МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ
реклама
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ, МЕХАНИКИ И ОПТИКИ На правах рукописи Ходзицкий Михаил Константинович УПРАВЛЕНИЕ РАСПРОСТРАНЕНИЕМ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН В МЕТАМАТЕРИАЛЬНЫХ СТРУКТУРАХ С ПЕРЕСТРАИВАЕМЫМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ Специальность 01.04.05 – оптика АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук Санкт-Петербург 2013 ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ 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 одиночных элементов, так и сплошной среды можно направленно формировать свойства метаматериалов, более того, изменяя условия резонанса, включая или выключая резонаторы, искусственных сред. можно динамично Перспективы перестраивать беспрецедентного свойства управления распространением электромагнитных волн с помощью таких материалов послужили стимулом интенсивной работы большого количества научных коллективов. внешними Динамическое полями может управление электромагнитным осуществляться при включении излучением 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. 2 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 материальными в спектре параметрами пропускания структур «левосторонних с сред» отрицательными дает возможность разработать динамические магнитоуправляемые устройства. Перспективным является также управление свойствами одиночных “атомов” метаматериалов, а также сплошной температуры, метаматериальной среды посредством изменения 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. 3 Для достижения цели решались следующие задачи: 1. Создание непрерывного программно-управляемого режима на основе макета смешения ТГц частот спектрометра излучения двух полупроводниковых лазеров полутора-микронного диапазона длин волн для исследования спектров пропускания метаматериалов. 2. Разработка проницаемости методик измерения искусственных сред на эффективной основе диэлектрической анализа спектральных характеристик фотонного кристалла и положения областей прозрачности “левосторонней среды”. 3. Определение Таммовского возможности поверхностного управления состояния, положением возбужденного на частоты 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 La0.775Sr0.225MnO3 и мелкослоистой периодической структуры феррит/полупроводник, помещенной в волновод в миллиметровом диапазоне частот. 5. Исследование электромагнитных возможности волн в управления магнитной распространением 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 субмиллиметровом диапазоне длин волн. 4 моды плазмонного резонанса в Методы исследования: Экспериментальные получены с терагерцового спектральные использованием диапазона характеристики методики частот и метаматериалов импульсной методики измерения спектроскопии 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 моделирование процессов волноводного зонда. распространения Трехмерное численное электромагнитных волн в исследуемых структурах проводилось с помощью програмы CST Microwave Studio. Математическое численное моделирование слоистых структур методом матриц передачи проводилось в программе Matlab. Защищаемые положения: 1. Экспериментально и численно 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. Экспериментально и численно доказано появление динамически управляемых “левосторонних” свойств в мелкослоистой периодической структуры в феррит\полупроводник и слое перовскита-манганита La0.775Sr0.225MnO3 при воздействии внешним магнитным полем при условии электронного спинового резонанса в миллиметровом диапазоне длин волн. Экспериментально исследованы магниторезонансные 5 свойства перовскита-манганита La0.775Sr0.225MnO3 и получено значение его намагниченности насыщения: 300±10 Гс. 3. Экспериментально продемонстрирована отрицательная рефракция в призме из перовскита-манганита La0.775Sr0.225MnO3 и в призме из мелкослоистой периодической структуры феррит\полупроводник при воздействии внешним магнитным полем при миллиметровом условии диапазоне длин положительной\отрицательной электронного спинового резонанса в волн. Показано, рефракции в что призме переключением из метаматериала возможно управлять при помощи внешнего магнитного поля. 4. 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 77-300К возможно управлять изменением температуры. Числено доказана возможность получения динамически управляемой невидимости цилиндрических объектов, помещенных в волновод, посредством использования маскирующих гофрированных конденсаторами с динамически изменяющейся емкостью диапазоне длин волн. Экспериментально покрытий с в сантиметровом подтверждено влияние геометрических размеров П-образных резонаторов метапленки на положение частоты моды плазмонного резонанса в частотном диапазоне 0,1–1 ТГц. 5. Разработана методика измерения диэлектрической проницаемости метаматериала на основе определения эффективной плазменной частоты мелкослоистой левосторонней среды. Получена частотная дисперсия диэлектрической проницаемости перовскита-манганита La0.775Sr0.225MnO3 в миллиметровом диапазоне дин волн и определена его плазменная частота 40.95±1ГГц 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 %. 6 Апробация основных результатов: Результаты диссертационной работы апробировались на 10 международных и российских конференциях: EuMW Conference (Париж, Франция, 2010), Days on Diffraction (СанктПетербург, 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. РАБОТЫ, ОПУБЛИКОВАННЫЕ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ Статьи в индексируемых журналах, рекомендованных ВАК: 1. Khodzitsky M. K., Kalmykova T. V., Tarapov S. I. et al. Left-handed behavior of strontium-doped lanthanum manganite in the millimeter waveband // Applied Physics Letters. 2009. Vol. 95. № 8. P. 082903-082905. 2. Khodzitsky M. K., Bulgakov A. A., Shramkova O. V. et al. Transmission of electromagnetic waves in a magnetic fine-stratified structure // JOSA B. 2009. Vol. 26. № 12. P. 156-160. 3. Ходзицкий М. К., Белозоров Д. П., Тарапов С. И. и др. Таммовских состояний в магнитофотонных кристаллах Особенности в сверх- высокочастотном диапазоне // Материаловедение. 2009. T. 5. C. 22-25. 4. Тарапов С. И., Ходзицкий М. К., Черновцев С. В. и др. Управление частотой таммовского СВЧ состояния // Физика твердого тела. 2010. Т. 52. № 7. С. 1332-1335. 5. Khodzitsky M. K., Tarapov S. I., Belozorov D. P. et al. Negative permittivity and left-handed behavior of doped manganites in millimeter waveband // Applied Physics Letters. 2010. Т. 97. № 13. С. 131912-131915. 7 6. Возианова А. В., Ходзицкий М. К. Маскирующее покрытие на основе спиральных резонаторов// Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2012. № 4 (80). С. 28–34. 7. Веденеев А. В., Ионина Н. В., Орлов В. В., Рохмин А.С., Седых Е.А., Ходзицкий М.К., Козлов С.А. Система накачки инфракрасным излучением для источника непрерывного терагерцового излучения с программным управлением // Научно-технический вестник инфор-мационных технологий, механики и оптики. 2012. № 4(80). С. 23-28. 8. Терехов Ю. Е., Ходзицкий М. К., Белокопытов Г. В. Характеристики метапленок для терагерцового диапазона частот при масштабировании геометрических параметров // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2013. № 1(83). С. 55-60. 9. Gurvitz E. A., Sedykh E. A., Khodzitskiy M. K. Nonlinear cloaking at microwave frequencies // Proc. SPIE. 2012. Vol. 8455. P. 845532-1-845532-6. Главы книги: 10. Girich A, Khodzitsky M., Nedukh S., Tarapov S. Experimental Analysis of Metamaterials’ Spectra to Design Tunable THz-GHz Passive Devices // Terahertz and Mid Infrared Radiation. Springer. 2011. P. 159-164. 11. Khodzitsky M., Nedukh S. Microwave Features of Optic Photonic Crystals // Terahertz and Mid Infrared Radiation. Springer. 2011. P. 123-126. Статьи в других изданиях: 12. Tarapov S. I., Khodzitsky M. K., Сhernovtsev S. V. et al. The mmW band Tamm states in one-dimensional magnetophotonic crystals // Solid State Phenomena. 2009. Vol. 152-153. P. 394-396. 13. Khodzitsky M. K., Kostylyova O. V., Shramkova O.V. et al. Surface waves on the interface of magneto-photonic crystal and semiconductor // In.: Proceedings of 3rd International Congress on Advanced Electromagnetic Materials in Microwaves and Optics. London. UK. 2009. P.230-232. 8 14. Khodzitsky M. K., Girich A. A., Tarapov S. I. et al. Experimental investigation of left-handed medium properties of semiconductor-ferrite composite in millimetre waveband // In.: Proceedings of 3rd International Congress on Advanced Electromagnetic Materials in Microwaves and Optics. London. UK. 2009. P.590-592. 15. Khodzitsky M. K., Kalmykova T. V., Tarapov S. I. et al. Amplification of intensity of Tamm peak on the boundary LHM/photonic crystal // In.: Proceedings of 3rd International Congress on Advanced Electromagnetic Materials in Microwaves and Optics. London. UK. 2009. P.647-649. 16. Khodzitsky M. K., Danin V. O., Tarapov S. I. Experimental verification of left-handed properties of manganite-perovskite metamateral in microwave band // In.: Proceedings of International Conference “Days on Diffraction”. Russia. Saint Petersburg. 2010. P.110-111. 17. Tarapov S. I., Belozorov D. P., Khodzitsky M. K. Technique of measuring the effective constitutive parameters of metamaterials// In.: IEEE Proceedings of 2nd Int. THz Radiation Workshop. Turkey. Turunch-Marmaris. 2010. P.259-260. 18. Shramkova O. V., Khodzitsky M. K., Tarapov S. I. et al. Microwave properties of magnetic periodic multilayered structures // In.: EuMA Proceedings of European Microwave Week Conference. France. Paris. P. 1421-1424. 19. Girich A. A., Khodzitsky M. K., Shramkova O. V. et al. Influence of dissipative processes on the propagation of electromagnetic waves in a magnetic fine-stratified structure // In.: IEEE Proceedings of International Symposium on Physics and Engineering of Microwaves, Millimeter and Submillimeter Waves. Ukraine. Kharkov. 2010. P. 1-3. 20. Nedukh S. V., Girich A. A., Kharchenko A. A., Khodzitsky M. K. et al. Magnetoresonance features of strontium-doped lanthanum manganites-perovskites in microwave band // In.: IEEE Proceedings of International Symposium on Physics and Engineering of Microwaves, Millimeter and Submillimeter Waves. Ukraine. Kharkov. 2010. P. 1-3. 21. Strashevskyi A. V., Khodzitsky M. K., Tarapov S. I. Photonic crystals based on manganite-perovskite structure// In.: IEEE Proceedings of International 9 Symposium on Physics and Engineering of Microwaves, Millimeter and Submillimeter Waves. Ukraine. Kharkov. 2010. P. 1-3. 22. Kharchenko G. O., Khodzitskiy M. K., Nedukh S.V. Investigation of surface oscillations in photonic crystal bounded with thin manganite film// In.: IEEE Proceedings of International Symposium on Physics and Engineering of Microwaves, Millimeter and Submillimeter Waves. Ukraine. Kharkov. 2010.P.1-3. 23. Polevoy S. Yu., Chernovtsev S. V., Khodzitskiy M. K., Tarapov S. I. Recording of electromagnetic field distribution in 1D-periodical structures// In.: IEEE Proceedings of International Symposium on Physics and Engineering of Microwaves, Millimeter and Submillimeter Waves. Ukraine. Kharkov.2010. P.1-3. 24. Girich A., Khodzitsky M., Tarapov S. Experimental verification of negative refraction of semiconductor-ferrite prism in millimeter waveband // In.: Proceedings of 4th International Congress on Advanced Electromagnetic Materials in Microwaves and Optics. Germany. Karlsruhe. 2010. P.159-161. 25. Kharchenko G., Khodzitsky M., Kharchenko P. Spectra peculiarities of bi- periodical magnetophotonic crystal in microwave band// In.: Proceedings of 4th International Congress on Advanced Electromagnetic Materials in Microwaves and Optics. Germany. Karlsruhe. 2010. P.564-566. 26. Терехов Ю. Е., Ходзицкий М. К., Журавлев А. В., Белокопытов Г. В. Расчёт характеристик метаплёнок в ТГц диапазоне при масштабировании геометрических параметров // В кн.: Труды VII международной конференции «Фундаментальные проблемы оптики» «ФПО – 2012». Россия. СанктПетербург. 2012. С.346-348. 27. Гурвиц Е. А., Седых Е. А., Ходзицкий М. К. Нелинейное управление параметрами гофрированного маскирующего покрытия // В кн.: Труды VII международной конференции «Фундаментальные проблемы оптики» «ФПО – 2012». Россия. Санкт-Петербург. 2012. С.348-350. 10
