深亚波长功率;双曲超材料

文摘

双曲超材料可以操纵电磁波的衰减波转换成电波传播,从而支持光传播没有衍射极限。摘要深亚波长聚焦(或浓度)数值和实验演示了使用双曲超材料。结果验证双曲超材料可以集中一个广泛的平行光束光斑大小~λ₀/ 6使用有线介质正常和倾斜入射的设计。非磁性设计,no-cut-off操作,易磁化方向传播的这些材料显著降低电磁波的衰减。

---

在传统材料,主要是由于衰减波的衍射极限,实现亚波长信息。因此,预测subdiffraction-limited图像需要衰减波的复苏。负折射率材料(NIM),它同时具有负介电常数和负磁导率,首先从理论上研究了Veselago 1968年(1]。许多年以后,彭迪理论上研究尼姆的板可以用来制造“完美透镜”(2]。从那时起,各种设计探索,和负折射已经证明从微波光学频率3- - - - - -9]。实现镜头使用NIM实际上是相当困难的是负的和非常敏感的频率,和理想条件只能满足在精心挑选的频率。尼姆的一些属性是基于共振磁组件的电磁(EM)波,从而遭受由于共振的耗散能量损失,从而降低成像系统的分辨率显著(10- - - - - -12]。最近,负折射效应和负折射成像的提议,并演示了在不定超材料(13- - - - - -22]。不定超材料是各向异性材料,其中一个或多个组件的介电常数张量有负号而另一些人是积极的,从而导致双曲线色散关系。这些材料是因此也称为双曲超材料(摘要)。在一个二维成像系统(假设材料是无磁性),色散关系可以表示为 在哪里ω是角频率,c光速在自由空间吗,,是波数(或空间频率)在横向方向上x,传播方向z,分别和自由空间。相比与传统的各向同性材料的圆形色散关系(图1(一)(图)和椭圆的关系1 (b))在各向异性材料有限的介电常数(,),无限期超材料的色散曲线(,)是双曲如图1 (c)。从(1),我们有 为一个椭圆色散材料有一个理论截止空间频率向量在另一方面是没有限制hyperbolically分散材料的色散关系。假设沿光轴z方向,对于这样一个系统是由传递函数 当和,没有任何高空间频率截止不同的来。这意味着HMM可以将传统媒体的隐失波转化为传播波。嗯的损失也扮演着重要的角色在性能不同k嗯组件可能有不同的传播长度;因此,k向量衰减不同。

此外,光在一个嗯传播一些首选方向(13]。的色散图嗯(图1 (c)),传播的角度z设在可以计算的这取决于介电常数张量的分量的比例x和z的方向。注意,高空间频率成分更容易传播对双曲线的渐近线比低空间频率向量变化非常缓慢如图所示,。因此,双曲色散曲线产生的两个首选的传播方向沿双曲线的渐近线。为了验证这一点,我们模拟了辐射模式的点源嗯和。如图2(一个),渐近线定义角谱边界和首选的传播方向。

这种效应可以用来制造一个镜头聚焦束成一个超小的地方,在较大孔径用于激发高空间频率成分。如图2 (b)从这样一个光圈,光线传播方向的渐近线,集中在十字路口。注意所有嗯的聚焦波浪传播波。这种效应也可以扩展成三维(3 d)配置。因此,高空间频率成分和首选的传播方向给了我们信心,实现亚波长集中使用一块的嗯。相反,负折射率材料可以平坦的镜头,但关注广泛的平行光束到深亚波长光斑尺寸可能需要透镜的曲面区域(23]。

镜头的另一个特点是集中的位置是不敏感的入射角。验证亚波长集中在嗯板在不同入射角度,一些3 d数值模拟进行软件使用Lumerical FDTD的解决方案。在模拟中,嗯与有效介电常数介质(,)是假设。模拟进行垂直入射和斜入射20°,以及由此产生的场分布数据所示3(b)和3分别(c)。显然验证集中使用HMM结构在两种不同的入射角度。此外,入射角的20°现货只有一个小转移焦点的距离。原因是集中地点的位置取决于材料的属性,或者更确切的说的比率(),。

尼姆相比,摘要更容易制造,只在一个方向需要负介电常数,它不依赖于核磁共振。另外,大多数超材料本质上是各向异性(21,22,24]。在本文中,我们还展示了演示实验使用嗯深亚波长聚焦。嗯结构可以实现使用有线介质设计的并行数组进行电线是介电材料的嵌入在一个矩阵如图4(一)。线介质结构展示小说GHz地区的电磁特性。在有线介质,平行导线分开一定的晶格常数,,由于这个周期安排,有效的等离子体频率()可以推导出电子的集体振荡(7,25)和给药 在哪里一个晶格常数和r金属线的半径。与平行入射波极化、有线介质可以有效介电常数的特征的方向传播。等离子体频率以下,介电常数()成为负数,在等离子体频率变得积极。然而,当电场不再平行导线,导线中展览空间色散(25]。HMM中使用的几何参数设计,也就是说,导线半径和晶格常数远小于波长的空间(入射电磁波的)。因此,这种媒介可以被视为一个同质的有效介质(26]。印刷电路板(pcb)作为介质,和铜是用作金属线像完美的电导体(压电陶瓷)在微波频率。非常薄的金属线嵌入定期的PCB板的厚度一个。这些铜线蚀刻PCB的顶部表面,平行板的宽度。使用的铜线的半径大约是0.1毫米,以及由此产生的结构的晶格常数一个= 2毫米。一个PCB板的尺寸是12厘米2.5厘米0.2厘米。65这样的板堆叠在一起彼此行动等同于有线介质结构如图4 (b)。沿着传播方向的介电常数37.49−34.58 GHz的等离子体频率计算(4)。在实验设置(图5从喇叭天线),一束平行事件的嗯板沿金属线的方向。天线是直接由同轴电缆从矢量网络分析仪从4.0到5.8 GHz频率。圆孔直径80毫米的面具是用铝的定义输入梁和激发高空间频率成分在孔径边缘。板的中心位置和传输光束对齐作为垂直入射下的参考。

电磁波传播通过板被映射的近场扫描探针是由运动控制器通过控制虚拟仪器编程。测量完成x和y观察的方向,和最好的质量在5.48 GHz。验证,光从一个大的apperture大小(Φ80毫米)可以聚焦deep-subwavelength图像大小9大约9毫米/ 6在正常发病率和11所示11毫米(/ 5)20°的入射角。实验结果如图6(一)和6 (b)。然而,我们所做的实验在不同入射角度在20°,30°,和40°,发现集中实现角度,并相应地将把重点转移。倾斜角度越大,越大的转变的焦点。如果进一步缩小光圈的大小,重点还观察到,但用不同的焦距。因此,线中支持传播的传播模式入射角。

总之,我们报道超级聚焦(浓度)使用嗯基于有线介质设计。数值和实验验证了该聚焦在兆赫频率不同的入射角度。实验证实,高空间频率成分可以用一把锋利的兴奋apperture广泛的平行光束。的亚波长聚焦/ 6已经证明。这可能是因为高空间频率耦合组件的首选方向传播嗯。目前使用线介质实现嗯是有利的在微波频率。这种现象可以进一步探索纳米的应用,光学镊子,太阳能电池,nanowaveguide耦合器,光存储。

确认

承认的捐助者的美国化学学会石油部分研究基金支持的研究和放射免疫研究计算技术支持。数值模拟是基于FDTD从Lumerical解决方案,解决方案公司(http://www.lumerical.com/)。

引用

1. v . g . Veselago”物质的电动力学,同时负的ε和μ”,苏联物理学Uspekhi,10卷,第514 - 509页,1968年。视图:谷歌学术搜索
2. j·b·彭迪“负折射使一个完美的镜头,”物理评论快报,卷85,不。18日,第3969 - 3966页,2000年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
3. r·a·谢尔比·d·r·史密斯和s·舒尔茨,“负折射率的实验验证,”科学,卷292,不。5514年,第79 - 77页,2001年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
4. a . a . Houck j·b·布洛克和i . l .壮族“实验观测的左手材料,遵循斯涅尔定律,“物理评论快报,卷90,不。13篇文章ID 137401 4页,2003。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
5. 刘张x和z,“超级透镜克服衍射极限。”自然材料,7卷,不。6,435 - 441年,2008页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
6. 方n、h·李,c .太阳和x张“Sub-diffraction-limited银超透镜光学成像,”科学,卷308,不。5721年,第537 - 534页,2005年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
7. j·b·彭迪a·j·霍尔顿,w·j·斯图尔特和扬斯,“极低频等离子体在金属中构造,“物理评论快报,卷76,不。25日,第4776 - 4773页,1996年。视图:谷歌学术搜索
8. a·贝瑞m . Mulot m . Swillo et al .,“负折射在红外波段二维光子晶体,”物理评论快报,卷93,不。7篇文章ID 073902 4页,2004。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
9. c .罗s·g·约翰逊,j . d . Joannopoulos和j·b·彭迪”金属光子晶体,没有负负折射指数”光学表达,11卷,不。7,746 - 754年,2003页。视图:谷歌学术搜索
10. m . e .狼出生并成长的,光学原理:电磁理论的传播,光的干涉和衍射剑桥大学出版社,1999年版,7日。
11. j . o . Dimmock”,左手材料的损失。”光学表达,11卷,不。19日,2397 - 2402年,2003页。视图:谷歌学术搜索
12. 中情局拉金和仓库管理员,“不完美的完美的镜头,”纳米快报,5卷,不。2、339 - 343年,2005页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
13. d . r .史密斯和d史锐克电磁波传播媒体与不定介电常数和磁导率张量,”物理评论快报,卷90,不。7篇文章ID 077405 4页,2003。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
14. d . r .史密斯,p . Kolinko, d .史锐克“负折射不定期的媒体,”美国光学学会学报B,21卷,不。5,1032 - 1043年,2004页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
15. m . Cheng和r·陈,“大积极的和消极的横向变化从各向异性材料板由一个金属,”中国物理快报,26卷,不。1,文章ID 014101, 2009。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
16. w·严l .沈l .跑和j·a .香港“表面模式在各向同性介质和不确定的媒体之间的接口,“美国光学学会杂志》上,24卷,不。2、530 - 535年,2007页。视图:谷歌学术搜索
17. y l .张问:Wang赵,w•乔和j .赵”模式包含无限的三明治结构的超材料,表面”《微波和毫米波技术国际会议(ICMMT 10)2010年5月,页1669 - 1672。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
18. d . r .史密斯,d .史锐克j . j .模拟p . Kolinko和p .黑麦、“部分辐射板的不确定媒体的关注,“应用物理快报,卷84,不。13日,2244 - 2246年,2004页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
19. r . Wangberg j . Elser e·e·Narimanov和v . a . Podolskiy“非磁性纳米复合材料的光学和红外负折射率媒体,”美国光学学会学报B,23卷,不。3、498 - 505年,2006页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
20. 雅各z l . v . Alekseyev, e . Narimanov“光学hyperlens:远场成像超越衍射极限,”光学表达,14卷,不。18日,第8256 - 8247页,2006年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
21. b .木材、j·b·彭迪和d·p·蔡”导演亚波长成像使用分层的金属电介质系统。”物理评论B,卷74,不。115116年11日文章ID, 8页,2006。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
22. g . y . Liu Bartal x张,“All-angle负折射成像在批量介质制成的金属纳米线在可见区域,”光学表达,16卷,不。20日,第15448 - 15439页,2008年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
23. j·b·彭迪“完美的圆柱透镜”,光学表达,11卷,不。7,755 - 760年,2003页。视图:谷歌学术搜索
24. w . Cai、d . a . Genov和v . m . Shalaev“超透镜金属电介质复合材料的基础上,”物理评论B,卷72,不。19日,ID 193101条,4页,2005。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
25. p . a .别洛夫r .品牌,美国即Maslovski et al .,“强大的空间色散线媒体在很大的波长极限下,“物理评论B,卷67,不。113103年11日文章ID, 4页,2003。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
26. j . Elser r . Wangberg v . a . Podolskiy和e·e·Narimanov”与极端的光学各向异性纳米线超材料”,应用物理快报,卷89,不。26日,文章ID 261102, 3页,2006。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索

版权

版权©2012 Amanpreet Kaur et al。这是一个开放分布式下文章知识共享归属许可,它允许无限制的使用、分配和复制在任何媒介,提供最初的工作是正确引用。