RU2666965C2 - Dielectric metamaterial with toroid response - Google Patents

Dielectric metamaterial with toroid response Download PDF

Info

Publication number
RU2666965C2
RU2666965C2 RU2016149847A RU2016149847A RU2666965C2 RU 2666965 C2 RU2666965 C2 RU 2666965C2 RU 2016149847 A RU2016149847 A RU 2016149847A RU 2016149847 A RU2016149847 A RU 2016149847A RU 2666965 C2 RU2666965 C2 RU 2666965C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
metamaterial
frequency
wavelength
range
working radiation
Prior art date
Application number
RU2016149847A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2016149847A (en
RU2016149847A3 (en
Inventor
Алексей Андреевич Башарин
Иван Владимирович Стенищев
Original Assignee
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС" filed Critical Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС"
Priority to RU2016149847A priority Critical patent/RU2666965C2/en
Publication of RU2016149847A publication Critical patent/RU2016149847A/en
Publication of RU2016149847A3 publication Critical patent/RU2016149847A3/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2666965C2 publication Critical patent/RU2666965C2/en

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01QANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q21/00Antenna arrays or systems

Abstract

FIELD: physics.
SUBSTANCE: invention relates to metamaterials for obtaining a strong localization of electromagnetic fields in a small region, in comparison with the wavelength. Metamaterial, which is an equilateral cell of a frequency-selective surface, consisting of a dielectric plate with four identical cylindrical apertures equidistant from each other, characterized in that, for the wavelength range of working radiation from 60 cm to 1 mcm, the ratio of the side length of the cell of the frequency-selective surface to the wavelength of the working radiation is in the range from 1.4 to 1.45, the ratio of the distance between the centers of the cylindrical holes to the wavelength of the working radiation is in the range from 0.38 to 0.42, the ratio of the radius of the cylindrical holes to the wavelength of the working radiation is in the range from 0.15 to 0.19.
EFFECT: invention can be used for prototyping optical devices of various kinds and frequency ranges, as sensor elements, as elements of nano-antennas.
1 cl, 5 dwg

Description

Изобретение относится к метаматериалам для получения сильной локализации электромагнитных полей в небольшой, по сравнению с длиной волны, областью. Изобретение может использоваться для прототипирования оптических устройств различного рода и диапазонов частот, в качестве элементов сенсоров, в качестве элементов нано-антенн.The invention relates to metamaterials for obtaining a strong localization of electromagnetic fields in a small, compared with the wavelength, region. The invention can be used to prototype optical devices of various kinds and frequency ranges, as sensor elements, as elements of nano-antennas.

Известны аналоги метаматериала для достижения описанных свойств. Например, устройство для фокусировки электромагнитного излучения в субволновой области (то есть в области, меньшей длины волны) [Zheludev N.I. at al., Super-resolution without evanescent waves // Nano letters. - 2009. - V. 9. - P. 1249-1254], состоящее из экрана с наноотверстиями для получения поля, но такой аналог сложней для изготовления.Known analogues of metamaterial to achieve the described properties. For example, a device for focusing electromagnetic radiation in a subwave region (that is, in a region shorter than a wavelength) [Zheludev N.I. at al., Super-resolution without evanescent waves // Nano letters. - 2009. - V. 9. - P. 1249-1254], consisting of a screen with nanoholes to obtain a field, but such an analogue is more difficult to manufacture.

Из уровня техники известен также метаматериал, основанный на решетках из дисков или конечных цилиндров с разными диэлектрической и магнитной проницаемостью и разным диаметром, в каждом из которых возбуждаются электрические и магнитные дипольные моменты (патент US 7750869 В2, Hossein Mosallaei). Такая структура позволяет локализовать электромагнитное излучение в массиве мета-атомов. Недостатком этого аналога является сложность в производстве частиц разного размера для терагерцового диапазона частот, а так же дороговизна конструкционного материала, поскольку для создания необходимы высокоиндексные диэлектрики.The metamaterial based on arrays of disks or end cylinders with different dielectric and magnetic permeabilities and different diameters, each of which electric and magnetic dipole moments are excited, is also known in the prior art (US Pat. No. 7,750,869 B2, Hossein Mosallaei). Such a structure allows localization of electromagnetic radiation in an array of meta-atoms. The disadvantage of this analogue is the difficulty in producing particles of different sizes for the terahertz frequency range, as well as the high cost of the structural material, since high-index dielectrics are required to create it.

Третьим аналогом является метаматериал, который представляет собой кубическую решетку диэлектрических сфер с разными геометрическими параметрами и разной диэлектрической проницаемостью (патент US 8902115 B1, Hung Loui, James Carroll, Paul G. Clem, Michael B. Sinclair). Такой метаматериал имеет низкие диэлектрические потери, но он имеет сложную технологию производства.The third analogue is metamaterial, which is a cubic lattice of dielectric spheres with different geometric parameters and different dielectric constants (patent US 8902115 B1, Hung Loui, James Carroll, Paul G. Clem, Michael B. Sinclair). Such a metamaterial has low dielectric losses, but it has a complex production technology.

Четвертым аналогом метаматериала для фокусировки электромагнитного поля является метаэкран для субволновой фокусировки (Roy Т., Rogers E.T.F., and Zheludev N.I. Sub-wavelength focusing meta-lens // Optics Express. - 2013. - Vol. 21. - P. 7577). Экран представляет набор различных элементарных ячеек, расположенных в углах квадратной решетки. Каждый элементарный мета-атом экрана подбирается особым образом в зависимости от его расположения в итоговом массиве. Падающая волна рассеивается с особо подобранной амплитудой и фазой на каждом из мета-атомов, что приводит к фокусировке электромагнитного излучения в одной, определенной точке. Метаматериал, применяющийся для фокусировки электромагнитного излучения в оптическом диапазоне частот может найти применение в фотолитографии или для хранения данных. Правильный подбор и расположение мета-атомов в экране позволяет получить суперразрешение в дальней волновой зоне экрана. Недостатком является то, что изготовление ячеек разных размеров на нано уровне достаточно сложная задача.The fourth analogue of the metamaterial for focusing the electromagnetic field is the meta-screen for subwave focusing (Roy T., Rogers E.T.F., and Zheludev N.I. Sub-wavelength focusing meta-lens // Optics Express. - 2013. - Vol. 21. - P. 7577). The screen represents a set of different unit cells located in the corners of a square lattice. Each elementary meta-atom of the screen is selected in a special way depending on its location in the resulting array. The incident wave is scattered with a specially selected amplitude and phase on each of the meta-atoms, which leads to the focusing of electromagnetic radiation at one particular point. The metamaterial used to focus electromagnetic radiation in the optical frequency range can be used in photolithography or for storing data. The correct selection and arrangement of meta-atoms in the screen allows obtaining superresolution in the far wave zone of the screen. The disadvantage is that the manufacture of cells of different sizes at the nano level is quite a difficult task.

Прототипом предлагаемого метаматериала является метаматериал, содержащий наноцилиндры, изготовленные из LiTаО3 (Alexey A. Basharin, Maria Kafesaki, Eleftherios N. Economou, Costas M. Soukoulis, Vassili A. Fedotov, Vassili Savinov, and Nikolay I. Zheludev // Phys. Rev. X 5). В данном материале используются цилиндры с радиусом 8 мкм. Недостатком данного метаматериала является дороговизна материала, из которого он изготовлен, а также сложность напыления идентичных цилиндрических микро- или наночастиц для получения цилиндрического профиля.The prototype of the proposed metamaterial is a metamaterial containing nanocylinders made of LiTaO 3 (Alexey A. Basharin, Maria Kafesaki, Eleftherios N. Economou, Costas M. Soukoulis, Vassili A. Fedotov, Vassili Savinov, and Nikolay I. Zheludev // Phys. Rev. . X 5). This material uses cylinders with a radius of 8 microns. The disadvantage of this metamaterial is the high cost of the material from which it is made, as well as the difficulty of spraying identical cylindrical micro- or nanoparticles to obtain a cylindrical profile.

Технический результат предлагаемого изобретения заключается в повышении степени локализации электромагнитных полей и снижении радиационных потерь метаматериала, и обеспечивается за счет деструктивной интерференции электрического и тороидного момента на частоте, при которой энергия этих моментов одинакова.The technical result of the invention is to increase the degree of localization of electromagnetic fields and reduce radiation losses of the metamaterial, and is ensured by the destructive interference of the electric and toroidal moment at a frequency at which the energy of these moments is the same.

Технический результат достигается тем, что предлагаемый метаматериал представляет собой равностороннюю ячейку частотно-селективной поверхности, состоящую из диэлектрической пластины с перфорированными в ней четырьмя одинаковыми цилиндрическими отверстиями, равноудаленными друг от друга, при этом, для диапазона длин волн рабочего излучения от 60 см до 1 мкм, отношение длины стороны ячейки частотно-селективной поверхности к длине волны рабочего излучения находится в диапазоне от 1,4 до 1,45, отношение расстояния между центрами цилиндрических отверстий к длине волны рабочего излучения находится в диапазоне от 0,38 до 0,42, отношение радиуса цилиндрических отверстий к длине волны рабочего излучения находится в диапазоне от 0,15 до 0,19. За счет описанной топологии частотно-селективной поверхности в метаматериале при облучении электромагнитным излучением возбуждается тороидный дипольный отклик плоской электромагнитной волной сверхвысокочастотного излучения (терагерцового или оптического диапазонов частот), происходящее вследствие возбуждения Ми-резонансных мод, которые, в свою очередь, влекут за собой осцилляцию токов смещения на поверхности цилиндрических отверстий, осцилляция токов вызывает вращение магнитных моментов, и, как результат, возникают сильно локализованные электромагнитные поля в субволновой (размером менее длины волны) области пространства.The technical result is achieved by the fact that the proposed metamaterial is an equilateral cell of a frequency-selective surface, consisting of a dielectric plate with four identical cylindrical holes perforated therein, equally spaced from each other, while for the wavelength range of the working radiation from 60 cm to 1 μm , the ratio of the side length of the cell of the frequency-selective surface to the wavelength of the working radiation is in the range from 1.4 to 1.45, the ratio of the distance between the centers of the cylindrical holes to the wavelength of the working radiation is in the range from 0.38 to 0.42, the ratio of the radius of the cylindrical holes to the wavelength of the working radiation is in the range from 0.15 to 0.19. Due to the described topology of the frequency-selective surface in the metamaterial, when irradiated with electromagnetic radiation, a toroidal dipole response is excited by a plane electromagnetic wave of microwave radiation (terahertz or optical frequency ranges), which occurs due to the excitation of Mie resonance modes, which, in turn, entail oscillation of currents displacements on the surface of cylindrical holes, current oscillation causes the rotation of magnetic moments, and, as a result, strongly locales arise associated electromagnetic fields in a subwavelength (less than wavelength) region of space.

Для создания метаматериала могут быть использованы только пластины с высоким значением диэлектрической проницаемости. При этом, от величины диэлектрической проницаемости зависит диапазон частот, в котором проявляется технический результат предлагаемого метаматериала. Таким образом, выбирая диэлектрическую проницаемость пластины, можно подстраивать частоту тороидного резонанса. Возбуждение тороидного отклика - это результат взаимодействия между Ми-резонансными магнитными модами отверстий. Резонансная частота тороидной моды близка к частоте Ми-резонанса одиночного цилиндрического отверстия, которая зависит от радиуса отверстия и диэлектрической проницаемости пластины и вычисляется по формуле 3 в [Alexey A. Basharin, Maria Kafesaki, Eleftherios N. Economou, Costas M. Soukoulis, Vassili A. Fedotov, Vassili Savinov, and Nikolay I. Zheludev// Phys. Rev. X 5, 011036 (2016)].To create a metamaterial, only plates with a high dielectric constant can be used. Moreover, the frequency range in which the technical result of the proposed metamaterial is manifested depends on the dielectric constant. Thus, by choosing the dielectric constant of the plate, it is possible to adjust the frequency of the toroidal resonance. The excitation of the toroidal response is the result of the interaction between the Mie resonance magnetic modes of the holes. The resonance frequency of the toroidal mode is close to the Mie resonance frequency of a single cylindrical hole, which depends on the radius of the hole and the dielectric constant of the plate and is calculated by formula 3 in [Alexey A. Basharin, Maria Kafesaki, Eleftherios N. Economou, Costas M. Soukoulis, Vassili A Fedotov, Vassili Savinov, and Nikolay I. Zheludev // Phys. Rev. X 5, 011036 (2016)].

Изобретение поясняется чертежами:The invention is illustrated by drawings:

фиг. 1 - ячейка метаматериала (одна, периодическая часть метаматериала), представляющая собой ячейку (кластер) с одинаковыми цилиндрическими отверстиями;FIG. 1 - cell metamaterial (one, a periodic part of the metamaterial), which is a cell (cluster) with the same cylindrical holes;

фиг. 2 - результаты моделирования прохождения электромагнитной волны через ячейку метаматериала;FIG. 2 - simulation results of the passage of an electromagnetic wave through a metamaterial cell;

фиг. 3-карта распределения электрического поля в ячейке метаматериала (кластере) на частоте возбуждения тороидного момента;FIG. 3-map of the distribution of the electric field in the metamaterial cell (cluster) at the frequency of excitation of the toroidal moment;

фиг. 4 - карта распределения магнитного поля в ячейке метаматериала (кластере) на частоте возбуждения тороидного момента;FIG. 4 is a map of the distribution of the magnetic field in a metamaterial cell (cluster) at a frequency of excitation of a toroidal moment;

фиг. 5 - диаграмма зависимости энергий каждого из мультиполей, возбужденных в системе, от частоты.FIG. 5 is a diagram of the frequency dependence of the energies of each of the multipoles excited in the system.

Принцип работы метаматериала заключается в следующем. Как показано на фигуре 1, падающая на диэлектрическую пластину плоская электромагнитная волна с вектором Е, параллельным осям цилиндрических отверстий, возбуждает токи смещения J циркулирующие в диэлектрике вокруг каждого отверстия. Каждый круговой ток J, порождает магнитное поле Н или магнитный момент, которые за счет ближнепольной связи объединяются в замкнутый вихрь магнитного поля М всего кластера в плоскости диэлектрической пластины. Такое взаимодействие полей пораждает тороидный момент Т, в плоскости параллельной осям отверстий. За счет того, что тороидный момент является результатом ближнепольной связи между магнитными модами одиночных отверстий, частота возбуждения тороидного момента близка к резонансной частоте одиночного отверстия в диэлектрической среде и определяется из условия равенства нулю коэффициента рассеяния плоской электромагнитной волны на одиночном цилиндрическом отверстии в диэлектрике с диэлектрической проницаемостью ε [Хюлст Г. ван де. Рассеяние света малыми частицами. - Москва: Издательство иностранной литературы, 1961]:The principle of operation of the metamaterial is as follows. As shown in figure 1, a plane electromagnetic wave incident on a dielectric plate with a vector E parallel to the axes of the cylindrical holes excites bias currents J circulating in the dielectric around each hole. Each circular current J, generates a magnetic field H or magnetic moment, which due to near-field coupling are combined into a closed vortex of the magnetic field M of the entire cluster in the plane of the dielectric plate. This interaction of the fields affects the toroidal moment T, in a plane parallel to the axes of the holes. Due to the fact that the toroidal moment is a result of the near-field coupling between the magnetic modes of single holes, the excitation frequency of the toroidal moment is close to the resonant frequency of a single hole in a dielectric medium and is determined from the condition that the scattering coefficient of a plane electromagnetic wave on a single cylindrical hole in a dielectric with dielectric constant is equal to zero ε [Hulst G. van de. Light scattering by small particles. - Moscow: Publishing house of foreign literature, 1961]:

Figure 00000001
Figure 00000001

где

Figure 00000002
,
Figure 00000003
,
Figure 00000004
и
Figure 00000005
- функции Бесселя и Ханкеля первого рода.Where
Figure 00000002
,
Figure 00000003
,
Figure 00000004
and
Figure 00000005
- functions of Bessel and Hankel of the first kind.

Кластер частотно-селективной поверхности, представленный на фиг. 1, состоит из диэлектрической пластины размером d на d мм с вырезанными в ней четырьмя одинаковыми цилиндрическими отверстиями радиусом г мм, с расстоянием между центрами отверстий а мм.The frequency selective surface cluster shown in FIG. 1, consists of a dielectric plate of size d by d mm with four identical cylindrical holes cut out in it with a radius of r mm, with a distance between the centers of the holes a mm.

На фиг. 2 представлены численные результаты моделирования прохождения электромагнитной волны через метаматериал, демонстрирующие зависимость коэффициентов прохождения (черная линия на фиг. 2) и отражения (красная линия на фиг. 2) электромагнитной волны через метаматериал с параметрами r=5 мм, а=12 мм, d=44 мм,

Figure 00000006
(диэлектрическая проницаемость) =15. Коэффициенты прохождения S21 показывают, какая часть электромагнитной волны проходит сквозь метаматериал, а коэффициенты отражения S11 показывают, какая часть волны отразилась от метаматериала. Как видно из графика, волна, с частотой ~ 0.97 ГГц проходит метаматериал без потерь, что следует из нулевого значения коэффициента прохождения. Возбуждение тороидного отклика это результат взаимодействия между Ми-резонансными магнитными модами в четырех областях ячейки метаматериала, которые расположены по углам ячеек, при этом резонансная частота 0.97 ГГц соответствует резонансной частоте одиночного отверстия, которая вычисляется по формуле 1,. Выбрав резонансную частоту, получаем геометрические характеристики ячейки, а именно радиус отверстия.In FIG. Figure 2 presents the numerical results of modeling the passage of an electromagnetic wave through a metamaterial, showing the dependence of the transmission coefficients (black line in Fig. 2) and reflection (red line in Fig. 2) of an electromagnetic wave through a metamaterial with parameters r = 5 mm, a = 12 mm, d = 44 mm
Figure 00000006
(dielectric constant) = 15. The transmission coefficients S21 show which part of the electromagnetic wave passes through the metamaterial, and the reflection coefficients S11 show which part of the wave is reflected from the metamaterial. As can be seen from the graph, a wave with a frequency of ~ 0.97 GHz passes through the metamaterial without loss, which follows from the zero value of the transmission coefficient. The excitation of the toroidal response is the result of the interaction between the Mie resonance magnetic modes in four regions of the metamaterial cell, which are located at the corners of the cells, while the resonance frequency of 0.97 GHz corresponds to the resonant frequency of a single hole, which is calculated by formula 1 ,. Choosing a resonant frequency, we obtain the geometric characteristics of the cell, namely the radius of the hole.

Экспериментальное подтверждение данных, полученных в рамках моделирования, осуществлялось путем облучения метаматериала электромагнитной волной с вектором напряженности электрического поля Е, параллельным осям цилиндрических отверстий в диэлектрической пластине. При проведении эксперимента, метаматериал помещался на диафрагму, или удерживался на крепежных лапках, в зависимости от линейных размеров изготовленного образца. В ходе эксперимента, был обеспечен плоский фронт волны облучения, для этого расстояние от метаматериала до источника сохранялось на отметке более 2λ.The experimental confirmation of the data obtained in the framework of the simulation was carried out by irradiating the metamaterial with an electromagnetic wave with an electric field strength vector E parallel to the axes of the cylindrical holes in the dielectric plate. During the experiment, the metamaterial was placed on the diaphragm, or held on the mounting tabs, depending on the linear dimensions of the manufactured sample. During the experiment, a flat front of the irradiation wave was provided; for this, the distance from the metamaterial to the source was kept at a mark of more than 2λ.

Фиг. 3 и 4 демонстрируют результаты моделирования распределения электрического и магнитного полей на частоте 0.97 ГГц в метаматериала при облучении его плоской волной с вектором Е, параллельным осям цилиндрических отверстий. Как видно из фиг.3, максимумы энергии электрического поля строго сконцентрированы в середине ячейки метаматериала, между отверстиями, что обусловлено симметрией возбужденных токов смещения. Максимумы энергии поля представлены в таблице на фиг. 3.FIG. 3 and 4 show the results of modeling the distribution of electric and magnetic fields at a frequency of 0.97 GHz in a metamaterial when it is irradiated with a plane wave with vector E parallel to the axes of the cylindrical holes. As can be seen from figure 3, the maxima of the electric field energy are strictly concentrated in the middle of the cell of the metamaterial, between the holes, due to the symmetry of the excited bias currents. Field energy maxima are presented in the table in FIG. 3.

Представленное на фиг. 4 распределение энергии магнитного поля позволяет наблюдать топологию возбуждения магнитных моментов, возникающих вследствие циркуляции токов смещения. Эти магнитные моменты образуют замкнутый вихрь магнитного поля, строго локализованный внутри такой ячейки метаматериала. Как видно из таблицы напряженностей магнитного поля, приведенной на фиг. 4.Presented in FIG. 4, the distribution of magnetic field energy makes it possible to observe the topology of the excitation of magnetic moments arising from the circulation of bias currents. These magnetic moments form a closed vortex of a magnetic field strictly localized inside such a metamaterial cell. As can be seen from the table of magnetic field strengths shown in FIG. four.

На фиг. 5 показана зависимость энергий рассеяния каждого дипольного момента, возбужденного в метаматериале, от рабочей частоты, где Р - электрический момент, М - магнитный момент, Т - тороидный дипольный момент, а так же Qe - электрический и Qm - магнитный квадрупольный момент. Видно, что во всем частотном диапазоне энергия электрического дипольного момента доминирует в системе, за исключением диапазона от 0,972 до 0,982 ГГц где наибольший вклад вносит энергия тороидного момента. Важно заметить, что на частоте 0,982 ГГц энергия двух диполей, электрического (черная линия на фиг. 5) и тороидного (синяя линия на фиг. 5) одинаковы по модулю, но за счет своей разнонаправленности они деструктивно интерферируют друг с другом, вследствие их одинаковых диаграмм направленности в дальней зоне. Частота связана с возбуждением Ми-резонансных мод в областях ячейки метаматериала, взаимодействие которых порождает тороидное возбуждение вблизи частот Ми-резонанса. Как следствие, мы получаем метаматериал свободный от диссипативных потерь благодаря использованию диэлектриков, и свободный от радиационных потерь на этой частоте благодаря деструктивной интерференции между тороидным и электрическим моментом в ячейке.In FIG. Figure 5 shows the dependence of the scattering energies of each dipole moment excited in the metamaterial on the operating frequency, where P is the electric moment, M is the magnetic moment, T is the toroidal dipole moment, and Qe is the electric and Qm is the magnetic quadrupole moment. It can be seen that in the entire frequency range, the energy of the electric dipole moment dominates in the system, with the exception of the range from 0.972 to 0.982 GHz, where the toroidal moment makes the largest contribution. It is important to note that at a frequency of 0.982 GHz, the energy of two dipoles, electric (black line in Fig. 5) and toroidal (blue line in Fig. 5) are identical in modulus, but due to their different directions, they destructively interfere with each other, due to their identical radiation patterns in the far zone. The frequency is associated with the excitation of the Mie resonance modes in the regions of the metamaterial cell, the interaction of which generates a toroidal excitation near the Mie resonance frequencies. As a result, we get a metamaterial free from dissipative losses due to the use of dielectrics, and free from radiation losses at this frequency due to destructive interference between the toroidal and electric moment in the cell.

Таким образом, геометрические размеры диэлектрической пластины, радиусы цилиндрических отверстий, расстояния между центрами цилиндрических отверстий зависят от диапазона частот, в котором предполагается использование метаматериала, при этом оптимальные результаты могут быть достигнуты при соблюдении следующих соотношений:

Figure 00000007
, где d - длина и ширина одного кластера, а - расстояние между центрами отверстий, r - радиус отверстий, λ - длина волны рабочего излучения. Изготовление отверстий в пластине может производиться различными методами: например, перфорированием коронкой или сверлом с алмазным напылением, или формирование отверстий в диэлектрической пластине сфокусированным ионным пучком. Способ изготовления отверстий зависит главным образом от целевых геометрических параметров метаматериала, определяемых в зависимости от диапазона исследуемых частот.Thus, the geometric dimensions of the dielectric plate, the radii of the cylindrical holes, the distances between the centers of the cylindrical holes depend on the frequency range in which the metamaterial is supposed to be used, while optimal results can be achieved by observing the following relationships:
Figure 00000007
where d is the length and width of one cluster, a is the distance between the centers of the holes, r is the radius of the holes, λ is the wavelength of the working radiation. The holes in the plate can be made by various methods: for example, by perforating with a crown or drill with diamond spraying, or by forming holes in the dielectric plate with a focused ion beam. The method of making holes mainly depends on the target geometrical parameters of the metamaterial, determined depending on the range of frequencies studied.

Пример 1. Для оптического диапазона частот может быть использована диэлектрическая пластина из такого материала, как пленка кремния или арсенида галлия, которые имеют диэлектрическую проницаемость близкую к 16. В пластине выполнены отверстия микронного диаметра методами лазерной литографии или ионного сфокусированного пучка. Для определения геометрических параметров кластера выбирается целевое значения рабочей частоты. Например, для частоты 150 ТГц (λ ≈ 2 мкм) подбираем размеры ячейки метаматериала по соотношениям: d/λ ≈ 1.45; а/λ ≈ 0.4; r/λ ≈ 0.17, где d - длина и ширина одного кластера, а - расстояние между центрами отверстий, r - радиус отверстий, λ - длина волны посылаемого излучения. Таким образом, получаются параметры d ≈ 3 мкм; а ≈ 0.8 мкм r ≈ 0.34 мкм, в которых на частоте ≈ 150 ТГц получим возбуждение тороидной моды.Example 1. For the optical frequency range, a dielectric plate made of a material such as a silicon or gallium arsenide film, which have a dielectric constant close to 16, can be used in the plate with micron-diameter holes using laser lithography or ion focused beam methods. To determine the geometric parameters of the cluster, the target value of the operating frequency is selected. For example, for a frequency of 150 THz (λ ≈ 2 μm), we select the cell dimensions of the metamaterial according to the ratios: d / λ ≈ 1.45; a / λ ≈ 0.4; r / λ ≈ 0.17, where d is the length and width of one cluster, and is the distance between the centers of the holes, r is the radius of the holes, λ is the wavelength of the radiation emitted. Thus, the parameters d ≈ 3 μm are obtained; and ≈ 0.8 μm r ≈ 0.34 μm, in which we obtain the excitation of the toroidal mode at a frequency of ≈ 150 THz.

Пример 2. Для получения метаматериала для микроволнового диапазона частот, можно использовать материалы с большими значениями диэлектрической проницаемости, такие как керамики, кремний и т.д., с перфорированными в них цилиндрическими отверстиями и, как результат, представляющие собой периодически расположенные кластеры. Частота возбуждения тороидного момента зависит от выбранного материала, а точнее от его диэлектрической проницаемости. Например, если взять диэлектрические кластеры размерами d=40 на 40 мм, а=12 с диэлектрической проницаемостью 70, радиус отверстий r=5 мм, то получим возбуждение тороидного момента в диапазоне частот 0.5 - 3 ГГц. С уменьшением значения диэлектрической проницаемости резонанс сдвигается в низкочастотную область.Example 2. To obtain metamaterial for the microwave frequency range, you can use materials with large values of dielectric constant, such as ceramics, silicon, etc., with perforated cylindrical holes in them and, as a result, representing periodically arranged clusters. The frequency of excitation of the toroidal moment depends on the selected material, and more precisely on its dielectric constant. For example, if we take dielectric clusters with dimensions d = 40 by 40 mm, a = 12 with a dielectric constant of 70, and the radius of the holes r = 5 mm, we obtain the excitation of the toroidal moment in the frequency range 0.5 - 3 GHz. With a decrease in the dielectric constant, the resonance shifts to the low-frequency region.

Пример 3. Для получения тороидного возбуждения в терагерцовом диапазоне частот, можно использовать те же материалы для изготовления кластеров метаматериала, однако необходимо пропорционально уменьшать его размеры. Например, взяв тот же материал с диэлектрической проницаемостью 70, сделать из него кластеры размером d=40 на 40 мкм, с отверстиями радиусом r=5 мкм, а=12 мкм то получим возбуждение тороидного момента, и, как следствие сильную локализацию электромагнитного поля в диапазоне частот 1-3 ТГц.Example 3. To obtain toroidal excitation in the terahertz frequency range, you can use the same materials for the manufacture of clusters of metamaterial, however, it is necessary to proportionally reduce its size. For example, taking the same material with a dielectric constant of 70, make clusters of d = 40 by 40 μm in size, with holes of radius r = 5 μm, and = 12 μm, we obtain the excitation of the toroidal moment, and, as a result, the strong localization of the electromagnetic field in frequency range 1-3 THz.

Предложенный метаматериал подходит для прототипирования и создания рабочих образцов нано-устройств, а так же структур, в которых требуются сильно локализованные электромагнитные поля. Актуальность использования именно этого материала очевидна, ведь в создании он проще, чем существующие материалы, используемые для таких же целей. При создании материала важно учитывать идентичную геометрию отверстий.The proposed metamaterial is suitable for prototyping and creating working samples of nano-devices, as well as structures in which highly localized electromagnetic fields are required. The relevance of using this particular material is obvious, because it is easier to create than existing materials used for the same purpose. When creating the material, it is important to consider the identical geometry of the holes.

Claims (1)

Метаматериал, представляющий собой равностороннюю ячейку частотно-селективной поверхности, состоящую из диэлектрической пластины с четырьмя одинаковыми цилиндрическими отверстиями, равноудаленными друг от друга, отличающийся тем, что, для диапазона длин волн рабочего излучения от 60 см до 1 мкм, отношение длины стороны ячейки частотно-селективной поверхности к длине волны рабочего излучения находится в диапазоне от 1,4 до 1,45, отношение расстояния между центрами цилиндрических отверстий к длине волны рабочего излучения находится в диапазоне от 0,38 до 0,42, отношение радиуса цилиндрических отверстий к длине волны рабочего излучения находится в диапазоне от 0,15 до 0,19.Metamaterial, which is an equilateral cell of a frequency-selective surface, consisting of a dielectric plate with four identical cylindrical holes equidistant from each other, characterized in that, for the wavelength range of the working radiation from 60 cm to 1 μm, the ratio of the side length of the cell is frequency selective surface to the wavelength of the working radiation is in the range from 1.4 to 1.45, the ratio of the distance between the centers of the cylindrical holes to the wavelength of the working radiation is in the range zone from 0.38 to 0.42, the ratio of the radius of the cylindrical holes to the wavelength of the working radiation is in the range from 0.15 to 0.19.
RU2016149847A 2016-12-19 2016-12-19 Dielectric metamaterial with toroid response RU2666965C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2016149847A RU2666965C2 (en) 2016-12-19 2016-12-19 Dielectric metamaterial with toroid response

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2016149847A RU2666965C2 (en) 2016-12-19 2016-12-19 Dielectric metamaterial with toroid response

Publications (3)

Publication Number Publication Date
RU2016149847A RU2016149847A (en) 2018-06-20
RU2016149847A3 RU2016149847A3 (en) 2018-06-20
RU2666965C2 true RU2666965C2 (en) 2018-09-13

Family

ID=62619304

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2016149847A RU2666965C2 (en) 2016-12-19 2016-12-19 Dielectric metamaterial with toroid response

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2666965C2 (en)

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102565057A (en) * 2011-12-15 2012-07-11 大连理工大学 Metamaterial-based optical tweezers
RU2482527C2 (en) * 2011-08-24 2013-05-20 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Новосибирский национальный исследовательский государственный университет" (Новосибирский государственный университет, НГУ) Array sensor of terahertz radiation (versions)
US8669833B2 (en) * 2009-06-05 2014-03-11 National University Corporation Kyoto University of Technology Three-dimensional metamaterial having function of allowing and inhibiting propagation of electromagnetic waves
RU2524835C2 (en) * 2008-08-22 2014-08-10 Дьюк Юниверсити Surface and waveguide metamaterials
RU2594947C1 (en) * 2015-08-10 2016-08-20 Открытое акционерное общество "Объединенная ракетно-космическая корпорация" (ОАО "ОРКК") Metamaterial
RU164738U1 (en) * 2015-10-15 2016-09-10 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Сибирский государственный университет геосистем и технологий" (СГУГиТ) DEVICE FOR FOCUSING RADIATION OF METACUBOID FLAT LENS

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2524835C2 (en) * 2008-08-22 2014-08-10 Дьюк Юниверсити Surface and waveguide metamaterials
US8669833B2 (en) * 2009-06-05 2014-03-11 National University Corporation Kyoto University of Technology Three-dimensional metamaterial having function of allowing and inhibiting propagation of electromagnetic waves
RU2482527C2 (en) * 2011-08-24 2013-05-20 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Новосибирский национальный исследовательский государственный университет" (Новосибирский государственный университет, НГУ) Array sensor of terahertz radiation (versions)
CN102565057A (en) * 2011-12-15 2012-07-11 大连理工大学 Metamaterial-based optical tweezers
RU2594947C1 (en) * 2015-08-10 2016-08-20 Открытое акционерное общество "Объединенная ракетно-космическая корпорация" (ОАО "ОРКК") Metamaterial
RU164738U1 (en) * 2015-10-15 2016-09-10 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Сибирский государственный университет геосистем и технологий" (СГУГиТ) DEVICE FOR FOCUSING RADIATION OF METACUBOID FLAT LENS

Also Published As

Publication number Publication date
RU2016149847A (en) 2018-06-20
RU2016149847A3 (en) 2018-06-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Kupriianov et al. Metasurface engineering through bound states in the continuum
Bidault et al. Dielectric nanoantennas to manipulate solid-state light emission
Gupta et al. Sharp toroidal resonances in planar terahertz metasurfaces
Hancu et al. Multipolar interference for directed light emission
Yao et al. Controlling electric and magnetic resonances for ultracompact nanoantennas with tunable directionality
Guclu et al. Radiative emission enhancement using nano-antennas made of hyperbolic metamaterial resonators
AU4669501A (en) Optical device
Mühlig et al. Three-dimensional metamaterial nanotips
Langguth et al. Plasmonic phase-gradient metasurface for spontaneous emission control
Chen et al. A Subwavelength Extraordinary‐Optical‐Transmission Channel in Babinet Metamaterials
Yves et al. Measuring Dirac cones in a subwavelength metamaterial
Matsui A brief review on metamaterial-based vacuum electronics for terahertz and microwave science and technology
Garcia-Santiago et al. Toward maximally electromagnetically chiral scatterers at optical frequencies
Fiedler et al. Disentangling cathodoluminescence spectra in nanophotonics: particle eigenmodes vs transition radiation
RU2666965C2 (en) Dielectric metamaterial with toroid response
Chaloupka et al. Local density of states and modes of circular photonic crystal cavities
Yong et al. Broadband localized electric field enhancement produced by a single-element plasmonic nanoantenna
Dong et al. High-efficiency directional radiation via slow light resonance of modified photonic crystal array
Singh et al. Cathodoluminescence as a probe of the optical properties of resonant apertures in a metallic film
Üstün et al. Investigation of nanoantenna geometries for maximum field enhancements at optical frequencies
Andueza et al. Optimal width of quasicrystalline slabs of dielectric cylinders to microwave radiation transmission contrast
Gao et al. Terahertz plasmonic cross resonant antenna
Campione et al. Dipole approximation to predict the resonances of dimers composed of dielectric resonators for directional emission
Kupriianov et al. An all-dielectric metasurface supporting trapped mode as a platform for sensory applications
Markoš et al. Resonant scattering from a two-dimensional honeycomb PT dipole structure

Legal Events

Date Code Title Description
HZ9A Changing address for correspondence with an applicant