авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:     | 1 | 2 || 4 | 5 |

Пространственно-временные структуры электромагнитных волн в диспергирующих средах в явлениях самовоздействия, электромагнитно индуцированной прозрачности, тран

-- [ Страница 3 ] --

В этой модели ток IR, текущий в СРР, связывается с микроскопическим магнитным полем H' в среде с помощью формул

L dIR/dt =-(Rr2/c)dH'/dt –U-RIR,

CdU/dt =IR,

где L,C,R – индуктивность, емкость и сопротивление СРР, U – разность потенциалов в зазоре СРР, Rr – радиус кольца, c- скорость света. Намагниченность среды определяется через концентрацию СРР-ов в среде и ток по формуле

M=(Nm/2c)R2rIR,

а макроскопическое и микроскопическое поля связаны соотношением Лоренц-Лоренца

H'=H+(8/3)M.

Плотность тока <j>, входящая в уравнения Максвелла, определяется через электрическое поле в волне E:

LwS(d<j>/dt) + <j> = S/dcell2E,

где – проводимость, Lw - самоиндукция, S- эффективное сечение прямых проводников (структурных элементов метаматериала, обеспечивающих «плазменную» дисперсию) и dcell - размер элементарной ячейки метаматериала.

На основе этой микроскопической модели получены линейные дисперсионные характеристики эффективной среды. В пункте 4.1.2 производится обобщение микроскопической модели метаматериала, в которую вводятся нелинейные элементы. Продемонстрировано, что гистерезисная зависимость магнитной восприимчивости от интенсивности поля позволяет изменять свойства среды от лево- на правосторонние и наоборот.

В пункте 4.1.3 приводятся результаты численного моделирования полученных уравнений FDTD (finite-difference time-domain)-кодом; рассматривается одномерный случай. Показано, что нелинейные левосторонние метаматериалы могут поддерживать как TE-, так и TM-поляризованные самозахваченные локализованные пучки - пространственные электромагнитные солитоны. Такие солитоны возникают в виде одногорбого и многогорбых пучков, бывают симметричными или антисимметричными, и они могут существовать из-за гистерезисного типа магнитной нелинейности и возникновения эффективных областей отрицательной магнитной проницаемости.

В пункте 4.1.4 изучается двумерное прохождение электромагнитных волн через конечный слой диэлектрического материала с отрицательной рефракцией. В случае, когда диэлектрический слой обладает нелинейным откликом, зависящим от интенсивности, наблюдается нелинейное просветление непрозрачного слоя, сопровождаемое генерацией пространственно-временных солитонов.

В разделах 4.2 и 4.3 обсуждаются электродинамические свойства слоистых сред, в структуру которых входят слои левостороннего метаматериала. В разделе 4.2 рассматриваются квазиволноводные режимы линейного распространения двумерных электромагнитных пучков в слоистой среде (одномерном фотонном кристалле), состоящей из слоев обычного (“правостороннего”) диэлектрика (воздуха) и левостороннего метаматериала. Оказывается, что при некоторых условиях такая слоистая структура может обеспечить периодическую коррекцию фазового фронта волнового пучка и таким образом напоминает хорошо известную “линзовую среду”.

Условия квазиволноводного распространения пучков TE и TM поляризации а также соответствующие дисперсионные соотношения для реализации такого режима найдены в пункте 4.2.1, а в пункте 4.2.2 обсуждаются полученные результаты. Направление распространения волноводных мод совпадает с углом Брюстера, что обеспечивает отсутствие отражений на границах слоев. Отсутствие расплывания пучка в периодической слоистой структуре, состоящей из слоев диэлектрика (,) толщиной a и слоев воздуха (=1, =1) толщиной b, выполняется при условии

a/b=-2/.

В фотонном кристалле с такими параметрами кривизна фазового фронта волнового пучка TM поляризации не меняется (остается плоской) на периоде структуры. Для TE поляризации эта формула переписывается как a/b=-2/. Очевидно, что это условие выполняется лишь в среде с <0 (<0), то есть в среде с левосторонними слоями.

При распространении в рассматриваемой слоистой среде волновой пучок испытывает сильные пространственные осцилляции интенсивности и ширины, которые являются результатом периодической фокусировки и дефокусировки поля (см. рис.4). На фоне этих сильных периодических осцилляций наблюдается медленное дифракционное расплывание и снижение интенсивности с ростом дистанции, которое однако оказывается значительно слабее, чем для пучка с той же начальной структурой, но распространяющегося в вакууме.

Рис.5 Пространственное распределение интенсивности при квазиволноводном распространении волнового пучка в слоистой среде (одномерном фотонном кристалле), включающей слои левостороннего метаматериала. Падение пучка под углом Брюстера снижает переотражение от границ слоев, а при определенных параметрах фотонного кристалла на периоде структуры восстанавливается плоский фазовый фронт.


Продемонстрировано, что такие волноводные моды могут быть как прямыми, так и обратными в зависимости от величины проницаемости и восприимчивости левосторонних слоев.

В разделе 4.3 проанализировано прохождение электромагнитных волн через одномерную периодическую слоистую структуру, состоящую из слоев левостороннего метаматериала и обычного диэлектрика и влияние на ее пропускные свойства дефекта периодичности, который представляет собой центральный слой левостороннего материала с измененной (по сравнению с другими слоями) толщиной. Рассматривается случай нормального падения.

В пункте 4.3.1 на основе микроскопической модели левостороннего метаматериала, состоящего из проводников и СР резонаторов, изучаются свойства пропускания такой слоистой структуры в запрещенной зоне, которая связана с нулевым усредненным показателем преломления <n>=0. Запрещенная зона такого типа возникает лишь в слоистых структурах с левосторонними слоями, положение этой зоны (т.е. частотный диапазон) локализовано вблизи от собственной частоты СРР, а трансформационные свойства (конечной) слоистой структуры в области запрещенной зоны с <n>=0 оказываются слабо чувствительными к возможным сдвигам (нарушению периодичности при поддержании условия <n>=0 ) положения слоев. В пункте 4.3.2 приводятся результаты численного моделирования; изучаются похожие черты и отличия мод, связанных с дефектами, возбуждаемых для двух типов запрещенной зоны – обычной брэгговской и зоны с <n>=0. Показано, что возбуждение мод дефекта может существенно усилить прохождение волны через структуру.

В разделе 4.4 исследуется физика нелинейных магнитоиндуктивных волн в левосторонних композитных метаматериалах.

В пункте 4.4.1 построена эффективная дискретная модель, которая описывает распространение магнитоиндуктивных волн в решетке СР резонаторов. В пункте 4.4.2 выведены связанные уравнения для описания распространения линейных магнитоиндуктивных волн, найдено дисперсионное соотношение. В пункте 4.4.3 проведено обобщение полученных результатов на случай нелинейной намагниченности. Показано, что в нелинейном режиме магнитный отклик метаматериала может стать бистабильным. В пункте 4.4.4 проанализирована модуляционная неустойчивость различных нелинейных состояний. В пункте 4.4.5 показано, что нелинейные метаматериалы могут поддерживать распространение нелинейных волн типа кинков (перепадов), соединяющих области с положительной и отрицательной намагниченностью.

В разделе 4.5 рассматриваются механизм усиления нелинейного отклика метаматериала, содержащего двухслойные наночастицы, представляющие из себя ядро из нелинейного диэлектрика (D+D(3)E2), покрытое металлической оболочкой (M()).

В пункте 4.5.1 на основе простой модели сферической наночастицы показано, что в этих металло-диэлектрических частицах существуют две собственные дипольные моды, связанные с возбуждением поверхностных плазмонов. Для собственных мод частицы (полный радиус частицы R) с сердцевиной (радиус сердцевины a, толщина металлической оболочки R-a) из нелинейного диэлектрика (радиус сердцевины a, толщина металлической оболочки R-a, фактор заполнения =(a/R)3), помещенной в диэлектрическую матрицу с проницаемостью H, выполняется дисперсионное соотношение

(D+2M())(2H+M()+2(M()-D)(H-M())=0.

Учитывая сильную частотную зависимость проницаемости металла (плазменная дисперсия в модели Друде M()=1-p2/2), это условие определяет две собственные частоты плазмонов. В пункте 4.5.2 находится нелинейный отклик “одетой” наночастицы и анализируется нелинейный отклик среды, содержащей одетые наночастицы такого типа. Показано, что при достижении условий двойного резонанса, когда основная частота излучения находится в резонансе с низкочастотным плазмоном, а ее третья гармоника - в резонансе с высокочастотным плазмоном, имеет место гигантское усиление нелинейности. Проведенные оценки показывают, что условия двойного резонанса достаточно легко выполняются при взаимодействии оптического излучения и наночастиц с ядром из нелинейного диэлектрика (вычисления проводились для нескольких типичных нелинейных диэлектриков) и серебряной оболочкой. В расчетах при выполнении условий двойного резонанса достигается усиление нелинейности на полтора-два порядка.

В ГЛАВЕ 5 рассматривается проблема создания субволновых изображений за счет использования ближних полей (проблема совершенной линзы). Глава написана по результатам публикаций [13*,14*,24*].

Анализируя ход лучей на границе воздуха и левосторонней среды, можно заметить, что плоский слой левостороннего метаматериала с ==-1 фокусирует лучи от точечного источника на одной стороне от слоя в точку на другой стороне от слоя, то есть создает его изображение. Более того, такая “совершенная линза” (линза Пендри) может также реконструировать ближние поля источника, в результате чего в принципе создается идеальное изображение [21].

Диссипативные процессы в слое метаматериала приводят к тому, что “совершенная” линза перестает быть совершенной: ее разрешение снижается при увеличении поглощения и толщины ЛСМ слоя; кроме того, существуют дополнительные условия на положение плоскости источника и плоскости изображения линзы, что ограничивает возможность ее применения. Отдельно стоит вопрос о динамике формирования изображения, что оказывается особенно существенным, если изображаемый объект со временем перемещается.

В разделе 5.1 построена теория, описывающая динамику и взаимодействие поверхностных электромагнитных волн, резонансно возбуждаемых сторонним источником в слое левостороннего метаматериала ==-1, который образует совершенную или “суперлинзу”. Показано, что возможность получения субволновых изображений с помощью суперлинзы связана с вырождением спектра собственных поверхностных электромагнитных мод на границах слоя метаматериала. Анализ проводится лишь для медленных (нераспространяющихся) гармоник с q=k/k0 >1. Однако, поскольку возможность субволнового изображения определяется именно медленными гармониками, то это ограничение не влияет на полученные результаты, касающиеся пределов разрешения линзы.

В пункте 5.1.1 обсуждается постановка задачи и формулируются исходные уравнения. В пункте 5.1.2 с помощью метода расщепления поля выводится динамическая система укороченных уравнений для медленных амплитуд поверхностных электромагнитных волн в условиях их слабого перекрытия. Поле справа от линзы (z>d) представляется в виде суммы

H = A(q) exp[-|k0(z+a)|(q2-1)1/2]+A1exp[-|k0z|(q2-1)1/2]+A2exp[-|k0(z-d)|(q2-1)1/2],

где первое слагаемое определяется вкладом от источника, а второе и третье – соответственно вкладами от поверхностных волн на левой и правой границах линзы (толщина линзы равна d, а источник расположен слева от нее на расстоянии a). Динамические уравнения для амплитуд поверхностных волн имеют вид

dA1/d+A1=ibA2-i,

dA2/d+A2=ibA1,

где =t, F=(2q2-1)'+' функция, определяемая дисперсией среды,

=|q|(Im()+Im())/F(,q) – коэффициент затухания, b=4(q2-1)exp(-k0d(q2-1)1/2)/F(,q) – частота биений взаимодействующих поверхностных мод, =4(q2-1)A(q)exp(-k0a(q2-1)1/2)/F(,q) – функция источника.

В пункте 5.1.3 находятся стационарные решения укороченных уравнений, которые адекватно описывают изображения неподвижного источника. Проведенный анализ позволяет найти для суперлинзы предел разрешения изображения, обусловленный потерями в метаматериале. Максимальное поперечное волновое число определяется соотношением

q* (k0d)-1ln[4/(Im()+Im()],

то есть логарифмически слабо зависит от потерь в среде, но существенно уменьшается при увеличении толщины линзы.

На основе полученных динамических уравнений изучены процессы формирования субволновых изображений: в пункте 5.1.4 рассматривается формирование суперлинзой изображения импульсного источника, и в пункте 5.1.5 строятся изображения движущихся (движущегося с постоянной скоростью и осциллирующего в пространстве) источников. При движении источника возникают дополнительные ограничения на минимальный разрешаемый масштаб. Второе критическое волновое число

q**[(Im + Im )/(2k0V')]1/2,

определяющее минимальный масштаб разрешения, появляется как следствие черенковского эффекта. Если источник движется со скоростью V вдоль левостороннего слоя (вдоль линзы), то может возникнуть фазовый синхронизм между баунс-осцилляциями поверхностных мод на левой и правой границах линзы и пространственной гармоникой в спектре источника, для которой

qk0V = B.

В результате такого черенковского синхронизма пространственная гармоника резонансным образом усиливается в спектре изображения, и если ее амплитуда в спектре источника не слишком мала, то изображение разрушается. Таким образом, предел разрешения при движении источника будет определяться минимальным значением из q* и q**.

В разделе 5.2 рассматривается новый тип совершенной линзы, частным случаем которой является линза Пендри. Линза представляет собой плоский слой анизотропного (двоякопреломляющего) материала, и, в общем случае, неодинаковым образом преломляет плоские волны различных поляризаций. Обсуждается несколько возможных приложений двоякопреломляющих левосторонних линз, таких, как разделение пучков и ближнепольная диагностика на субволновых масштабах.

В пункте 5.2.1 показано, что двоякопреломляющая среда с тензорами диэлектрической и магнитной проницаемости вида







Pages:     | 1 | 2 || 4 | 5 |
 

Похожие работы:










 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.