Диссертация (1105278), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Отметим, что в [10] представлен метод расчёта некоторыхкомпонент поляризуемости резонаторов нулевой толщины по результатам численного расчёта параметров рассеяния массива таких частиц. Тем не менее,универсальной методики расчёта всех коэффициентов матрицы поляризуемости частицы произвольной формы в литературе не представлено.При переходе рабочих частот метаматериала от микроволновых к оптическим размеры частиц уменьшаются с единиц миллиметров до сотен нанометров.Создание таких мелкомасштабных структур возможно с использованием различных видов литографии.
Поскольку эти технологии планарные, то в рамкахработ по метаматериалам наиболее часто исследуются двумерные композитныеструктуры — метаплёнки. Они обладают теми же свойствами и характеристиками, что и их трёхмерные аналоги, но их изготовление относительно проще идешевле. Свойства метаплёнок удобно описывать коэффициентами прохождения и отражения.Для прогнозирования свойств метаплёнок также широко используется численное моделирование.
Обычно моделируется элементарная ячейка и используются периодические граничные условия. Однако при возникновении потребности рассмотреть различные углы падения, поляризации излучения, периодырасположения резонаторов или их ориентации в метаплёнке число расчётов имашинное время пропорционально возрастают. Кроме того, такой численныйрасчёт не учитывает неидентичность размеров резонаторов в экспериментальном образце, обусловленную особенностями технологий изготовления, и влияющей на итоговый отклик метаплёнки.В связи с этим является актуальным и представляет интерес создание модели расчёта параметров метаплёнки на основе данных о поляризуемостях отдельных частиц, с учётом их неидентичности.
В работах [11, 12] был первоначально развит соответствующий подход. Однако, он рассчитан только на случайметаплёнок, составленных из частиц с диагональной матрицей поляризуемости,и не применим для частиц произвольной формы, в том числе для бианизотропных П-образных резонаторов. Отметим, что идеи [11, 12] также развиваются вработе [13].8Цели и задачиЦелью диссертационной работы является разработка методики определения эффективных параметров одиночных субволновых резонаторов произвольной формы и периодических планарных решёток из них, а также исследованиевлияния вариации геометрических и электрофизических параметров на электромагнитные свойства таких структур.В качестве одиночных резонаторов в работе рассматриваются П-образныеметаллические резонаторы, а также сферические металлические, сегнетоэлектрические и металл-диэлектрические резонаторы.Для достижения указанных целей были поставлены и решены следующиезадачи:1.
Разработка методики расчёта полной матрицы поляризуемости одиночнойчастицы.2. Исследование свойств спектров поляризуемости субволновых частиц приих различных геометрических параметрах и составляющих материалах.3. Разработка методики, позволяющей рассчитать на основе полной матрицы поляризуемости одиночной частицы коэффициенты прохождения и отражения метаплёнки, состоящей из таких частиц.4.
Экспериментальная проверка результатов расчётов в различных частотных диапазонах на различных модельных объектах.Научная новизна1. Представлена методика расчёта полной матрицы поляризуемости субволновой частицы произвольной формы.2. Впервые получена полная матрица поляризуемости металлического Побразного резонатора в широком диапазоне частот.3. Определены зависимости поведения резонансных частот, амплитуд резонансов и добротностей П-образных и сферических металлодиэлектриче-9ских резонаторов при изменении их геометрических размеров от единицмиллиметров до десятков нанометров.4.
Обобщена методика расчёта коэффициентов прохождения и отраженияметаплёнки по полной матрице поляризуемости единичных частиц на случай частиц произвольной формы.5. Показано, что методика позволяет рассчитывать коэффициенты прохождения и отражения метаплёнки в случае, когда составляющие её частицыимеют статистический разброс размеров.6. Численно и экспериментально исследованы спектральные зависимости коэффициентов прохождения и комплексных показателей преломления метаплёнок терагерцового диапазона при вариации их геометрических параметров.Теоретическая и практическая значимостьРезультаты работы могут быть использованы при создании новых материалов и устройств на основе планарных двумерных решёток из субволновыхрезонаторов (метаплёнок) работающих в микроволновом, терагерцовом и оптическом диапазонах.Разработанная методика расчёта электромагнитных характеристик метаплёнок позволяет ускорить их прототипирование, а также учесть влияние статистического разброса размеров составляющих её резонаторов.ДостоверностьДостоверность полученных результатов обеспечивается обоснованностьюсделанных допущений, согласием результатов, полученных в рамках различныхтеоритических моделей, согласием теоритических расчётов и экспериментальных результатов и успешной проверкой экспериментальных результатов соотношениями Крамерса-Кронига.10Положения, выносимые на защиту1.
Разработана методика определения матрицы дипольной поляризуемостисубволновой частицы произвольной формы по результатам несколькихчисленных моделирований рассеяния на ней плоской электромагнитнойволны. Рассчитан полный набор компонентов матрицы поляризуемостиметаллических наночастиц П-образной формы. Установлено, что главныйвклад в индуцирование значительных магнитных дипольных моментов наоптических частотах обусловлен магнитоэлектрической, а не магнитнойполяризуемостью.2. Показано, что в металлических и металлодиэлектрических субволновыхрезонаторах при приближении собственных частот резонаторов к плазменным частотам колебаний в металлах вследствие дисперсии комплексной диэлектрической проницаемости происходит перераспределение энергии, приводящее не только к ограничению роста резонансных частот приуменьшении размеров частиц, но и к увеличению добротности их колебаний.3.
Обобщена на случай частиц произвольной формы методика расчёта коэффициентов прохождения и отражения метаплёнки, исходя из полнойматрицы поляризуемости составляющих её частиц.4. Установлено, что уширение резонансов в спектрах прохождения и отражения метаплёнок, наблюдавшееся в СВЧ-эксперименте со сферическимисегнетоэлектрическими резонаторами, объясняется разбросом диаметровчастиц и может быть учтено в теоретических расчётах путём статистического усреднения коэффициентов прохождения и отражения модельныхметаплёнок, составленных из одинаковых частиц.5. Экспериментально продемонстрировано, что в метаплёнках терагерцового диапазона на резонансных частотах имеет место скачок показателяпреломления, который в среднем составляет 0,2–0,4, сопровождающийсяростом показателя поглощения. Амплитуда эффектов увеличивается приусилении связи между соседними резонаторами.11Апробация результатов работыРезультаты работы были представлены на следующих международных ивсероссийских конференциях и школах-семинарах:1.
XII Всероссийская школа-семинар «Волновые явления в неоднородныхсредах» («Волны-2010»). Звенигород. 2010.2. XIII Всероссийская школа-семинар «Физика и применение микроволн»(«Волны-2011»). Звенигород. 2011.3. XIII Всероссийская школа-семинар «Волновые явления в неоднородныхсредах» («Волны-2012»). Звенигород. 2012.4. The Sixth International Congress on Advanced Electromagnetic Materials inMicrowaves and Optics (Metamaterials 2012).
Saint-Petersburg. 2012.5. Пятая Международная конференция «Акустооптические и радиолокационные методы измерений и обработки информации» (Armimp-2012) Суздаль. 2012.6. VII Международная конференция «Фундаментальные проблемы оптики»(«ФПО-2012»). Санкт-Петербург. 2012.7. XIV Всероссийская школа-семинар «Физика и применение микроволн»(«Волны-2013»). Можайск. 2013.8. International Conference on Coherent and Nonlinear Optics (ICONO 2013).Moscow. 2013.9. SPIE Optics + Photonics 2013.
San Diego. 2013.10. XIV Всероссийская школа-семинар «Волновые явления в неоднородныхсредах» («Волны-2014»). Можайск. 2014.Кроме того, изложенные в диссертации результаты неоднократно докладывались и обсуждались на научных семинарах кафедры физики колебанийфизического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова.12ПубликацииОсновные результаты работы отражены в 14 публикациях, в том числев 4 статьях в рецензируемых научных журналах из списка ВАК [14–17] и 10тезисах и трудах конференций [18–26].Структура и объём диссертацииДиссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка сокращений и условных обозначений и списка использованных источников.
Общийобъём составляет 146 страниц. Диссертация включает 49 рисунков, 4 таблицыи библиографию, состоящую из 146 наименований.13ГЛАВА 1Обзор литературы1.1.Метаматериалы и метаплёнкиМетаматериал — это искусственная композитная среда, содержащая ча-стицы, у которых характерный размер l и расстояние между друг другом pмного меньше длины волны внешнего падающего электромагнитного излучения λ:l, p λ(1.1)Электромагнитный отклик такой среды определяется как геометрией исимметрией структуры, так и свойствами материалов, из которых состоит композит. Стоит отметить, что метаматериалы состоят в близком родстве с другимтипом широко известных композитных структур — фотонными кристаллами.Разница между ними состоит лишь в том, что фотонными кристаллами называются среды, чья рабочая длина волны для внешнего излучения сопоставима сразмерами неоднородности композита, а в метаматериалах длина волны многобольше размеров неоднородностей.Подобно обычным средам, электродинамические свойства метаматериаловудобно описывать с помощью параметров эффективной магнитной и диэлектрической проницаемости.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
