(48-6) 01 * << * >> * Русский * English * Содержание * Все выпуски

Неоднородные киральные метаматериалы: анализ отражения оптических волн с учетом дисперсии материальных параметров
Д.Н. Панин 1, О.В. Осипов 1

1 ПГУТИ – Поволжский государственный университет телекоммуникаций и информатики,
443010, Россия, г. Самара, ул. Льва Толстого, д. 23

  PDF, 1791 kB

DOI: 10.18287/2412-6179-CO-1443

Страницы: 809-815.

Аннотация:
В работе рассматривается планарный киральный метаматериал оптического диапазона, материальные параметры (диэлектрическая и магнитная проницаемости, а также параметр киральности) которого зависят от частоты и одной пространственной координаты. Математическая модель указанной метаструктуры базируется на известных дисперсионных моделях диэлектрической и магнитной проницаемостей, а также параметра киральности. Рассмотрена задача о падении плоской линейно поляризованной оптической волны на планарный слой из кирального метаматериала. Разработана методика расчета коэффициентов отражения оптической волны от рассматриваемой неоднородной киральной структуры, которая базируется на использовании метода дифференциальной прогонки. При построении математической модели был произведен учет кросс-поляризации поля оптической волны, заключающийся в возникновении ортогональных компонент при взаимодействии поля с киральным метаматериалом. Решение задачи было сведено к матричному дифференциальному уравнению относительно неизвестных коэффициентов отражения основной и кросс-поляризованной компонент оптического поля. Рассмотрены киральные метаматериалы с линейным и параболическим профилями неоднородности. По результатам численного расчета коэффициентов отражения основной и кросс-поляризованной компонент поля было доказано, что неоднородность материальных параметров приводит к значительному снижению уровня отражения кросс-поляризованной компоненты оптической волны. Показано, что использование неоднородных киральных слоев позволяет также понизить уровень отражения основной компоненты оптического поля.

Ключевые слова:
оптическая волна, киральный метаматериал, неоднородность, дисперсия, отражение, кросс-поляризация.

Благодарности
Работа выполнена при поддержке Министерства науки и высшего образования в рамках Научно-образовательного центра «Инженерия будущего» (2021 год).

Цитирование:
Панин, Д.Н. Неоднородные киральные метаматериалы: анализ отражения оптических волн с учетом дисперсии материальных параметров / Д.Н. Панин, О.В. Осипов // Компьютерная оптика. – 2024. – Т. 48, № 6. – С. 809-815. – DOI: 10.18287/2412-6179-CO-1443.

Citation:
Panin DN, Osipov OV. Inhomogeneous chiral metamaterials: optical wave reflection analysis with regard to the dispersion of material parameters. Computer Optics 2024; 48(6): 809-815. DOI: 10.18287/2412-6179-CO-1443.

References:
  1. Capolino F. Theory and phenomena of metamaterials. Boca Raton: Taylor & Francis – CRC Press; 2009.
  2. Engheta N, Ziolkowski RW. Metamaterials: Physics and engineering explorations. Hoboken: Wiley; 2006.
  3. Iyer AK, Alù A, Epstein A. Metamaterials and metasurfaces – Historical context, recent advances, and future directions. IEEE Trans Antennas Propag 2020; 68(3): 1223-1231. DOI: 10.1109/TAP.2020.2969732.
  4. Zheludev NI. A roadmap for metamaterials. Opt Photonics News 2011; 22: 31-35. DOI: 10.1364/OPN.22.3.000030.
  5. Shcherbakov MR, Neshev DN, Hopkins B. Enhanced third-harmonic generation in silicon nanoparticles driven by magnetic response. Nano Lett 2014; 14(11): 6488-6492. DOI: 10.1021/nl503029.
  6. Kumar SN, Naidu KCB, Banerjee P, Anil Babu T, Venkata Shiva Reddy B. A review on metamaterials for device applications. Crystals 2021; 11: 518. DOI: 10.3390/cryst11050518.
  7. Lindell IV, Sihvola AH, Tretyakov SA, Viitanen AJ. Electromagnetic waves in chiral and bi-isotropic media. London: Artech House; 1994.
  8. Lakhtakia A, Varadan VK, Varadan VV. Time-harmonic electromagnetic fields in chiral media. Berlin, Heidelberg, Boston: Springer-Verlag; 1989.
  9. Caloz C, Sihvola AH. Electromagnetic chirality, Part 1: The microscopic perspective [Electromagnetic perspectives]. IEEE Antennas Propag Mag 2020; 62(1): 58-71. DOI: 10.1109/MAP.2019.2955698.
  10. Plum E, Fedotov VA, Zheludev NI. Optical activity in extrinsically chiral metamaterial. Appl Phys Lett 2088; 93(19): 191911. DOI: 10.1063/1.3021082.
  11. Shalaev VM. Optical negative-index metamaterials. Nat Photon 2007; 1: 41-48. DOI: 10.1038/nphoton.2006.49.
  12. Smith DR, Pendry JB, Wiltshire MCK. Metamaterials and negative refractive index. Science 2004; 305: 788-792. DOI: 10.1126/science.1096796.
  13. Smith DR, Padilla WJ, Vier DC, Nemat-Nasser SC, Schultz S. Composite medium with simultaneously negative permeability and permittivity. Phys Rev Lett 2000; 84: 4184-4187. DOI: 10.1103/PhysRevLett.84.4184.
  14. Shelby RA, Smith DR, Schultz S. Experimental verification of a negative index of refraction. Science 2001; 292: 77-79. DOI: 10.1126/science.1058847.
  15. Pendry J. A chiral route to negative refraction. Science 2004; 306: 1353-1355. DOI: 10.1126/science.1104467.
  16. Veselago VG. The electrodynamics of substances with simultaneously negative values of ε and μ. Soviet Physics Uspekhi 1968; 10: 509. DOI: 10.1070/PU1968v010n04ABEH003699.
  17. Pendry JB, Holden AJ, Stewart WJ, Youngs I. Extremely low frequency plasmons in metallic mesostructures. Phys Rev Lett 1996; 76: 4773. DOI: 10.1103/PhysRevLett.76.4773.
  18. Shelby RA, Smith DR, Schultz S. Experimental verification of a negative index of refraction. Science 2001; 292: 77. DOI: 0.1126/science.1058847.
  19. Pendry JB. Negative refraction makes a perfect lens. Phys Rev Lett 2000; 85: 3966. DOI: 10.1103/PhysRevLett.85.3966.
  20. Lakhtakia A, Varadan VV, Varadan VK. Field equations, Huygens’s principle, integral equations, and theorems for radiation and scattering of electromagnetic waves in isotropic chiral media. J Opt Soc Am A 1988; 5(2): 175-184. DOI: 10.1364/JOSAA.5.000175.
  21. Silverman MP. Reflection and refraction at the surface of a chiral medium: comparison of gyrotropic constitutive relations invariant or noninvariant under a duality transformation. J Opt Soc Am A 1986; 3(6): 830-837. DOI: 10.1364/JOSAA.3.000830.
  22. Tretyakov SA Electrodynamics of complex media: chiral, bi-isotropic and some bianisotropic materials [In Russian]. Radiotekhnika i elektronika 1994; 39(10): 1457-1470.
  23. Zhao R, Koschny T, Soukoulis CM. Chiral metamaterials: retrieval of the effective parameters with and without substrate. Opt Express 2010; 18(14): 14553-14567. DOI: 10.1364/OE.18.014553.
  24. Prudêncio FR, Silveirinha MG. Optical isolation of circularly polarized light with a spontaneous magnetoelectric effect. Phys Rev A 2016; 93: 043846. DOI: 10.1103/PhysRevA.93.043846.
  25. Sihvola AH. Temporal dispersion in chiral composite materials: A theoretical study. J Electromagn Waves Appl 1992; 6(7): 1177-1196.
  26. Semchenko IV, Tretyakov SA, Serdyukov AN. Research on chiral and bianisotropic media in Byelorussia and Russia in the last ten years. Prog Electromagn Res 1996; 12: 335-370. DOI: 10.2528/PIER94112800.
  27. Condon E. Theories of optical rotatory power. Rev Mod Phys 1937; 9(4): 432-457. DOI: 10.3367/UFNr.0019.193803d.0380.
  28. Moiseeva NM. The calculation of eigenvalues modes of the planar anisotropic waveguides for various angles the optical axis. Computer Optics 2013; 37(1): 13-18. DOI: 10.18287/0134-2452-2013-37-1-13-18.
  29. Zharov A, Fierro V, Celzard A. Resonant absorption in an inhomogeneous disordered metamaterial: First-principles simulation. Phys Rev A 2022; 106(1): 013504. DOI: 10.1103/PhysRevA.106.013504.

© 2009, IPSI RAS
Россия, 443001, Самара, ул. Молодогвардейская, 151; электронная почта: journal@computeroptics.ru; тел: +7 (846) 242-41-24 (ответственный секретарь), +7 (846) 332-56-22 (технический редактор), факс: +7 (846) 332-56-20