан-Диего удалось изготовить метаматериал на основе разрезно-кольцевых резонаторов с отрицательным показателем преломления в микроволновом диапазоне [2, 3], что положило начало целой серии работ, как теоретических, так и экспериментальных, в этой области. Основным структурным элементом (метаатомом) подобных метаматиралов является разрезно-кольцевой резонатор, который можно считать аналогом колебательного контура. За счет уменьшения масштаба удалось получить аналогичные структуры и в терагерцовом диапазоне [4]. Однако для инфракрасного и оптического диапазона подобная идея уже не реализуется, так как глубина скин-слоя становится сравнимой с характерным размером метаатома, и резонансные свойства существенно ослабляются. Поэтому ряд образцов левых сред, впервые полученных [5–10] для оптического диапазона, был реализован на основе плазмонных резонансов. Главным недостатком в таких оптических метаматериалах является сильное поглощение. Однако группе Драчева и Шалаева удалось экспертментально продемонстрировать [11], что, внедряя активную усиливающую среду в состав метаматериала, можно добиться высокой степени оптической прозрачности последнего. Различные оптические явления, как линейные, так и нелинейные, происходят в левых средах иначе, чем в традиционных материалах [12]. Это в полной мере относится и к фотонным кристаллам — периодическим структурам, представляющим существенный теоретический и экспериментальный интерес [13], [14]. Так, в частности, был обнаружен новый тип фотонных запрещенных зон, не связанных с брэгговским резонансом, в одномерных фотонных кристаллах, состоящих из левых и правых слоев попеременно, так что средний по периоду показатель преломления равен нулю [15]. По своим свойствам эта запрещенная зона существенно отличается от брэгговских тем, что нечувствительна к изменению периода системы, не зависит от угла падения волны на фотонный кристалл и устойчива к дефектам, если только условие