Особливості збуджених полів у резонаторі, який заповнено середовищем з показником заломлення близьким до нуля
Анотація
Актуальність. Сучасні штучні середовища здатні відтворювати спеціально підібрані електрофізичні параметри, такі як від’ємний показник заломлення, або показник заломлення близький до нуля. Ці властивості широко використовуються в оптиці та фотоніці у новітніх розробках, а також для елементів та пристроїв мікрохвильового діапазону. Наприклад, такі середовища здатні приводити до суперзв’язку між хвилеводами з дуже невідповідними поперечними перерізами. Використання заповнюючого середовища з показником заломлення близьким до нуля може суттєво змінити картину щодо резонансних частот такого резонатора і розширити робочі діапазони мікрохвильових резонаторів.
Мета роботи. Метою роботи є теоретичне дослідження впливу параметрів дисперсійного середовища з показником заломлення близьким до нуля на резонансні частоти об’ємного мікрохвильового резонатора, що заповнений таким середовищем, і на характеристики вимушених коливань у такому резонаторі.
Матеріали та методи. Задача про вимушені електромагнітні поля в об’ємному резонаторі з ідеально провідними стінками, який заповнено однорідним ізотропним середовищем з дисперсією, завдяки чому його показник заломлення є близьким до нуля в певному діапазоні частот, розв’язується за допомогою еволюційного підходу до електродинаміки у часовій області. Цей підхід дозволяє повністю розділити часову та просторову частини задачі, що суттєво полегшує розв’язання і забезпечує отримання аналітично-числових розв’язків у випадку заповнення резонатора довільним однорідним середовищем з дисперсією. Для опису середовища, що заповнює резонатор використано модель, раніше запропоновану у літературі, показник заломлення якої є близьким до нуля у певному діапазоні частот, і одним з основних питань роботи є питання, як вплинуть властивості такого середовища на характеристики звичайного мікрохвильового резонатора та електромагнітні коливання, збуджені в такому резонаторі.
Результати. В роботі отримано аналітично-числові розв’язки еволюційних рівнянь для конкретного середовища, що моделює показник заломлення близький до нуля у певному діапазоні частот. Отримано характеристики такого заповненого резонатора і простежено вплив параметрів середовища на резонансні частоти заповненого резонатора та спектральний склад вимушених коливань.
Висновки. У роботі теоретично показано можливість розширити частотні характеристики та робочі режими об’ємних резонаторів за рахунок специфічного заповнення, значно підвищити робочу частоту мікрохвильового резонатора.
Завантаження
Посилання
2. Pendry JB. Controlling Electromagnetic Fields. Science [Internet]. 2006 Jun 23;312(5781):1780–2. Available from: http://courses.washington.edu/phys322/Pendry.pdf
3. Liberal I, Engheta N. Near-zero refractive index photonics. Nature Photonics [Internet]. 2017 Mar [cited 2019 Dec 11];11(3):149–58. Available from: https://www.nature.com/articles/nphoton.2017.13
4. Navarro‐Cía M, Beruete M, Campillo I, Sorolla M. Enhanced lens by ε and μ near-zero metamaterial boosted by extraordinary optical transmission. Physical Review B. 2011 Mar 7;83(11). https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevB.83.115112
5. Pacheco-Peña V, Orazbayev B, Beaskoetxea U, Beruete M, Navarro-Cía M. Zoned near-zero refractive index fishnet lens antenna: Steering millimeter waves. Journal of Applied Physics. 2014 Mar 28;115(12):124902. https://doi.org/10.1063/1.4869436
6. Pacheco‐Peña V, Torres V, Beruete M, Navarro‐Cía M, Engheta N. ϵ-near-zero (ENZ) graded index quasi-optical devices: steering and splitting millimeter waves. Journal of Optics. 2014 Sep 1;16(9):094009–9. DOI: 10.1088/2040-8978/16/9/094009
7. Silveirinha MG, Engheta N. Theory of supercoupling, squeezing wave energy, and field confinement in narrow channels and tight bends using ε near-zero metamaterials. Physical Review B. 2007 Dec 10;76(24). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.76.245109
8 Demetriadou A, Hao Y. A Grounded Slim Luneburg Lens Antenna Based on Transformation Electromagnetics. IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters. 2011 Jan 1;10:1590–3. https://doi.org/10.1109/LAWP.2011.2180884
9. Nishant Shankhwar, Ravindra Kumar Sinha. Zero Index Metamaterials. Springer eBooks. 2021. https://doi.org/10.1007/978-981-16-0189-7
10.Reshef O, De Leon I, Alam MZ, Boyd RW. Nonlinear optical effects in epsilon-near-zero media. Nature Reviews Materials [Internet]. 2019 Aug 1 [cited 2023 Feb 12];4(8):535–51. Available from: https://www.nature.com/articles/s41578-019-0120-5 https://doi.org/10.1038/s41578-019-0120-5
11. Khurgin JB, Clerici M, Kinsey N. Fast and Slow Nonlinearities in Epsilon‐Near‐Zero Materials. Laser & Photonics Reviews. 2020 Dec 28;15(2):2000291. https://doi.org/10.1002/lpor.202000291
12. So J, Yuan G, Cesare Soci, Zheludev NI. Enhancement of luminescence of quantum emitters in epsilon-near-zero waveguides. Applied Physics Letters. 2020 Nov 2;117(18). https://doi.org/10.1063/5.0018488
13. Mahmoud AM, Engheta N. Wave–matter interactions in epsilon-and-mu-near-zero structures. Nature Communications [Internet]. 2014 Dec [cited 2019 Dec 11];5(1). Available from: https://www.nature.com/articles/ncomms6638. https://doi.org/10.1038/ncomms6638
14. Liberal I, Nader Engheta. Nonradiating and radiating modes excited by quantum emitters in open epsilon-near-zero cavities. Science Advances. 2016 Oct 7;2(10). https://doi.org/10.1126/sciadv.1600987
15. Liberal I, Mahmoud AN, Li Y, Edwards BJ, EnghetaN. Photonic doping of epsilon-near-zero media. 2017 Mar 10;355(6329):1058–62. https://doi.org/10.1126/science.aal2672
16. Liberal I, Michaël Lobet, Li Y, EnghetaN. Near-zero-index media as electromagnetic ideal fluids. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 2020 Sep 10;117(39):24050–4. https://doi.org/10.1073/pnas.2008143117
17. Averkov YO, Prokopenko YV, Yakovenko VM. Interaction between a tubular beam of charged particles and a dispersive metamaterial of cylindrical configuration. Physical review. 2017 Jul 10;96(1). https://doi.org/10.1103/PhysRevE.96.013205
18. Michaël Lobet, Kinsey N, Liberal I, Hümeyra Çağlayan, Huidobro PA, Emanuele Galiffi, et al. New Horizons in Near-Zero Refractive Index Photonics and Hyperbolic Metamaterials. ACS Photonics. 2023 Oct 22. https://doi.org/10.1021/acsphotonics.3c00747
19. Tretyakov OA. Essentials of nonstationary and nonlinear electromagnetic field theory. In: Hashimoto M, Idemen M, Tretyakov OA, editors. Analytical and numerical methods in the Electromagnetic Wave Theory. Tokyo: Science House Co., Ltd., ; 1993. p. 123–46
20. Aksoy S, Antyufeyeva M, Basaran E, Ergin AA, Tretyakov OA. Time-domain cavity oscillations supported by a temporally dispersive dielectric. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. 2005 Aug;53(8):2465–71. https://doi.org/10.1109/TMTT.2005.852784
21. Antyufeyeva MS. Cavity with dispersive medium that refractive index is positive and negative. Microwave Radar and Remote Sensing Symposium. 2011 Aug 1: 73–76 https://doi.org/10.1109/MRRS.2011.6053604
22. Silveirinha M, Engheta N. Tunneling of Electromagnetic Energy through Subwavelength Channels and Bends usingε-Near-Zero Materials. Physical Review Letters. 2006 Oct 10;97(15). https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.97.157403
23. Marcos J, Silveirinha MG, Nader Engheta. µ-near-zero supercoupling. Physical Review B. 2015 May 11;91(19). https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevB.91.195112
24. Vulis DI, Reshef O, Camayd-Muñoz P, Mazur E. Manipulating the flow of light using Dirac-cone zero-index metamaterials. Reports on Progress in Physics. 2018 Nov 5;82(1):012001. DOI: 10.1088/1361-6633/aad3e5
25. Wang LG, Wang ZG, Zhang JX, Zhu SY. Realization of Dirac point with double cones in optics. Optics Letters. 2009 May 5;34(10):1510. https://doi.org/10.1364/OL.34.001510
26. Michaël Lobet, Liberal I, Vertchenko L, Lavrinenko AV, Nader Engheta, Mazur E. Momentum considerations inside near-zero index materials. Light-Science & Applications. 2022 Apr 25;11(1). https://doi.org/10.1038/s41377-022-00790-z
27. Antyufeyeva MS, A. Yu. Butrym, Tretyakov OA. Transient electromagnetic fields in a cavity with dispersive double negative medium. Progress in Electromagnetics Research M. 2009 Jan 1;8:51–65. http://dx.doi.org/10.2528/PIERM09062307
28. Hayashi S. Surges on Transmission Systems. 1955.
