Передача распределений электромагнитного поля со сверхразрешением при помощи предельно анизотропных метаматериалов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.05, доктор физико-математических наук Белов, Павел Александрович

• Белов, Павел Александрович
• доктор физико-математических наук
• 2010

Оглавление диссертации доктор физико-математических наук Белов, Павел Александрович

Введение

Актуальность проблемы.

Научные положения.

Список публикаций автора но теме работы.

1 Обзор литературы.

1.1 Обратные волны и отрицательное преломление в средах-левшах

1.2 Основные виды метаматериалов.

Среда из проводов.

Слоистый метало-диэлектрический материал

Массив расщепленных кольцевых резонаторов

Спаренные напостержни.

Метаматериалы сеточного типа.

2 Применения метаматериалов.

2.1 Маскирующие оболочки.

2.2 Оптические наноцепи

2.3 Плазмонные соединения.

3 Передача изображений со сверхразрешением.

3.1 Сверхлинза Пендри

3.2 Сверхлинза их материала с отрицательной диэлектрической проницаемостью.

3.3 Сверхлинзы из фотонных кристаллов.

3.4 Принцип канализации изображений.

1 Канализация изображений: режим передачи изображений с разрешением, много меньшим длины волны

1.1 Формулировка принципа канализации изображений

1.2 Моделирование субволновой передачи изображений блоками среды из проводов методом конечных разно- ' стей во временной области

1.2.1 Пространственная дисперсия в среде из проводов

1.2.2 Пространственно-дисперсный метод КРВО для численного моделирования среды из проводов

1.2.3 Возбуждение блока среды из проводов точечным магнитным источником

Анализ распространения волновых фронтов.

Поток энергии

Распределения нолей.

Влияние толщины блока среды из проводов

1.2.4 Эффекты пространственной дисперсии в моделировании среды из проводов.

1.2.5 Передача изображений со сверхразрешением посредством блоков среды из проводов

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Передача распределений электромагнитного поля со сверхразрешением при помощи предельно анизотропных метаматериалов»

В диссертационной работе предложен оригинальный принцип передачи изображений с разрешением много меньшим длины волны, основанный на трансформации пространственного спектра источника в распространяющиеся волны внутри метаматериала с плоской изо частотной характеристикой. Исследована возможность реализации этого принципа в микроволновом, терагерцовом, инфракрасном и оптических диапазонах частот при помощи различных метамате-риалов и продемонстрирована возможность передачи изображений с разрешением много меньшим длины волны на значительные расстояния.

Исследования проводились в рамках нового направления физики, посвященного разработке метаматериалов, искусственных материалов с электромагнитными свойствами не наблюдаемыми в материалах доступных в природе. Метаматариалы являются уникальным решением, предоставляющим практически неограниченные возможности при создании устройств, использующих электромагнитные свойства, которые невозможно создать при помощи материалов встречающихся в природе. В частности, в данной работе удалось сиять дифракционное ограничение для разрешения линзовых систем передачи изображений, которое казалось долгое время непреодолимым.

Актуальность проблемы

Разрешающая способность обычных устройств передачи и обработки изображений ограничена дифракционным пределом. Детали изображения расположенные на расстоянии меньшем половины длины волны не могут быть различены. Данное ограничение возникает потому, что обычные устройства передачи и обработки изображений оперируют исключительно с волнами, распространяющимися в пространстве. Информация о деталях много меньших длины волны содержится в волнах соответствующих затухающей части пространственного спектра, которые сконцентрированы в непосредственной близости от источника. Эта информация теряется при незначительном удалении от источника и не может быть обработана при помощи обычных линзовых систем.

Возможность преодоления дифракционного барьера при помощи использования искусственно созданных сред с экзотическими электромагнитными свойствами (метаматериалов), а именно сред с отрицательными диэлектрической и магнитной проницаемостями, была предложена английским ученым Джоном Пендри. Он предложил идею сверхлинзы, способной передавать детали изображения много меньшие, чем длина волны, на значительные (а именно, волновые) расстояния и показал, что слой материала с отрицательными диэлектрической и магнитной проницаемостями может создавать изображения с идеальным разрешением. К сожалению, экспериментальная реализация таких линз со срехразрешением практически невозможна, поскольку было установлено, что малейшие потери в мстаматериале приводят к значительной деградации их разрешающей способности.

В рамках данной диссертационной работы удалось достичь принципиально новых возможностей передачи и манипулирования распределениями электромагнитного поля с разрешением много меньшим длины волны в микроволновом, терагерцовом, инфракрасном и видимом диапазонах частот при помощи использования предельно анизотропных метаматериалов. Полученные результаты имеют как фундаментальное, так и огромное практическое значение, поскольку они могут радикальным образом изменить концепции конструирования оптических и микроволновых компонент различных устройств. Можно констатировать, что в результате данной работы удалось снять дифракционное ограничение для разрешения линзовых систем передачи изображений, которое казалось долгое время непреодолимым.

Цель диссертационной работы

Разработка оригинального принципа, позволяющего передавать и манипулировать распределениями электромагнитного ноля с разрешением много меньшим длины волны. Исследование возможности реализации этого принципа в микроволновом, терагерцовом, инфракрасном и оптических диапазонах частот при помощи различных мета материалов.

Направление исследований

Диссертационная работа выполнена в рамках недавно сформировавшегося направления физики - физики метаматериалов, искусственных материалов с электромагнитными свойствами не наблюдаемыми в материалах доступных в природе. Метаматариалы являются уникальным решением, предоставляющим практически неограниченные возможности при создании устройств, использующих электромагнитные свойства, которые невозможно создать при помощи материалов встречающихся в природе. Концепция метаматериалов является принципиально новым подходом, позволяющим конструировать материалы основываясь на свойствах, которые от них требуются, а не от ограниченной базы уже существующим материалов. При помощи этих искусственных сред с экзотическими электромагнитными свойствами удается создать маскирующие покрытия, делающие объекты невидимыми, оптические наноцепи и плазмонные соединения, а также организовать передачу изображений с субволновым разрешением, тем самым преодолев дифракционный предел для разрешения линзовых систем передачи и обработки изображений, который долгое время казался не преодолимым даже теоретически. Последнему из перечисленных направлений и посвящена данная работа.

Методы исследований, достоверность и обоснованность результатов

В рамках данной диссертационной работы использовались как математическое моделирование, основанное на аналитических формулах, так и численное моделирование в коммерческих программных пакетах CST Microwave Studio и FEKO, хорошо зарекомендовавших себя в области расчетов электромагнитных процессов. Основные результаты в микроволновом диапазоне были подтверждены экспериментально.

Научные положения

1. Сформулирован принцип канализации изображений: слой предельно анизотропного метаматериала способен передавать распределения электромагнитного поля со сверхразрешением с одной поверхности на другую, путем преобразования спектра пространственных гармоник источника (включая, затухающие) в волны метаматериала, распространяющиеся с фиксированной фазовой скоростью поперек слоя, и используя эффект коллективного Фабри-Перо резонанса.

2. Апертура образца метаматериала, функционирующего в режиме канализации, начиная с некоторого минимального порога, не оказывает влияния на функциональные характеристики образца, конечность апертуры не приводит к аберрациям.

3. Слои периодической среды из металлических проводов с радиусом много большим скин-слоя, но много меньший расстояний между проводами в микроволновом диапазоне может функционировать в режиме канализации изображений. Возможна передача субволповых изображений ТЕ-поляризоваппыми волнами (провода нагружены на емкости и ориентированы вдоль границы раздела) и ТМ-иоляри-зованными волнами (иенагру-женные провода ориентированные перпендикулярно к границе раздела) на расстояния порядка длины волны и значительно больше с разрешением на порядок меньшим, чем длина волны. Наилучшее разрешение равно удвоенному (канализация ТМ волнами) или учетверенному (канализация ТЕ волнами) периоду структуры. С помощью среды из проводов экспериментально продемонстрирована рекордная комбинация разрешения изображения и расстояния его передачи.

4. Слои периодической среды из параллельных металлических наноцилиидров, в диэлектрической матрице имеющей малые иотери в терагерцовом и (или) среднем инфракрасном диапазонах, являются аналогом микроволновой среды из проводов и способны передавать изображения с субволновым разрешением на волновые расстояния.

5. Массивы расходящихся проводов (в сферической или цилиндрической геометрии) в микроволновом диапазоне позволяют значительно расширять или сжимать в пространстве изображения, сохраняя их субволновые детали (при расширении) или добиваясь субволновой фокусировки (при сжатии).

6. Образцы мета матери ал а, функционирующие в режиме канализации в терагерцовом и инфракрасном диапазонах, включая образцы, обеспечивающие расширение или сжатие изображений, могут быть созданы путем масштабирования микроволновых аналогов при условии того, что радиус используемых металлических цилиндров больше толщины скин-слоя металла, причем предельно достижимое разрешение таких лииз равно удвоенной толщине скип-слоя.

7. Слоистая металло-диэлектрическая наноструктура способна функционировать в режиме канализации в видимом диапазоне частот.

8. Затухающие пространственные гармоники ноля, возбуждая слой нределыю анизотропного метаматериала, функционирующего в режиме канализации, испытывают резонансное увеличение амплитуды в слое, что может использоваться для детектирования изображений с субволновым разрешением даже при значительном удалении слоя метаматериала от источника.

Научная новизна

Предложенный метод передачи изображений со сверхразрешением является оригинальным и не имеющим аналогов в мире. Полученные результаты являются принципиальным прорывом в области разработки систем передачи и обработки оптических изображений, разрешение которых обычно ограничено дифракционным пределом и которые не могут различить детали изображения меньшие длины волны. При помощи концепции метаматериалов оказалось возможным преодолеть фундаментальный диффракционный предел и создать устройства обладающие сверхразрешением (много меньшим длины волны) в микроволновом, терагерцовом, инфракрасном и видимом диапазонах частот. Полученные результаты имеют как фундаментальное, так и огромное практическое значение, поскольку они могут радикальным образом изменить концепции конструирования оптических и микроволновых компонент различных устройств. Концепция метаматериалов является принципиально новым подходом, позволяющим конструировать материалы основываясь на свойствах, которые от них требуются, а не от ограниченной базы уже существующим материалов.

Практическая полезность

Сунерлинзы на основе предельно анизотропных метаматериалов, способные передавать изображения с разрешением много меньшим длины волны в микроволновом, терагерцовом, инфракрасном и оптическом диапазонах, могут найти применение в медицине и ближ-ненольной микроскопии, а также в качестве компонент различных высокотехнологических устройств. Устройства на основе разработанных метаматериалов позволяют создавать наносконы (устройства аналогичные микроскопам, но со значительно улучшенным разрешением) и оптические волноведущие струкруры с крайне малым поперечным сечением (шины из плазмонных волноводов), улучшить характеристики ближиепольных микроскопов и установок наноли-тографии, создать оптические накопители информации со значительно увеличенной плотностью записи, увеличить разрешающую способность и чувствительность томографов и т.д. Областями применения являются медицина (особо точные приборы диагностики, включая субмиллиметровые), телекоммуникации и компьютерная техника, оптические технологии передачи и обработки информации, ближнеиольная микроскопия.

Реализация результатов

В университетах Севильи (Испания) и Ловэйн (Бельгия) при помощи метаматериалов, предложенных в данной работе, уже созданы первые устройства, увеличивающие разрешение и чувствительность магнитно-резонансных томографов. Автором работы зарегистрировано ноу-хау, позволяющее значительно улучшить характеристики магнитно-резонансной томографии при помощи ряда метаматериалов. Создано Общество с ограниченной ответственностью "МЕТА-МРТ", занимающееся воплощением этого ноу-хау в коммерческие продукты для медицинского диагностического оборудования.

Краткое содержание работы

Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения и списка литературы. В первой главе, сформулирован принцип канализации изображений с разрешением много меньшим длины волны. Идея этого метода состоит в том, что вместо усиления затухающих пространственных гармоник их можно преобразовать в распространяющиеся волны внутри некоторого метаматериала, тем самым исключив их потерю из-за затухания в пространстве. Будучи преобразованной в распространяющиеся волны, информация о деталях много меньших длины волны может быть передана на практически любое необходимое расстояние. Принцип канализации изображений является новым и оригинальным решением позволяющим преодолеть дифракционный барьер для разрешения линзовых систем передачи изображений. Во второй главе описана реализация принципа канализации изображений в микроволновом диапазоне при помо