Повільні електромагнітні ТМ-хвилі в планарній хвилеводній структурі з шаром mu-негативного метаматеріалу
Анотація
В роботі досліджуються властивості повільних електромагнітних поверхневих TM-хвиль, що поширюються вздовж планарної хвилеводної структури, до складу якої входить мю-негативна пластина метаматеріалу, що розділяє дві напівнескінченні області: плазму та звичайний діелектрик. Усі середовища вважаються лінійними, однорідними та ізотропними. Розглядаються дисперсійні властивості, фазова та групова швидкості, просторовий розподіл електромагнітного поля ТМ-хвилі в інтервалі частот, де метаматеріал має негативну магнітну проникність. Проведено порівняльний аналіз властивостей власних хвиль структури: однієї ТМ моди та двох ТЕ мод. Досліджено вплив параметрів структури на характеристики її власних хвиль. Показано істотну залежність властивостей ТМ моди структури, що розглядається, від параметрів плазмоподібного середовища. Отримано, що збільшення значення плазмової частоти плазмоподібного середовища призводить до значного збільшення частоти власної ТМ-хвилі. Було визначено діапазон значень плазмової частоти, за яких ця хвиля змінює тип дисперсії. Визначено, що власна E -хвиля локалізована на межі розподілу між мета матеріалом та плазмоподібним середовищем, де також локалізована H2 - хвиля - одна з хвиль з TE поляризацією та частотою дещо більшою за частоту H1 ‑ хвилі. Було показано можливість забезпечення одномодового режиму та вибору потрібної поляризації власної хвилі в розглянутій планарній хвилеводній структурі за рахунок вибору значення плазмової частоти плазмоподібного середовища. Було вивчено також вплив цієї частоти на значення як фазових, так і групових швидкостей власних E ‑хвиль. Отримані результати можуть бути корисними для моделювання та створення сучасних пристроїв на основі метаматеріалів.
Завантаження
Посилання
I. Shadrivov, M. Lapine, and Y. Kivshar, Nonlinear, tunable and active metamaterial (Springer, 2015), 324 p.
L. Solymar, and E. Shamonina, Waves in Metamaterials, (Oxford University Press, Oxford, 2009).
M.I. Stockman, K. Kneipp, S.I. Bozhevolnyi, S. Saha, A. Dutta, J. Ndukaife, N. Kinsey, et al., Journal of Optics, 20(4), 043001 (2018). https://doi.org/10.1088/2040-8986/aaa114
F. Capolino, editor, Theory and Phenomena of Metamaterials, (CRC Press, Boca Raton, 2009). https://doi.org/10.1201/9781420054262
R. Ruppin, “Surface polaritons of a left-handed medium”, Phys. Lett. A, 277(1), 61–64 (2000). https://doi.org/10.1016/S0375-9601(00)00694-0
I.V. Shadrivov, A. Sukhorukov, and Y. Kivshar, “Guided modes in negative-refractive-index waveguides”, Phys. Rev. E, 67(5), 057602 (2003). https://doi.org/10.1103/PhysRevE.67.057602
G. D’Aguanno, N. Mattiucci, M. Scalora, and M.J. Bloemer, “TE and TM guided modes in an air waveguide with negative-index material cladding”, Physical Review E, 71(4), 046603 (2005). https://doi.org/10.1103/PhysRevE.71.046603
Y. He, Z. Cao, and Q. Shen, “Guided optical modes in asymmetric left-handed waveguides”, Optics Communications, 245(1-6), 125-135 (2005). https://doi.org/10.1016/j.optcom.2004.09.067
B. Wu, T. Grzegorczyk, Y. Zhang, and J. Kong, “Guided modes with imaginary transverse wave number in a slab waveguide with negative permittivity and permeability”, J. Appl. Phys. 93(11), 9386-9388 (2003). https://doi.org/10.1063/1.1570501
C. Hermann, A. Klaedtke, C. Jamois, and O. Hess, “Surface plasmon polaritons in generalized slab heterostructures with negative permittivity and permeability”, Physical Review B, 73(8), 085104 (2006). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.73.085104
V.K. Galaydych, N.A. Azarenkov, V.P. Olefir, and A.E. Sporov, “Surface electromagnetic waves on boundary between lossy dielectric and left-handed material with gain”, Problems of Atomic Science and Technology, 1, 96 (2017), https://vant.kipt.kharkov.ua/ARTICLE/VANT_2017_1/article_2017_1_96.pdf
S.M. Vukovic, N.B. Aleksic, and D.V. Timotijevic, “Guided modes in left-handed waveguides”, Optics Communications, 281(6), 1500-1509 (2008). https://doi.org/10.1016/j.optcom.2007.11.010
V.K. Galaydych, N.A. Azarenkov, V.P. Olefir, and A.E. Sporov, “Modelling of the electromagnetic surface waves propagation on the interface between the left-handed metamaterial and the dissipative dielectric”, Problems of Atomic Science and Technology, 6, 109 (2018). https://vant.kipt.kharkov.ua/ARTICLE/VANT_2018_6/article_2018_6_109.pdf
J.B. Pendry, A.J. Holden, D.J. Robbins, and W.J. Stewart, “Magnetism from conductors and enhanced nonlinear phenomena”, IEEE Trans. MTT, 47(11), 2075-2084 (1999). https://doi.org/10.1109/22.798002
V. Galaydych, and N. Azarenkov, “Slow surface electromagnetic waves on a mu‑negative medium”, Applied Physics B, 128(7), 132 (2022). https://doi.org/10.1007/s00340-022-07854-3
V. Galaydych, A. Sporov. V. Olefir, and N. Azarenkov, “Slow surface eigenmodes directed by the mu-negative metamaterial slab,” East European Journal of Physics, 3, 77-83 (2022). https://doi.org/10.26565/2312-4334-2022-3-10
V. Galaydych, and N. Azarenkov. “Surface polaritons in a vacuum gap inside mu-negative medium”, Applied Physics A, 129, 466 (2023). https://doi.org/10.1007/s00339-023-06751-6
M. Stockman, “Applied optics. Nanoplasmonic sensing and detection”, Science, 348(6232), 287-288 (2015). https://doi.org/10.1126/science.aaa6805
S. Antipov, W. Liu, W. Gai, J. Power, and L. Spentzouris, “Double-negative metamaterial research for accelerator applications”, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, 579(3), 915-923 (2007). https://doi.org/10.1016/j.nima.2007.04.158
S. Boriskina, G. Hadi, and C. Gang, “Plasmonic materials for energy: From physics to applications”, Materials Today, 16(10), 375-386 (2013). https://doi.org/10.1016/j.mattod.2013.09.003
Авторське право (c) 2023 Олександр Є. Споров, Володимир П. Олефір, Микола О. Азарєнков, Віктор К. Галайдич
Цю роботу ліцензовано за Міжнародня ліцензія Creative Commons Attribution 4.0.
Автори, які публікуються у цьому журналі, погоджуються з наступними умовами:
- Автори залишають за собою право на авторство своєї роботи та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons Attribution License, котра дозволяє іншим особам вільно розповсюджувати опубліковану роботу з обов'язковим посиланням на авторів оригінальної роботи та першу публікацію роботи у цьому журналі.
- Автори мають право укладати самостійні додаткові угоди щодо неексклюзивного розповсюдження роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом (наприклад, розміщувати роботу в електронному сховищі установи або публікувати у складі монографії), за умови збереження посилання на першу публікацію роботи у цьому журналі.
- Політика журналу дозволяє і заохочує розміщення авторами в мережі Інтернет (наприклад, у сховищах установ або на особистих веб-сайтах) рукопису роботи, як до подання цього рукопису до редакції, так і під час його редакційного опрацювання, оскільки це сприяє виникненню продуктивної наукової дискусії та позитивно позначається на оперативності та динаміці цитування опублікованої роботи (див. The Effect of Open Access).
