Диссертация (1105278)
Текст из файла
МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТИМЕНИ М.В. ЛОМОНОСОВАФИЗИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТКАФЕДРА ФИЗИКИ КОЛЕБАНИЙНа правах рукописиТЕРЕХОВ ЮРИЙ ЕВГЕНЬЕВИЧЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ ОТКЛИК МЕТАПЛЁНОК01.04.03 РадиофизикаДИССЕРТАЦИЯна соискание учёной степеникандидата физико-математических наукНаучный руководитель:кандидат физ.-мат. наукдоцент Белокопытов Г.
В.Москва 20142СодержаниеВведение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .5Глава 1 Обзор литературы . . . . . . . . . . . . . . . . . .131.1. Метаматериалы и метаплёнки. . . . . . . . . . . . . .1.2. Области применения метаматериалов13. . . . . . . . . . .161.3. Методы расчёта характеристик метаматериалов . . . . . . .201.3.1. Модель колебательного контура . . .
. . . . . . . .211.3.2. Матрица поляризуемости24. . . . . . . . . . . . .1.3.3. Расчёт свойств метаплёнок на основании поляризуемостейотдельных резонаторов. . . . . . . . . . . . . .271.4. Ограничения, налагаемые на поляризуемости частиц . . . . .281.5. Выводы . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .29Глава 2 Матрица поляризуемости субволновых резонаторов.31. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .312.2. Методика расчёта поляризуемостей . . . . . . . . . . . .322.2.1. Общие уравнения . . . . . . . . . . .
. . . . . .322.2.2. Электрический дипольный момент. . . . . . . . .342.2.3. Магнитный дипольный момент . . . . . . . . . . .362.2.4. Определение компонент матрицы поляризуемости . . .372.1. Введение2.3. Численное решение задачи рассеяния методом конечных элементов в COMSOL Multiphysics. . . . . . . . . . . . . . .392.4.
Дипольные поляризуемости сферических частиц . . . . . . .432.5. Дипольные поляризуемости П-образных частиц.Результаты численного расчёта и обсуждение . . . . . . . .472.5.1. Распределение полей в резонансах . . . . . . . . . .472.5.2.
Спектры коэффициентов поляризуемости . . . . . . .502.5.3. Наклонное падение . . . . . . . . . . . . . . . .532.6. Влияние вариации геометрических параметров на частотные зависимости . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .5432.6.1. Зависимость резонансной длины волны от высоты резонатора. . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . .542.6.2. Зависимость резонансной длины волны от глубины ёмкостного зазора. . . . . . . . . . . . . . . . . . .562.7. Выводы по главе 2. . . . . . . . . . . . . . . . . . .57Глава 3 Размерные зависимости поляризуемости . . . . .
. .593.1. Введение. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .3.2. Спектры коэффициентов поляризуемости59. . . . . . . . .613.2.1. Электрическая поляризуемость . . . . . . . . . . .663.2.2. Магнитная и магнитоэлектрическая поляризуемости . .683.3. Масштабные зависимости резонансных частот и добротности.703.4. Обсуждение . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . .723.5. Выводы по главе 374. . . . . . . . . . . . . . . . . . .Глава 4 Модель расчёта коэффициентов прохождения и отражения бианизотропной метаплёнки. . . . . . . . . . . . .75. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .754.2. Аналитические соотношения . . . . . . . . .
. . . . . .764.3. Результаты расчёта коэффициентов прохождения и отражения844.4. Выводы по главе 4884.1. Введение. . . . . . . . . . . . . . . . . . .Глава 5 Влияние статистического разброса размеров частиц нахарактеристики метаплёнок . . . .
. . . . . . . . . . . .895.1. Введение89. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .5.2. Образцы, установка и эксперимент. . . . . . . . . . . .895.3. Сравнение эксперимента и теории . . . . . . . . . . . . .925.3.1. Аналитичиские выражения и расчёты . . . . . . . .925.3.2. Результаты первоначального расчёта . . .
. . . . . .945.3.3. Статистическое усреднение . . . . . . . . . . . . .955.3.4. Обсуждение . . . . . . . . . . . . . . . . . . .975.4. Выводы по главе 5. . . . . . . . . . . . . . . . . . .1004Глава 6 Экспериментальное и теоретическое исследование метаплёнок в терагерцовом диапазоне частот . . . .
. . . . . .1016.1. Введение. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1016.2. Экспериментальные образцы . . . . . . . . . . . . . . .1016.3. Экспериментальная установка. . . . . . . . . . . . . .1066.4. Обработка экспериментальных данных . . . . . . . . . . .1086.5. Определение материальных параметров ситаллаСТ-50-1 в терагерцовом диапазоне . . .
. . . . . . . . . .1126.6. Численное моделирование метаплёнок с использованием периодических граничных условий . . . . . . . . . . . . . . . .6.7. Результаты и обсуждение. . . . . . . . . . . . . . . .1151186.7.1. Сравнение результатов эксперимента и численного моделирования . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1186.7.2. Эффективные показатели преломления и поглощения метаплёнок. . . .
. . . . . . . . . . . . . . . .1236.7.3. Проверка корректности результатов с помощью соотношений Крамерса-Кронига. . . . . . . . . . . . . .124. . . . . . . . . . . . . . . . . . .127Заключение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . .128Список сокращений и условных обозначений . . . . . . . . .130Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1316.8. Выводы по главе 65ВведениеАктуальность работыОдной из актуальных задач современной физики является создание материалов, обладающих новыми необычными электромагнитными свойствами,не встречающимися у обычных природных материалов. Эту задачу призванырешить метаматериалы — искусственные композитные структуры, состоящиеиз малых субволновых частиц, помещённых в диэлектрическую матрицу, илирасположенных на подложке. Так же как твёрдые вещества состоят из атомов, расположенных в узлах кристаллической решётки, так и метаматериалы вбольшинстве случаев представляют собой массивы периодически расположенных макроскопических частиц — «мета-атомов».Свойства обычных веществ определяются составляющими их частицами(атомами, молекулами, ионами), а электромагнитные характеристики метаматериалов определяются составляющими их «мета-атомами».
Однако, если параметры и структура самих атомов фиксированы, то свойства их макроскопических аналогов можно целенаправленно проектировать путём изменения ихгеометрии, материала или периода расположения. Это открывает большие перспективы в получении желаемого электромагнитного отклика.Метаматериалы перспективны для создания сред с отрицательными илиблизкими к нулю показателями преломления, всевозможных линз, различныхантенн, фильтров, абсорберов и модуляторов, в том числе в активно исследуемом терагерцовом диапазоне, и многих других устройств.
Кроме того, использование метаматериалов открывает пути создания маскирующих устройств [1, 2].Преимуществом метаматериалов является возможность масштабирования размеров «мета-атомов», позволяющая получать требуемый электромагнитный отклик в любом части спектра.Интерес к метаматериалам возник на рубеже XX и XXI веков, в связис возможностью получения сред с отрицательным эффективным показателемпреломления. Основы в этом направлении были заложены в 1967 году работойВеселаго [3]. Возможность экспериментальной реализации таких сред появилась в 1999, когда Пендри предложил [4] использовать для получения отрица-6тельной магнитной проницаемости периодические массивы из пары вложенныхдруг в друга металлических резонаторов С-образной формы.
Такие резонаторы получили название кольцевых (SRR, split-ring resonator). В 2000 Пендрипредложил концепцию «суперлинзы» [5], представляющей собой плоскопараллельную пластинку с отрицательным показателем преломления, и позволяющую получать изображение объекта с разрешением, превосходящим дифракционный предел. В том же году группа Смита продемонстрировала [6] первуюэкспериментальную реализацию метаматериала с отрицательным показателемпреломления, основанную на использовании комбинации металлических стерженьков и С-образных резонаторов.При продвижении рабочих частот метаматериалов с отрицательным показателем преломления в области терагерцовых, инфракрасных, а потом и оптических частотах форма резонаторов претерпела существенную эволюцию, ив настоящее время «каноническим» строительным блоком является металлический резонатор П-образной формы [7,8].
Кроме сред с отрицательным показателем преломления активно исследуется метаматериалы обладающие близкими кнулю значениями проницаемостей, бианизотропией и свойствами хиральности.Большинство научных работ по метаматериалам фокусируется на рассмотрении коллективных свойств массивов частиц, таких как эффективные проницаемость, показатель преломления или коэффициенты прохождения и отражения. При этом исследованию свойств отдельных частиц уделяется значительноменьшее внимание, хотя именно они определяют электромагнитный отклик.Кроме того, отдельные субволновые частицы могут использоваться в качествеизлучателей или элементов нанолазеров. В связи с этим, представляется актуальным и целесообразным проводить рассмотрение метаматериалов «от печки»— со свойств отдельной резонансной частицы.Характеристикой, описывающей взаимодействие электромагнитной волныс частицей является матрица поляризуемости, которая связывает внешнее полес индуцируемыми в частице дипольными электрическим и магнитным моментами.
Аналитическое решение задачи рассеяния плоской электромагнитной волны было впервые получено Густавом Ми в 1908 для случая сферической частицы [9]. Позднее решение Ми было обобщено на случай эллипсоидальных частиц,бесконечных цилиндров и сферических металлодиэлектрических резонаторов.7Аналитического решения задачи рассеяния для частиц сложной формы не существует, поэтому для её решения используются различные методы численного моделирования.
Характеристики
Тип файла PDF
PDF-формат наиболее широко используется для просмотра любого типа файлов на любом устройстве. В него можно сохранить документ, таблицы, презентацию, текст, чертежи, вычисления, графики и всё остальное, что можно показать на экране любого устройства. Именно его лучше всего использовать для печати.
Например, если Вам нужно распечатать чертёж из автокада, Вы сохраните чертёж на флешку, но будет ли автокад в пункте печати? А если будет, то нужная версия с нужными библиотеками? Именно для этого и нужен формат PDF - в нём точно будет показано верно вне зависимости от того, в какой программе создали PDF-файл и есть ли нужная программа для его просмотра.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
