Диссертация (1105126), страница 18

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 18)

Эторазличие может быть настолько большим, что один из показателей преломления станетотрицательным. В [180] было предложено использовать трехмерные спирали как базовыйструктурный элемент метаматериала с отрицательных показателем преломления. В [184]обсуждалась возможность достижения отрицательного показателя преломления при84упорядочивании хиральным образом металлических сферических наночастиц. Такжерассматриваласьвозможностьполученияизотропногоматериала,обладающегоотрицательным показателем преломления [185].

Недавно был получен [42] трехмерныйхиральный метаматериал, обладающий отрицательным показателем преломления втерагерцовомдиапазонечастот.Экспериментальноустановлено[186,187],чтотрехмерные хиральные метаматериалы могут демонстрировать гигантскую оптическуюактивность и обладать циркулярным дихроизмом в микроволновом диапазоне частот. В[121,188–190] было показано что планарные (двухмерные) хиральные метаматериалы,являющиеся более простыми в изготовлении, чем трехмерные структуры, также могутдемонстрировать оптическую активность. Многократно усилить этот эффект удаетсядобавлениемвторогометаллическогослоякпланарномуметаматериалу[191,192,40,193,129].

В результате два металлических слоя такой структуры расположеныв параллельных, повернутых друг относительно друга плоскостях, а пространство междуними заполнено диэлектриком. Резонанс токов, текущих в металлических слоях в одномнаправлении,обеспечиваетотрицательнуюдиэлектрическуюпроницаемостьметаматериала, а резонанс токов, текущих в противоположных направлениях, являетсяпричиной сильного магнитного отклика этой среды. Оптическая активность в такихструктурах может быть настолько сильной, что показатель преломления одной изциркулярно поляризованных компонент поля становится отрицательным [129,193].

В[193,194] рассматривались планарные метаматериалы, состоящие более чем из двух слоев.Было показано, что при их конструировании нужно тщательно учитывать взаимноевлияние соседних элементарных ячеек.В [195–197] экспериментально показана возможность изготовления планарныххиральных метаматериалов, по-разному пропускающих циркулярно поляризованноеизлучение в прямом и обратном направлениях. Такого эффекта ранее удавалось достичьтолько при использовании внешнего магнитного поля, вектор напряженности которогонаправлялся в ту же сторону, куда распространялось излучение. Недавно былапродемонстрированавозможностьассиметричногопропусканиялинейнополяризованного света ультратонкими хиральными трехслойными метаматериалами[198,199].

В [200] был изготовлен образец состоящий из не имеющих вращательнойсимметрии трехмерных «метаатомов», и было показано, что он ассиметрично пропускаетизлучение с произвольным состоянием поляризации.Интерес к метаматериалам, состоящим из периодически расположенных в видедвумерной решетки трехмерных спиралей, в последнее время возрастает из-завозможности их применения в компактных элементах управления поляризацией85сверхкороткого лазерного импульса (см [43] и приведенный в ней список литературы).Такие структуры имеют существенно различные коэффициенты пропускания циркулярнополяризованных импульсов с противоположным направлением вращения векторанапряженностиэлектрическогополяиперспективны[43]дляполученияпривлекательного для различных приложений [201–203] циркулярно поляризованногосвета.

Традиционные для монохроматических волн способы получения циркулярнополяризованного света, основанные на использовании пластинки толщиной в четвертьдлины волны или холестерического жидкого кристалла с очень малым рассогласованиеммежду шагом его спиральной структуры и длиной распространяющейся волны,неприемлемы в случае сверхкоротких лазерных импульсов из-за их широкого спектра.В работе [43] экспериментально продемонстрирована возможность использованияметаматериала, состоящего из трехмерных металлических винтовых спиралей, в качествеширокополосного тонкопленочного циркулярного поляризатора электромагнитногоизлучения.

С помощью коммерческих вычислительных программ анализировались[204,205] спектральные свойства такого устройства. Использование метаматериала,структурной ячейкой которого являются две специальным образом ориентированныесоосные спирали, позволяет расширить частотный диапазон такого циркулярногополяризатора более чем на пятьдесят процентов [205] по сравнению с предложенным в[43]. Если структурная ячейка содержит большее число соосных спиралей, то отношениесигнала к шуму в таком устройстве значительно улучшается [204]. В [44] показано, чтоиспользование полимерного образца, состоящего всего из восьми периодов спиральнойструктуры, способно обеспечить двадцатикратное различие между усредненнымикоэффициентамипрохожденияправополяризованнойилевополяризованнойсоставляющих падающего излучения при отсчитываемых от оси структуры углах падения(отклонении от нормального падения) меньших семи градусов.

Проведенный в той жеработе расчет показал, что в случае нормального падения данное отношение сравнимо споказателями коммерческих образцов изоляторов Фарадея.Работ,посвященныхисследованиювлияниянелинейногооткликасреды,образующей транслируемую структурную ячейку метаматериала в виде трехмернойвинтовой спирали, насколько нам известно, не существует.Насколько нам известно, эксперименты по наблюдению нелинейной оптическойактивности в метаматериалах, состоящих из трехмерных винтовых спиралей, еще непроводились.В данной главе метод конечных разностей во временной области (FDTD) применендля исследования влияния параметров структурной ячейки (в первую очередь количества86полных витков трехмерной винтовой спирали) полимерного метаматериала, аналогичногоиспользованному в экспериментальной работе [44], на пропускание и отражениенормально падающего на образец эллиптически поляризованного света.

Обсуждаетсявозникновениеоптическихрезонансов,обуславливающихразительноеотличиеоптических свойств используемого метаматериала при прохождении через негоциркулярно поляризованного излучения с противоположным направлением вращениявекторов напряженности электрического поля. Также рассматривается более общийслучай, когда транслируемой структурной ячейкой метаматериала является содержащаянесколько полных витков спираль, изготовленная по технологии [44] из обладающегобезынерционнойкубическойнелинейностьюматериала.Обсуждаетсявлияниеинтенсивности падающего эллиптически поляризованного импульса на поляризационныехарактеристики излучения на выходе из метаматериала.§ 3.2. Постановказадачииособенностипространственнойдискретизацииуравнений Максвелла.

Численная дисперсия, анизотропия и устойчивостьприменяемой расчетной схемыПусть плоская электромагнитная волна распространяется вдоль оси z в тонкойРис. 3.2.1. Схематическое изображение структуры метаматериала.87пространственно-периодической среде, в которой транслируемой с постояннымипериодами вдоль осей x , y структурной ячейкой является содержащая n полных витковправая (левая) спираль с шагом h (см. рис. 3.2.1), из изотропного непроводящегоматериала с диэлектрической проницаемостью  1 (ось z параллельна оси спирали) иобладающего безынерционной кубической нелинейностью (3D-задача).Уравнения Максвелла и материальные уравнения, связывающие напряженности ииндукции электрического ( E( x, y, z, t )и D( x, y, z, t ) ) и магнитного ( H( x, y, z, t ) иB( x, y, z, t ) ) полей, в этом случае могут быть записаны в виде:1 Dx H z H y 1 B y E z E x1 Bx E y E z,,,c txzc tzyc tyz(3.2.1)1 D y H x H z 1 Bz E x E y,,c tzx c tyx(3.2.2)1 Dz H y H x,c txyDi   ( x, y, z) ij E j  ax, y, z  ij kl   ik jl   il jk E j Ek El ,Bi  H i .(3.2.3)В (3.2.3)  ( x, y, z )  1 и a( x, y, z )  a1 , если точка пространства с координатами x, y, zпринадлежит спирали, и  ( x, y, z )  1 , a( x, y, z)  0 , если нет.Для пространственной дискретизации уравнений Максвелла нами использовалсяметод конечных разностей, при реализации которого декартовы компоненты векторовнапряженностейэлектрическогоимагнитногополейвычислялисьвцентрахэлементарных ячеек (схема Liu [206]).

По сравнению с более распространеннымподходом, в котором компоненты векторов напряженности электрического и магнитногополей находятся на разнесенных в пространстве декартовых сетках, наш подходперспективен для применения в задачах нелинейной оптики, поскольку, в отличие отлинейной задачи, материальные уравнения теперь не распадаются на независимыеуравнения для декартовых компонент поля. Кроме того, если декартовы компонентывекторов напряженности электрического и магнитного полей не вычисляются в одной итой же точке элементарной ячейки, то для решения материальных уравнений требуютсяведущие к потере эффективности и точности дополнительные интерполяционныепроцедуры. Как и в схеме [206], нами использовались несимметричные выражения дляпространственных производных на совмещенной сетке.

Это позволило избавиться отчисленных осцилляций решения (numerical oscillations due to odd–even decoupling) [207],появляющихся при использовании центральных разностных аппроксимаций на такихсетках. Увеличение порядка аппроксимации позволило преодолеть типичные для схемвторого порядка аппроксимации недостатки, связанные с большей численной дисперсиейи анизотропией схем на совмещенных сетках.88Рассмотрим равномерную декартову сетку и состоящий из r  l  1 точек шаблон наней ( l  r ).

Характеристики

Список файлов диссертации