Швидкі електромагнітні хвили на межі метаматеріалу: моделювання підсилення

Анотація

В статті представлено результати дослідження властивостей швидких поверхневих електромагнітних хвиль, що поширюються уздовж пласкої поверхні розділу між активним метаматеріалом та повітрям (або вакуумом). Розглянуто випадок однорідного та ізотропного метаматеріалу. Досліджено дисперсійні властивості, просторове загасання хвилі, фазову та групову швидкості, а також просторовий розподіл електромагнітного поля власних TE та TM мод такої хвилеводної структури. Показано, що в цій хвилеводній структурі можуть існувати швидкі поверхневі електромагнітні хвилі та досліджено їх властивості. Показано, що фазова швидкість ТМ-моди у кілька разів перевищує швидкість світла у вакуумі, тоді як фазова швидкість ТЕ-моди незначно перевищує швидкість світла у вакуумі. TM-мода є прямою хвилею, в якій фазова та групова швидкості однаково спрямовані. Отримано, що групова швидкість ТМ-моди змінюється від нуля до половини швидкості світла у вакуумі, та досягає мінімуму за деякого значення частоти хвилі, що залежить від характеристик метаматеріалу. Показано, що глибина проникнення ТМ-моди в метаматеріал значно менша ніж у вакуум. ТЕ-мода є зворотною хвилею, в якій фазова та групова швидкості протилежно направлені. Абсолютне значення групової швидкості ТЕ-моди приблизно в шість разів менше за швидкість світла у вакуумі. На відміну від ТМ-моди, глибина проникнення ТЕ-моди в метаматеріал значно більша, ніж у вакуум. Визначені властивості швидких поверхневих електромагнітних хвиль можуть бути використані для моделювання та проектування сучасних приладів генерації та підсилення, що містять метаматеріали.