Управление распространением электромагнитных волн в метаматериальных структурах с перестраиваемыми характеристиками Ходзицкий, Михаил Константинович

Введение к работе

Актуальность темы

В последние годы интенсивно развиваются исследования новых перспективных искусственных структур с необычными свойствами - метаматериалов. В электромагнетизме "метаматериал" является объектом, который приобретает материальные свойства от своей структуры вместо того, чтобы унаследовать их непосредственно от материалов, из которых он составлен. Этот термин часто используется, когда полученный материал обладает свойствами, которых не имеют естественно сформированные вещества. Потенциальные применения метаматериалов охватывают все области, в которых используется электромагнитное излучение - от космических систем до медицины: узкополосные и широкополосные фильтры, модуляторы, суперлинзы, ответвители, маскирующие покрытия и т.д.

В отличие от обычных материалов "атомами" метаматериалов являются электромагнитные резонансные структуры в виде полуволновых элементов, колец со щелью, спиралей, металлических полос и т.д. Изменяя форму, размеры, взаимное расположение резонаторов, материальные параметры как одиночных элементов, так и сплошной среды можно направленно формировать свойства метаматериалов, более того, изменяя условия резонанса, включая или выключая резонаторы, можно динамично перестраивать свойства искусственных сред. Перспективы управления распространением электромагнитных волн с помощью таких материалов послужили стимулом интенсивной работы большого количества научных коллективов. Динамическое управление электромагнитным излучением внешними полями может осуществляться при включении в состав метаматериалов природных магнетиков, полупроводников, сегнетоэлектриков, жидких кристаллов.

Одним из наиболее интересных направлений является исследование способов динамического управления распространением электромагнитных волн в магнитных метаматериалах с помощью внешнего магнитного поля. Использование магнетиков, например ферритов, в составе фотонного кристалла (такие периодические метаматериальные структуры получили название магнитофотонные кристаллы - МФК) дает возможность управления их спектральными свойствами в режиме реального времени путем изменения внешнего магнитного поля. Изменение положения зон пропускания / непропускания в спектре МФК; резонансных пиков пропускания в зоне непропускания МФК (поверхностных Таммовских колебаний); областей прозрачности в спектре пропускания структур с отрицательными

материальными параметрами «левосторонних сред» дает возможность разработать динамические магнитоуправляемые устройства. Перспективным является также управление свойствами одиночных "атомов" метаматериалов, а также сплошной метаматериальной среды посредством изменения температуры, мощности излучения или взаимного положения/размеров элементов метаматериала. Таким образом, актуальность темы связана с тем, что экспериментальное и теоретическое исследование динамической реакции/отклика метаматериальной структуры на внешнее воздействие является важным этапом в разботке новых типов управляемых приборов и устройств миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов длин волн с перестраиваемыми характеристиками (коэффициент пропускания/ отражения, затухание, рабочая частота), а также улучшении характеристик существующих приборов.

Целью работы является экспериментальное исследование динамического управления распространением электромагнитных волн в ограниченных композитных структурах на основе метаматериалов (фотонных кристаллах, мелкодисперсных структурах с отрицательным показателем преломления, маскирующих покрытиях, метапленках с П-образными резонаторами) с помощью внешнего магнитного поля, температуры, мощности излучения и изменения размеров элементов метаматериала.

Для достижения цели решались следующие задачи:

1. Создание программно-управляемого макета ТГц спектрометра непрерывного режима на основе смешения частот излучения двух полупроводниковых лазеров полутора-микронного диапазона длин волн для исследования спектров пропускания метаматериалов.

2. Разработка методик измерения эффективной диэлектрической проницаемости искусственных сред на основе анализа спектральных характеристик фотонного кристалла и положения областей прозрачности "левосторонней среды".

3. Определение возможности управления положением частоты Таммовского поверхностного состояния, возбужденного на границе магнитофотонного кристалла и метаматериала (фотонного кристалла и системы из проволок), в спектре пропускания метаматериала при помощи внешнего магнитного поля в миллиметровом диапазоне частот.

4. Экспериментальное подтверждение магнитоуправляемой отрицательной рефракции в призме из перовскита-манганита Lao.775Sr₀.225MnO₃ и мелкослоистой периодической структуры феррит/полупроводник, помещенной в волновод в миллиметровом диапазоне частот.

5. Исследование возможности управления распространением электромагнитных волн в магнитной мелкослоистой структуре феррит\полупроводник при изменении толщины слоев и температуры окружающей среды в миллиметровом диапазоне частот.

6. Получение управления огибанием электромагнитными волнами цилиндрических объектов, помещенных в волновод, посредством использования маскирующих гофрированных покрытий с конденсаторами с динамически изменяющейся емкостью в сантиметровом диапазоне длин волн.

7. Анализ влияния геометрических размеров П-образных резонаторов метапленки на положение частоты моды плазмонного резонанса в субмиллиметровом диапазоне длин волн.

Методы исследования:

Экспериментальные спектральные характеристики метаматериалов получены с использованием методики импульсной спектроскопии терагерцового диапазона частот и методики измерения S-параметров четырехполюсника с помощью векторного анализатора цепей (Agilent Network Analyzer PNA-L N5230A) в миллиметровом диапазоне длин волн. Для исследования магниторезонансных свойств метаматериалов использовался метод электронного спинового резонанса. Для исследования распределения напряженности электрического поля вдоль фотонного кристалла в миллиметрового диапазоне длин волн применялся метод малых возмущений и метод ближнеполевого волноводного зонда. Трехмерное численное моделирование процессов распространения электромагнитных волн в исследуемых структурах проводилось с помощью программы CST Microwave Studio. Математическое численное моделирование слоистых структур методом матриц передачи проводилось в программе Matlab.

Защищаемые положения:

1. Экспериментально подтверждено влияние геометрических размеров П- образных резонаторов метапленки на положение частоты моды LC резонанса в частотном диапазоне 0,1-1 ТГц. Численно доказана возможность получения динамически управляемой невидимости цилиндрических объектов, помещенных в волновод, посредством использования маскирующих гофрированных покрытий с конденсаторами с изменяющейся емкостью в сантиметровом диапазоне длин волн. Экспериментально показано, что распространением электромагнитных волн в магнитной мелкослоистой

структуре феррит\полупроводник при условии электронного спинового резонанса в миллиметровом диапазоне длин волн в диапазоне температур 77300 К возможно управлять изменением температуры.

7. 1. Показано, что положением частоты Таммовского поверхностного состояния, возбужденного на границе магнитофотонного кристалла и метаматериала (фотонного кристалла и системы из проволок) в спектре пропускания возможно управлять при помощи внешнего магнитного поля в миллиметровом диапазоне длин волн. Обнаружен сдвиг частоты Таммовского пика прозрачности (узкополосной зоной пропускания) на 10% при намагничивании ферритового слоя.

   2. Доказано появление динамически управляемых "левосторонних" свойств в мелкослоистой периодической структуры феррит\полупроводник и в слое перовскита-манганита La₀₇₇₅Sr₀₂₂₅MnO₃ при воздействии внешним магнитным полем при условии электронного спинового резонанса в миллиметровом диапазоне длин волн. Экспериментально исследованы магниторезонансные свойства La₀₇₇₅Sr₀₂₂₅MnO₃ перовскита-манганита и получено значение его намагниченности насыщения: 300±10 Гс.

   3. Продемонстрирована отрицательная рефракция в призме из перовскита- манганита La₀₇₇₅Sr₀₂₂₅MnO₃ и в призме из мелкослоистой периодической структуры феррит\полупроводник при воздействии внешним магнитным полем при условии электронного спинового резонанса в миллиметровом диапазоне длин волн. Показано, что переключением положительной\отрицательной рефракции в призме из метаматериала возможно управлять при помощи внешнего магнитного поля.

   4. Разработана методика измерения диэлектрической проницаемости метаматериала на основе определения эффективной плазменной частоты мелкослоистой левосторонней среды. Получена частотная дисперсия диэлектрической проницаемости перовскита-манганита La_{0 775}Sr₀₂₂₅MnO₃ в миллиметровом диапазоне длин волн и определена его плазменная частота 40.95 ГГц с помощью этой методики. Разработана методика измерения диэлектрической проницаемости метаматериала на основе анализа зонной структуры фотонного кристалла. Получено значение диэлектрической проницаемости для чистой опаловой матрицы 2,1 и для опаловой матрицы с ферритовыми включениями 2,8. Погрешность данной методики составляет 5 %.

   Научная новизна работы:

   Определяется тем, что в ней впервые:

   7. 4. 1. Показано влияние геометрических размеров П-образных резонаторов метапленки на положение частоты моды LC резонанса в частотном диапазоне 0,1-1 ТГц. Численно продемонстрирована динамически управляемая невидимость объектов посредством использования маскирующих гофрированных покрытий с конденсаторами с изменяющейся емкостью в сантиметровом диапазоне длин волн.

         2. Показано, что положением частоты Таммовского поверхностного состояния, возбужденного на границе магнитофотонного кристалла и метаматериала в спектре пропускания возможно управлять при помощи внешнего магнитного поля в миллиметровом диапазоне длин волн.

         3. Доказано появление магнитоуправляемых "левосторонних" свойств в мелкослоистой периодической структуры феррит\полупроводник и в слое перовскита-манганита La₀VVsSr₀₂₂SMnO₃ в миллиметровом диапазоне длин волн.

         4. Показана магнитоуправляемая отрицательная рефракция в призме из перовскита-манганита La₀VvsSr₀₂₂₅MnO₃ и в призме из мелкослоистой периодической структуры феррит\полупроводник в миллиметровом диапазоне длин волн.

         5. Разработаны методики измерения диэлектрической проницаемости метаматериалов на основе определения эффективной плазменной частоты мелкослоистой левосторонней среды и на основе анализа зонной структуры фотонного кристалла.

         Достоверность полученных результатов:

         Достоверность и обоснованность результатов диссертации обеспечены использованием экспериментальных методик исследований, которые всесторонне апробированы и широко используются, и современной измерительной техники субмиллиметрового и миллиметрового диапазона длин волн (ТГц спектрометр, векторный анализатор цепей PNA-L N5230A). Основные результаты, полученные диссертантом в экспериментальных исследованиях, хорошо согласуются с данными выполненного им трехмерного численного моделирования исследуемых процессов с помощью CST Microwave Studio и математического численного моделирования слоистых структур методом матриц передачи в среде Matlab.

         Практическая ценность результатов работы:

         Результаты исследований могут быть применены при разработке устройств управления излучением субмиллиметрового и миллиметрового диапазонов длин волн: продемонстрированный эффект появления поверхностного колебания на границе фотонного кристалла может быть использован для разработки узкополосных полосно-пропускающих управляемых фильтров; разработанные макеты левосторонних сред могут быть использованы при создании управляемых ответвителей, суперлинз, широкополосных фильтров; изготовленные метапленки могут быть использованы в качестве механически управляемых полосно-запирающих фильтров; эффект динамически управляемой невидимости может быть использован для создания маскирующих покрытий. Разработанный программно-управляемый макет ТГц спектрометра непрерывного режима на основе смешения частот излучения двух полупроводниковых лазеров полутора-микронного диапазона длин волн и разработанные методики позволяют исследовать спектры пропускания и измерять диэлектрическую проницаемость метаматериалов.

         Практическая реализация результатов работы

         Результаты работы использовались при выполнении проектов в рамках государственных контрактов федеральных целевых программ.

         Апробация основных результатов: Результаты диссертационной работы апробировались на 10 международных и российских конференциях: EuMW Conference (Париж, Франция, 2010), Days on Diffraction (Санкт- Петербург, 2009, 2010, 2011), International Symposium on Physics and Engineering of Microwaves, Millimeter and Submillimeter Waves (Харьков, Украина, 2010), Int. Congress on Advanced Electromagnetic Materials in Microwaves and Optics (Лондон, Великобритания, 2009; Карлсруэ, Германия, 2010), Оптика-2011 (Санкт-Петербург, 2011), Фундаментальные проблемы оптики (Санкт- Петербург, 2012), Laser Optics (Санкт-Петербург, 2012).

         Публикации: Основные результаты диссертации изложены в 27 печатных работах, 9 из них в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

         Личный вклад:

         Автором лично спроектированы макеты фотонных кристаллов, левосторонних сред, сред из тонких проволок, проведено моделирование и эксперименты по исследованию отрицательной рефракции и возбуждения поверхностных электромагнитных колебаний на границе метаматериалов. Диссертант лично участвовал в разработке метапленок для терагерцового диапазона частот и проведении эксперимента. Автором лично проведено моделирование маскирующего гофрированного покрытия с конденсаторами с динамически изменяющейся емкостью. Диссертант лично разработал и апробировал новые методики измерения материальных параметров метаматериалов. Автор лично принимал участие в разработке программно- управляемого макета ТГц спектрометра непрерывного режима на основе смешения частот излучения двух полупроводниковых лазеров полутора- микронного диапазона длин волн для исследования спектров пропускания метаматериалов и проведении тестовых экспериментов. Автор принимал непосредственное участие в обработке и анализе всех представленных в работе экспериментальных данных, а также в написании статей, которые легли в основу данной диссертационной работы.

         Структура и объем диссертации:

         Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложения. Общий объем диссертации — 125 страниц, включая библиографию из 100 наименований. Работа содержит 50 рисунков, размещенных внутри глав.

         Похожие диссертации на Управление распространением электромагнитных волн в метаматериальных структурах с перестраиваемыми характеристиками

         

         Теоретическое исследование особенностей дисперсионных характеристик и собственных волн, вызванных усилением или поглощением, в одно- и двумерных фотонно-кристаллических структурах Козина Ольга Николаевна

         Излучение и распространение терагерцовых волн в сэндвич-структурах и метаматериалахМихайловский, Ростислав Викторович

         

         Распространение и взаимодействие электромагнитных волн в средах со спиральной структурой Семченко Игорь Валентинович

         

         Распространение электромагнитных волн в бианизотропных планарных и волоконных слоистых структурахИванов Олег Витальевич

         Взаимосвязь спектральных характеристик структуры и донорных свойств ацидо- и нейтральных лигандов в комплексах нитратов уранилаЗажогин, Александр Анатольевич

         

         Золотые пропорции в структуре и оптических характеристиках апериодических самоподобных системГрушина Наталья Владимировна

         Использование топологических характеристик лазерных спекл-структур при идентификации бактерий и тканейУльянов, Александр Сергеевич

         

         Пространственная структура и восстановление фазовых характеристик оптического спекл-поля в неоднородной средеТихомирова Ольга Владимировна

         

         Разработка оптических методов создания концентрирующих рельефно-фазовых голограммных структур и исследование их характеристикЛюбимов Александр Иванович

         Распространение поверхностных плазмон-поляритонов в слоистых структурах с управляемыми оптическими характеристикамиИгнатьева Дарья Олеговна