Передача распределений электромагнитного поля со сверхразрешением при помощи предельно анизотропных метаматериалов

Белов, Павел Александрович

Передача распределений электромагнитного поля со сверхразрешением при помощи предельно анизотропных метаматериалов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.05 ВАК РФ

Белов, Павел Александрович АВТОР

доктора физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Санкт-Петербург МЕСТО ЗАЩИТЫ

2010 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.05 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Передача распределений электромагнитного поля со сверхразрешением при помощи предельно анизотропных метаматериалов»

Автореферат диссертации на тему "Передача распределений электромагнитного поля со сверхразрешением при помощи предельно анизотропных метаматериалов"

На правах рукописи #

Белов Павел Александрович

Передача распределений электромагнитного

поля со сверхразрешением при помощи предельно анизотропных метаматериалов

Специальность: 01.04.05 - Оптика, 01.04.03 - Радиофизика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

1 1 НОЯ 2010

Санкт-Петербург - 2010

004612380

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном университете информационных технологий, механики и оптики

Научный консультант: доктор физико-математических наук,

профессор Симовский Константин Руфович

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор Вендик Ирина Борисовна

Ведущая организация: Учреждение Российской академии наук Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН

Защита состоится 25 ноября 2010 г. в 15:50 в аудитории 404 на заседании диссертационного совета Д 212.227.02 при Санкт-Петербургском государственном университете информационных технологий, механики и оптики, 197101, г. Санкт-Петербург, пр. Кронверкский, д. 49.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного университета информационных технологий, механики и оптики.

Автореферат разослан 15 октября 2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета,

доктор физико-математических наук, профессор Виноградов Алексей Петрович

доктор физико-математических наук, профессор Розанов Николай Николаевич

д.ф.-м.н., профессор

Козлов С.А.

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 изочастотной характеристикой. Исследована возможность реализации этого принципа в микроволновом, терагерцовом, инфракрасном и оптических диапазонах частот при помощи различных метаматериалов 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 снять 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,бь1ла 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 метаматериале 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 поля с разрешением много меньшим длины волны. Исследование возможности реализации этого принципа в микроволновом, терагерцовом, инфракрасном и оптических диапазонах частот при помощи различных метаматериалов.

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 FEK.O, хорошо зарекомендовавших себя в области расчетов электромагнитных процессов. Основные результаты в микроволновом диапазоне были подтверждены экспериментально.

Научные положения, выносимые на защиту

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 субволновых изображений ТЕ-поляризованными волнами (провода нагружены на емкости и ориентированы вдоль границы раздела) и ТМ-поляри-зованными волнами (ненагруженные 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 . наноцилиндров, в диэлектрической матрице имеющей малые потери 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 метаматериала, 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 линз равно удвоенной толщине скин-слоя.

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

8) Затухающие пространственные гармоники поля, возбуждая слой предельно 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

Суперлинзы 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 ближнепольной

микроскопии, а также в качестве компонент различных высокотехнологических устройств. Устройства на основе разработанных метаматериалов позволяют создавать наноскопы (устройства аналогичные микроскопам, но со значительно улучшенным разрешением) и оптические волноведущие струкруры с крайне малым поперечным сечением (шины из плазмонных волноводов), улучшить характеристики ближнепольных микроскопов и установок нанолитографии, 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, ближнепольная 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 реальные коммерческие продукты для медицинского диагностического оборудования.

Апробация работы

По результатам работы представлено 94 доклада на международных научных конференциях различного уровня, в том числе

• 4th Int. Congress on Advanced Electromagnetic Materials in Microwaves and Optics, Karlsruhe, Germany, September 13-16,2010

• SPIE Optics + Photonics 2010, Metamaterials: Fundamentals and Applications III, San-Diego, USA, August 1-5, 2010

• CIMTEC 2010, 5th FORUM on New Materials, Montecatini Terme, Italy, June 13-18, 2010

• DaysonDiffraction'2010, St. Petersburg, Russia, June 8-11,2010

• META'10, International Conference on Metamaterials, Photonic crystals and Plasmonics, Cairo, Egypt, February 22-25, 2010

• Days on Diffraction'2009, St. Petersburg, Russia, May 26-29,2009

• International Congress on Advanced Electromagnetic Materials in Microwaves and Optics, London, UK, August 30-September 4,2009

• Int. Conf. on the Electrical, Transport and Optical Properties of Inhomogeneous Media (ETOPIM 8), Rethymnon, Greece, June 7-12, 2009

• PECS VIII, The 8th International Photonic & Electromagnetic Crystal Structures Meeting, Sydney, Australia, April 5-9, 2009

• 3rd European Conference on Antennas and Propagation, Berlin, Germany, March 23-27,2009

• Metamaterials'2008, Pamplona (Spain), 21-26 September, 2008

• Antennas and Propagation Society International Symposium, San Diego, California (USA), 5-11 July, 2008

• Int. Conference Days on Diffraction, St. Petersburg (Russia), 3-6 June, 2008

• APS March Meeting, New Orleans, Louisiana (USA), 10-14 March, 2008

• Frontiers in Nanophotonics and Plasmonics, Guaruja (Brazil), 10-14 November, 2007

• 2007 SBMO/IEEE MTT-S Int. Microwave and Optoelectronics Conference (IMOC 2007), Salvador (Brazil), 29 October - 1 November, 2007

• Metamaterials 2007, Rome (Italy), October 22-24, 2007

• 2007 IEEE Antennas and Propagation Society International Symposium, Honolulu, Hawaii (USA), June 10-15,2007

• Int. Workshop on Antenna Technology (IWAT'07), Cambridge (UK), March 21-23,2007

• 23rd International Review of Progress in Applied Computational Electromagnetics (ACES 2007), Verona (Italy), March 19-23,2007

• 1st European Topical Meeting on Nanophotonics and Metamaterials, Nanometa-2007, Seefeld, Tirol (Austria), 8-11 January, 2007

• Bianisotropics 2006 - Int. Conf. on Complex Media and Metamaterials, Samarkand (Uzbekistan), September 25-28,2006

• IET Seminar on Metamaterials for Microwave and (Sub)Millimetre-wave Applications, London (UK), September 19,2006

• 36th European Microwave Conference, Manchester (UK), Sept. 10-15, 2006

• Photonic Metamaterials: From Random to Periodic, OSA Topical Meeting, Grand Bahama Island (Bahamas), June 5-8,2006

• 13th IEEE Mediterranean Electrotechnical Conference (MELECON 2006), Benalmadena (Malaga, Spain), May 16-19,2006

• Days on Diffraction'2006, St. Petersburg (Russia), May 30 - June 2,2006

• Loughborough Antennas and Propagation Conf. 2006, Loughborough (UK), April 11-12,2006

• XXVIIIth General Assembly of International Union of Radio Science (URSI), New Delhi (India), October 23-29,2005

• Progress In Electromagnetic Research Symposium 2005, Hangzhou (China), August 22-26,2005

• Int. Workshop on Meta-materials and Negative Refraction, Hangzhou (China), August 27-29,2005

• Workshop on Metamaterials for Microwave and Optical Technologies, San Sebastian (Spain), July 17-21,2005

• Moscow Int. Symp. on Magnetism, Moscow (Russia), June 25-30,2005

• Days on Diffraction'2005, St. Petersburg (Russia), June 28 - July 1, 2005

• PECS-VI: International Symposium on Photonic and Electromagnetic Crystal Structures, Agia Pelaghia, Crete (Greece), June 18-24,2005

• 10th Conf. on Complex Media and Metamaterials, Bianisotropics 2004, Ghent (Belgium), September 22-24,2004

• URSI Int. Symp. on Electromagnetic Theory, Pisa (Italy), May 23-27, 2004

• Antennas and Propagation Society Symposium, Monterey, CA (USA), June 20-25,2004

Основные публикации

По теме диссертации автором опубликовано 10 глав в книгах, 58 статей в журналах списка ВАК и 94 тезиса в сборниках трудов конференций.

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. Таким образом можно реализовать "телеграф" из метаматериала, способный передавать изображения со сверхразрешением. Помимо принципиально другого принципа действия, ключевым отличительным моментом принципа канализации по сравнению с принципом действия сверхлинзы Пендри, является не чувствительность к потерям в метаматериале, что делает реализацию этого метода значительно более привлекательной для приложений. Принцип канализации изображений является новым и оригинальным решением позволяющим преодолеть дифракционный барьер для разрешения линзовых систем передачи изображений.

о и О! О 1) 3

о а, в

и са

Он

Рис. 1. Иллюстрация принципа канализации изображений: а) изочастотные кривые для пустого пространства (с отмеченными областями распространяющихся и затухающих пространственных гармоник) и б) изочастотная характеристика метаматериала, необходимого для реализации принципа канализации (затухающие пространственные гармоники отсутствуют).

В режиме канализации слой метаматериала работает не как обычная линза, которая фокусирует излучение в фокальное пятно, а как волноведущая структура, которая передает изображение с одной поверхности слоя на другую. Реализация такого режима возможна лишь в случае, когда метаматериал обладает плоской изочастотной поверхностью (см. Рис. 1.6), а его толщина удовлетворяет условию резонанса Фабри-Перо (равна целому числу полуволн) . Если изочастотная поверхность есть плоскость, то все пространственные гармоники, созданные источником (в том числе затухающие), превращаются при преломлении внутрь слоя в распространяющиеся моды метаматериала. Это позволяет передать информацию о субволновых деталях источника на значительные расстояния. Распространяющиеся моды метаматериала переносят изображение с передней поверхности слоя на заднюю поверхность, так как будто каждая точка передней поверхности соединена с противоположной точкой задней поверхности при помощи некоего волновода.

При трансформации пространственных гармоник в моды метаматериала неизбежны потери на отражение, что приводит к искажению пространственного спектра передаваемого изображения и уменьшает субволновое разрешение устройства. Однако, потери могут быть практически исключены при помощи настройки толщины слоя на резонанс Фабри-Перо. В этом случае, в отличие от классического резонанса Фабри-Перо, который наблюдается только для определенного наклона луча, полное прохождение падающего света наблюдается при любом угле падения, включая комплексные углы (то есть нераспространяющиеся пространственные гармоники). Дело в том, что

когда изочастота метаматериала является плоской, и эта плоскость в пространстве волновых чисел ориентирована нужным образом, то все моды метаматериала распространяются с фиксированной фазовой скоростью строго поперек слоя, независимо от угла падения. Иными словами, коэффициент отражения от такой сверхлинзы равен нулю для всех пространственных гармоник излучения. Поэтому источник может быть расположен в непосредственной близости к границе линзы без каких-либо опасений, что его ближнее поле будет искажено отраженными от линзы волнами.

Во второй главе описана реализация принципа канализации изображений в микроволновом диапазоне при помощи слоя среды из проводов периодически нагруженных на емкости. В микроволновом диапазоне частот принцип канализации был реализован для э-поляризации (поперечной электрической, ТЕ) при помощи электромагнитного кристалла состоящего из проводов периодически нагруженных емкостными нагрузками (см. Рис. 2.а). Геометрия и параметры сверхлинзы приведены на Рис. 2.

а) 1 г /;, б)

1 11-с

а-

источник \

• (/

Рис. 2. а) Среда из проводов периодически нагруженных на емкости, б) Слой среды из проводов использованой в качестве сверхлинзы. Параметры структуры: а=10мм, го=0.058а, с=0.55о, С=2рР, Л/,= 14, N,=21, с1=Ь=л[2а, рабочая частота - 2.2 ГГц соответствует волновому числу £=0.46/<7.

Среда из проводов нагруженных емкостными нагрузками обладает запрещенной зоной на крайне низкой частоте (отношение длины волны к периоду решетки Х/а= 14) и при этом не содержит ни каких материалов с высокой диэлектрической проницаемостью. Рабочая частота сверхлинзы выбрана вблизи границы резонансной запрещенной зоны кристалла так, чтобы ей соответствовала наиболее плоская изочастотная характеристика.

Поверхность сверхлинзы повернута на 45° по отношению к осям решетки поскольку именно в этом направлении направлена нормаль к этой изочастоте. Толщина слоя выбрана такой, чтобы она удовлетворяла

условию Фабри-Перо. Численный расчет при помощи метода основанного на принципе локального поля показал, что при выбранных параметрах слой среды из периодически нагруженных проводов передает изображение точечного источника расположенного вблизи его поверхности на противоположную сторону с разрешением Х/6 (см. Рис. 3).

Рис. 3. а) Распределение электрического поля вокруг сверхлинзы возбужденной точечным источником расположенным вблизи ее поверхности, б) Распределение интенсивности.

Как видно из Рис. З.а, изображение источника появилось в противофазе, поскольку толщина слоя соответствует половине волны в структуре. В структуре с удвоенной толщиной изображение получилось бы синфазным. Внутри электромагнитного кристалла, от изображения к источнику тянется канал с высокой интенсивностью по которому передается ближнее поля источника с одной поверхности на другую. Именно благодаря этому эффекту данный принцип передачи изображений со сверхразрешением был назван принципом канализации.

Теоретические оценки были подтверждены экспериментально и удалось продемонстрировать разрешение X/10 на частоте около 2 ГГц. Для реализации среды из проводов нагруженных емкостями была использована стопка печатных плат (см. Рис. 4.а) на которых были нанесены металлические полоски определенных размеров (см. Рис. 4.6).

Размеры были выбраны таким образом, чтобы они соответствовали погонному емкостному импедансу, использованному в расчетах, однако измерения показали, что резонансная запрещенная зона изготовленного кристалла находится на более низких частотах, чем ожидалось. Это означает, что емкостной импеданс изготовленного образца оказался выше расчетного, но это ни в коем случае не поменяло его функциональности как сверхлинзы. Напротив, из-за понижения центральной частоты резонансной запрещенной зоны отношение длины волны на рабочей частоте к периоду структуры увеличилось, а значит разрешение сверхлинзы только улучшилось.

а) ¥

Рис. 4. а) Фотография слоя электромагнитного кристалла из периодически нагруженных проводов, б) Геометрия одного емкостно-нагруженного провода. Параметры структуры: /=22 мм, ?=0.575 мм, w= 1.1 мм, остальные такие же как на Рис. 2. Рабочая частота - 1.73 ГГц.

Были проведено сканирование ближнего поля вокруг изготовленной сверхлинзы при поднесенной к ее поверхности дипольной антенне (см. Рис. 4.а). В качестве пробы использовалась такая же вторая антенна. Результаты сканирования приведены на Рис. 5.а. Четкий и острый максимум поля на обратной стороне слоя подтвердил, что изготовленная структура является линзой способной передавать изображения с разрешением много меньшим длины волны. Для сравнения, на Рис. 5.6 приведено результат аналогичного измерения, но без сверхлинзы. Наблюдаемый максимум поля намного шире, чем в случае с сверхлинзой, и в этом случае его радиус составляет порядка половины длины волны, что согласуется с дифракционным ограничением.

Рис. 5. а) Распределение интенсивности электрического поля вокруг сверхлинзы возбужденной дипольной антенной расположенной вблизи ее поверхности, б) То же, но в отсутствии сверхлинзы.

Оценка радиуса изображения (по половинному уровню интенсивности) полученного при помощи сверхлинзы показала разрешение около Л,/10. Еще лучшее разрешение могло бы быть получено путем увеличения величины емкостных нагрузок, однако при увеличении емкости не удалось бы избежать роста потерь в структуре. К тому же сверхлинза стала бы крайне узкополосной, что затруднило бы детектирование сигнала в области изображения. Интенсивность поля на обратной стороне слоя в проведенном эксперименте оказалась в 20 раз меньше чем вблизи источника. Это обусловлено высокими потерями в диэлектрике печатных плат, возникающими из-за большой интенсивности поля внутри кристалла (см. Рис. З.б). При всем этом, поскольку форма полученного изображения в точности повторяет оригинал, то уместно говорить о передаче изображений со сверхразрешением. Более того, проведенный эксперимент показывает, что принцип канализации не чувствителен к потерям и свойство передачи изображений со сверхразрешением не разрушается при введении даже значительных потерь в структуру, в отличие от сверхлинз Пендри из сред Веселаго, разрешение которых чувствительно даже к малейшим потерям.

В третьей главе описывается реализация принципа канализации изображений в микроволновом диапазоне при помощи слоя среды из проводов. Для р-поляризации (поперечной магнитной, ТМ) в микроволновом диапазоне замечательную возможность канализации предоставляет простейший искусственный материал из решетки параллельных проводов (см. Рис. 6).

Рис. 6. Геометрия сверхлинзы для передачи изображений на частоте 1 ГГц состоящей из среды из проводов. Параметры структуры: а = 10мм, г = 1мм, а* = 150мм, А = 5мм.

Среда из проводов поддерживает волны крайне специфического типа, так называемые моды линии передачи, которые переносят электромагнитную энергию строго вдоль проводов с фиксированной

фазовой скоростью равной скорости света, при том что поперечный волновой вектор этой волны может быть произвольным. Таким образом, моды линии передач на микроволнах обладают идеально плоской изочастотной характеристикой, что является необходимым условием для реализации принципа канализации.

Детальные аналитические, численные и экспериментальные исследования показали, что сверхлинзы в виде слоя из проводов перпендикулярных поверхности слоя (см. Рис. 6) передают микроволновые изображения с разрешением равным удвоенному периоду решетки. Этот период может быть сделан практически сколь угодно малым по сравнению с длиной волны - все зависит исключительно от возможности производства такой решетки решётки. Эффективно, линза, образованная средой из проводов работает как многопроводная линия передач или как массив из волноводов с размерами много меньшими длины волны, которые не взаимодействуют друг с другом, тем самым, гарантируя передачу изображений с одной поверхности линзы на другую. Передача микроволновых изображений с разрешением 1/15 на частотах около 1 ГГц при помощи среды из проводов была продемонстрирована в как численно (см. Рис. 7), так и экспериментально (см. Рис. 8,9).

Рис. 7. Распределения электрического поля и интенсивности на передней поверхности линзы из среды из проводов (а,в) и на задней поверхности (б,г) полученные при помощи численного моделирования.

В четвертой главе описывается реализация принципа канализации изображений в терагерцовом и инфракрасном диапазонах. Сверхлинзы из проводов являются уникальным устройствам для передачи изображений с разрешением много меньше длины волны в микроволновом частотном диапазоне, где металлы являются практически идеально проводящими.

Рис. 8. Фотография экспериментального образца линзы из среды из проводов

Ширина полосы частот на которых наблюдалась передача изображений составила 18%. Более того, оказалось, что такая структура практически не чувствительна к потерям, а значит, толщина линзы может быть настолько большой по сравнению с длиной волны насколько это необходимо. Единственным ограничением остается необходимость

резонанса Фабри-Перо полуволн).

ч источник, |Е„

а) ю, *

8 6 4

£ 0 О О

Х-2

-4 -6 -8 -I

(равенство толщины линзы целому числу

-4-2 0 2

г (ст)

изображение, |ЕХ

Рис. 9. Экспериментальные результаты по сканированию поля на передней (а) и задней (б) поверхностях линзы из среды из проводов [25].

Рис. 10. Геометрия линзы для передачи изображений на частоте 30 ТГц состоящей из серебряных нано-цилиндров с радиусом 21.5 нм в матрице из халкогенидного стекла. Все размеры приведены в нанометрах.

Однако в терагерцовом и инфракрасном диапазоне сверхлинза с такой геометрией будет функционировать с определенными ограничениями, поскольку металлы на этих частотах обладают свойствами плазмы, а не проводника. Численные результаты показывают, что при помощи массива серебряных нано-цилиндров в халькогенидном стекле (см. Рис. 10) на частоте 30 ТГц удается передать изображение с разрешением Л./10 на расстояние порядка длины волны в стекле (см. Рис. 11). При численных расчетах использовался источник ближнего поля в виде букв 'Ж' для того чтобы подчеркнуть, что линза функционирует в инфракрасном диапазоне.

а)

б)

86 ■ 47-1

' V

_ ... X

Рис. 11. Распределение интенсивности электрического поля на передней (а) и задней (б) поверхностях линзы из серебряных наноцилиндров на частоте ЗОТГц.

На более низких частотах можно получить более высокое субволновое разрешение используя структуру с аналогичной геометрией.

На Рис. 12 приведены результаты численного моделирования для решетки 36 х 73 с периодом 1.300 мкм, состоящей из серебряных цилиндров с радиусом 130 нм и длиной 38.8 мкм в матрице из халкогенидного стекла, сконструированной для работы на 5 ТГц (см. рис 13). В этом случае наблюдается разрешение порядка ЛУ20.

|Е„|

а) 1|

1 1 ~~7 I

1 м

|Е„|

8.5

б)-ГМ#5 I

III

Рис. 12. Распределение интенсивности электрического поля на передней (а) и

Рис. 13. Геометрия линзы для передачи изображений на частоте 5 ТГц состоящей из серебряных нано-цилиндров с радиусом 130 нм в матрице из халькогенидного стекла. Все размеры приведены в микрометрах.

В пятой главе описывается реализация принципа канализации изображений в оптическом диапазоне. Предложена альтернативная структура, состоящая из чередующихся диэлектрических и металлических слоев, которая позволяет реализовать режим канализации изображений на оптических частотах. Этот «оптический телеграф» функционирует в оптическом диапазоне так же, как среда из проводов работает в микроволновом диапазоне. Чтобы понять это, рассмотрим некоторые свойства среды из проводов в диапазоне микроволн. Известно, что среда из проводов (см. Рис. 6.а) может быть описана при помощи тензора пространственно дисперсной диэлектрической проницаемости следующего вида:

е(о),кх) = £0[е(й),кх)хх + уу + гг], (1)

к2

£(©Л) = 1+^Т, (2)

где ось координат Ох ориентирована вдоль направления проводов, к = со/с -волновой вектор вмещающего материала, к,, = ю^с - волновой вектор соответствующий плазменной частоте со;„ зависящий от периода решетки и радиуса проводов, кх - компонента волнового вектора вдоль проводов, с - скорость света во вмещающей среде, е0 - диэлектрическая проницаемость вмещающей среды.

Для мод линии передачи кх = к и диэлектрическая проницаемость (2) становится бесконечно большой. Таким образом, эти волны эффективно распространяются в среде с диэлектрической проницаемостью вида

£ = £-0[сохх + уу + гг]. (3)

Значит, для того, чтобы получить в оптическом диапазоне те же свойства, которыми обладает среда из проводов в микроволновом диапазоне, необходимо создать одноосный оптический материал с диэлектрической проницаемостью (3). Для изотропных композитов в оптическом диапазоне вряд ли возможно добиться очень высоких значений диэлектрической проницаемости. Например, натуральных материалов с показателем преломления порядка ста в оптическом диапазоне не существует. Однако применительно к анизотропным искусственным материалам, получение одной из компонент тензора диэлектрической проницаемости порядка ста и более вполне реально! Высокие значения одной из компонент диэлектрической проницаемости могут наблюдаться, например, в периодических структурах состоящих из чередующихся слоев металла и диэлектрика.

с г

IIII11

Рис. 14. Геометрия многослойной метало-диэлектрической структуры для реализации принципа канализации в оптическом диапазоне .

Рассмотрим слоистый материал изображенный на Рис. 14. На низких частотах такой материал может быть описан при помощи тензора диэлектрической проницаемости следующего вида:

? = ^||хх + £1(уу +гг), (4)

где

_ е,е/, +

с/. + с/,

V, +£2Х

с1,

(5)

Для того, чтобы получить е1 = 1 и £ц = °° и создать материал с тензором диэлектрической проницаемости вида (3), необходимый для реализации принципа канализации, достаточно выбрать параметры многослойной структуры такими, что £1 / £г = ~с1, /с12 и +г2 = 1. Из первого уравнения видно, что один из слоев должен обладать отрицательной диэлектрической проницаемостью, т.е. структура должна состоять из чередующихся слоев металла и диэлектрика. Например, можно выбрать £, =2, ег=-\ и б/,/г/2=2 или £, = 15, £2=-14 и с/,/^2 =15/14.

Важно отметить, что структура необходимая для реализации режима канализации не может быть создана, используя слои одинаковой толщины, поскольку условие £,/£,= -с/, /с/2 = — 1 неминуемо ведет к + £2 = О Ф1. Многослойные металлодиэлектрические структуры Пендри, состоящие из слоев одинаковой толщины, обладают другими оптическими свойствами, нежели те слоистые структуры, которые необходимы для реализации режима канализации изображений. Слоистые материалы с с11 = с?2 и = -£г соответствуют случаю £1 = 0 и = °° и эффективно ведут себя как решетка проводов находящаяся в материале с нулевой диэлектрической проницаемостью. Такая структура является анизотропным аналогом так называемого материала с нулевым индексом рефракции. Эта анизотропная среда не согласована со свободным

пространством из-за того, что ее магнитная проницаемость тривиальна 0 = 1, а не О, как необходимо для согласования). Отсутствие согласования по волновому импедансу среды и пространства вызывает высокий уровень отражения от слоя такой среды материала. Это и ограничивает сверху допустимую толщину слоя, как это было уже указано выше. В отличие от структуры Пендри, наша структура, работающая в режиме канализации, обладает нулевым отражением, ибо резонанс Фабри-Перо выполняется для всех возможных углов падения плоских волн на слой, включая комплексные углы.

Для того, чтобы продемонстрировать возможность передачи изображений с субволновым разрешением в режиме канализации при помощи предложенной метало-диэлектрической структуры было проведено численное моделирование. Источник ближнего поля в виде петли тока образующей букву Р располагался на расстоянии 20 нм от сверхлинзы толщиной 300 нм образованной чередующимися слоями с диэлектрическими проницаемостями г, = 2 и £г =-1, и толщинами с/\=10 нм и £¿=5 нм пш, соответственно. Длина волны излучения выбрана равной 600 нм. Материал с диэлектрической проницаемостью-1 на длине волны 600 нм может быть получен путем внедрения коллоидного серебра в диэлектрик с малыми потерями. В качестве диэлектрика с проницаемостью +2 может быть использовано стекло. Геометрия структуры приведена на Рис. 15.

У5

л (Ч

г И

и, / со

Рис. 15. Геометрия сверхлинзы из слоистого метало-диапектрического метаматериала используемая для численного моделирования, а) вид в перспективе, б) вид сбоку, в) вид спереди, г) увеличение внутренней структуры. Все размеры приведены в нанометрах.

Распределения электрического поля в плоскостях параллельных поверхности линзы приведены на Рис. 16 и наглядно демонстрируют передачу изображения с разрешением 30 нм (Я/20). На Рис. 16.а показано поле в свободном пространстве на расстоянии 20 нм от источника. Оно практически идентично полю на передней поверхности линзы, см. Рис. 16.6. Этот факт является подтверждением того, что отражение от

поверхности линзы пренебрежимо мало. Основной вклад в отраженное поле вносят волны, рассеянные на краях и углах линзы. На Рис. 16.в показано распределение поля на задней поверхности линзы. Изображение хорошо различимо, несмотря на присутствие искажений вызванных плазмонно-поляритонными колебаниями, возбужденными на этой поверхности. Поле этих плазмонов крайне быстро убывает с расстоянием, так что на расстоянии 20 нм от задней поверхности их вклад становится незаметным и в прошедшем поле остается исключительно 'полезная' информация об изображении, см. Рис. 16.г.

а)

б)

в)

г)

Рис. 16. Распределения амплитуды электрического поля перпендикулярного поверхности сверхлинзы [26]: а) в свободном пространстве на расстоянии 20 нм от источника, б) на передней поверхности, в) на задней поверхности, г) в свободном пространстве на расстоянии 20 нм от задней поверхности.

Разрешение многослойной структурыопределяется ее периодом (1 = + ¿2 в направлении перпендикулярном поверхности линзы, а не вдоль, как в случае с линзой образованной средой из проводов. Причиной этому является то, что моделирование периодической структуры при помощи однородного одноосного диэлектрика с тензором диэлектрической проницаемости вида (4) справедливо лишь для ограниченного диапазона компонент волнового вектора. Этот факт был подтвержден путем расчёта изочастотных характеристик рассматриваемого метаматериала как одномерного фотонного кристалла, образованного слоями металла и диэлектрика.

При помощи расчета изочастотных характеристик предсказана возможность получения улучшенного разрешения порядка Л/60 при длине волны равной 600 нм для многослойной структуры состоящей из слоев с диэлектрическими проницаемостями =15, е1 =-14 и толщинами с1\ = 7.76 нм и с1г - 7.24 нм. Такая структура может быть получена, используя кремний в качестве диэлектрика и серебро в качестве металла. Однако для получения желаемого результата эта структура должна быть изготовлена с крайне высокой точностью шлифовки поверхности (допустимые неровности порядка 0.05 нм и менее), тогда как предыдущая структура (см. Рис. 15) на порядок более терпима к неровностям. В обоих предложенных вариантах сверхлинз потери в серебре минимизированы путем выбора рабочей длины волны равной 600 нм на которой наблюдается минимум поглощения, однако, в соответствии с численными оценками, потери все же значительно уменьшают разрешение. Эта проблема может быть решена путем использования активных материалов.

Частотный диапазон в пределах которого многослойные метало-диэлектрические структуры могут быть использована для передачи изображений со сверхразрешением до конца не исследован, однако ожидается, что он перекроет всю оптическую область частот, а также часть инфракрасного спектра в котором не может быть использована среда из металлических цилиндров. Таким образом, при помощи сред из металлических проводов и многослойных метало-диэлектрические структур можно будет создавать устройства для передачи изображений с разрешением много меньше длины волны во всем спектре частот от микроволнового до оптического диапазона.

В шестой главе рассматривается вопрос передачи изображений с субволновым разрешением на расстояния, превосходящие длину волны. Одним из ключевых свойств принципа канализации изображений является тот факт, что данный режим не ограничивает расстояние на которое происходит передача изображения с разрешением много меньшим длины волны: единственным условием является то, что это расстояние должно быть равно целому числу полудлин волн в метаматериале. Это свойство является огромным преимуществом по сравнению с другими решениями такими как, сверхлинза Пендри, разрешение и толщина которой значительно ограничены уровнем потерь в метаметериале и которые фактически до сих пор не удалось сделать толще чем треть длины волны.

Для того, чтобы наглядно продемонстрировать данное преимущество принципа канализации нами была сконструирована линза из проводов длиной 1 метр (см. Рис. 17), а остальные параметры структуры были выбраны такими же, как в главе 3 (см. Рис. 6). В качестве источника ближнего поля нами была выбрана антенна из проволоки в виде короны (см. Рис. 17), запитанная коаксиальным кабелем с сопротивлением 50 Ом, которая располагалась на расстоянии 2 мм от поверхности линзы.

Рис. 17. Фотография линзы из среды из проводов длиной 1 метр, созданной для демонстрации возможности передачи изображений со сверхразрешением на значительные по сравнению с длиной волны расстояния.

Были проведены измерения ближнего поля в плоскостях в непосредственной близости от источника, как в присутствии, так и в отсутствии линзы и из проводов, а также в плоскости изображения - на выходе линзы из проводов, на расстоянии 1 метра от источника. Результаты сканирования, проведенного при помощи механического ближнепольного сканера, приведены на Рис. 18 и соответствуют частотам 894 и 1038 МГц, на которых наблюдались наилучшие изображения.

Source Plane 1 Without Lens)

Image Plane

Рис. 18. Результаты сканирования ближнего поля. а,ф На расстоянии 2 мм от источника в отсутствие линзы, Ь,е) На расстоянии 2 мм от источника в присутствии линзы, с,1) Изображение полученное на выходе линзы. а,Ь,с) соответствуют частоте 894 МГц, а с),е,0 - 1038 МГц.

Выбранные частоты лежат в непосредственной близости от Фабри-Перо резонансов шестого и седьмого порядка данной структуры, т.е. на этих частотах расстояние на которое передается изображение, соответственно, в 3 и 3.5 раза больше длины волны. При этом разрешение, определяемое периодичностью структуры, соответственно в 18 и 15 раз меньше длины волны. Данные результаты не имеют аналогов в мире. До данного эксперимента никому не удавалось одновременно передать изображение со столь высоким субволновым разрешением на столь большое расстояние по сравнению с длиной волны.

Следует отметить, что линза не только передает изображение с высоким разрешением, но также и не искажает поля источника. Этот факт подтверждается при помощи сравнения ближних полей вблизи источника в присутствии и в отсутствии линзы (см. Рис. 18.а и Ь). Все существующие на данный момент сверхлинзы обладают значительным коэффициентом отражения и тем самым, будучи помещенными в непосредственной близости к источнику, изменяют его ближнее поле. Разработанная нами линза обладает уникальным свойством: она остается практически невидимой для источника. Источник, фактически, не испытывает никакого взаимодействия с поднесенной к нему линзой. Такого функционирования естественно ожидать от качественно работающей линзы со сверхразрешением, однако другие существующие сверхлинзы не обладают этим свойством.

Измерения по передаче ближнего поля созданной линзой проводились в широком диапазоне частот и наблюдались эффекты возбуждения волноводных мод на частотах сильно отличающихся от частот резонансов Фабри-Перо, в полном соответствии с аналогичными результатами для более компактной линзы рассмотренной в главе 3.

Кроме того, в шестой главе рассматриваются увеличивающие и уменьшающие гиперлинзы из проводов. В предыдущих главах рассматривались сверх-линзы способные манипулировать ближним полем, а именно передавать изображения с деталями много меньшими длины волны. Однако, для практических применений интересна не только возможность передачи изображений, но и такие операции как увеличение и уменьшение изображений.

Группами Е.Нариманова и Н. Энгеты были предложены так называемые гиперлинзы - устройства позволяющие увеличивать субволновые детали настолько, что они становятся сравнимыми с длиной волны и, соответственно, могут быть обработаны при помощи обычных систем передачи и обработки изображений, разрешение которых не ограничено дифракционным пределом. Фактически, это преобразователи ближнего поля в волновое.

Вслед за теоретическими работами последовали экспериментальные демонстрации возможности создания гиперлинз в видимом диапазоне

частот. Все предложенные решения были основаны на использовании металло-диэлектрических многослойных наноструктурированных метаматериалов рассмотренных в главе 6. К сожалению, применение таких метаматериалов ограничено как частотным диапазоном, в котором они функционируют, так и достаточно высокими потерями.

Гиперлинзы для микроволнового, терагерцового и инфракрасного диапазонов могут быть созданы при помощи массивов из проводов с радиально увеличивающимся расстоянием между ними (см. Рис. 19).

Рис. 19. Геометрия гиперлинзы из проводов и результаты численного моделирования, подтверждающие ее способность увеличивать распределения электромагнитного поля с разрешением много меньшим длины волны при помощи электромагнитного симулятора РЕКО.

Фактически, предложенная геометрия является модификацией сверхлинзы изображенной на Рис. 17. Массив параллельных проводов длиной 1 метр преобразуется в пространственный сферический сегмент, заполненный этими проводами. Поскольку расстояния между проводами на входной поверхности в три раза меньше расстояния на выходе из структуры, то следует ожидать того, что изображения, передаваемые через такую структуру в режиме канализации будут также увеличены в три раза. Этот факт подтверждается численным моделированием при помощи метода моментов в коммерческом симуляторе РЕКО. Результаты моделирования приведены на Рис. 19: изображение в форме буквы М оказалось увеличенным в три раза и совершенно не искаженным.

Серьезным недостатком предложенной геометрии является то, что ее поверхности не являются плоскими. Сканирование изображения со сферической поверхности является крайне неудобной с технической точки зрения. Данная проблема является практически неразрешимой для геометрий гиперлинз предложенных группами Е.Нариманова и Н.Энгеты, поскольку они состоят из концентрических слоев металла и диэлектрика. Однако, в случае гиперлинзы из проводов поверхности линзы достаточно просто могут быть сделаны плоскими (см. Рис. 20.В).

-16 -12 -8 -4 0 4 8 12 16 ъ (ст)

Рис. 20. Геометрия увеличивающей гиперлинзы из проводов с плоскими поверхностями. А) Источник ближнего поля. В) Фотография гиперлинзы. Все размеры приведены в миллиметрах. С) Распределение поля в плоскости источника. О) Распределение поля в плоскости увеличенного изображения (на выходе гиперлинзы). Рабочая частота: 1047 МГц.

Модифицированная геометрия гиперлинзы из проводов с плоскими поверхностями состоит из проводов разной длины, т.е. ее толщина не остается постоянной в отличие от сферической геометрии (Рис. 19), что затрудняет ее функционирование в режиме канализации требующем равенства толщины линзы целому числу полудлин волн. Однако, пока разница в длинах проводов не превышает нескольких процентов длины волны, данное обстоятельство незначительно влияет на функциональные качества гиперлинзы.

Гиперлинза показанная на Рис. 20.В была сконструирована и ее способность увеличивать изображения с разрешением много меньше длины волны была проверена экспериментально. В качестве источника ближнего поля использовалась антенна с размерами, показанными на Рис. 20.А, и создающая четкое изображение в виде короны с деталями много меньшими длины волны (см. Рис. 20.С). Изображение, сформированное гиперлинзой, было просканировано при помощи ближнепольного микроволнового сканера и оказалось в три раза больше чем оригинал (см. Рис. 20.0). Измерения проводились на частоте 1047 МГц.

Приведенные на Рис. 20 результаты являются первой демонстрацией функциональных возможностей гиперлинзы с плоскими поверхностями в микроволновом диапазоне частот. Аналогичные гиперлинзы могут быть созданы для терагерцового и инфракрасного диапазона путем масштабирования размеров предложенной структуры.

Рис. 21. Геометрия увеличивающей линзы из проводов с плоскими поверхностями и диэлектрическим фазовым компенсатором для поддержания равной электрической длины проводов.

При необходимости увеличения апертуры гиперлинзы возникает проблема с тем, что длины проводов в центральной части линзы значительно отличаются от длины проводов на периферии. В этом случае для сохранения необходимой функциональности структуры разницу в

физических длинах проводов можно компенсировать путем внедрения диэлектрического фазового компенсатора (см. Рис. 21) внутрь гиперлинзы с целью поддержания равных электрических длин проводов, необходимых для соблюдения условия Фабри-Перо. Данное решение было протестировано при помощи численного моделирования в CST Microwave Studio и подтверждено экспериментом.

Классическим применением гиперлинзы является увеличение распределений электромагнитного поля. Однако, та же линза может выполнять и обратную операцию: создавать уменьшенные изображения.

-16 -12 -8 -4 0 4 8 12 16

ъ (ст)

Рис. 22. Г еометрия уменьшающей линзы из проводов с плоскими поверхностями. А) Источник ближнего поля. В) Фотография гиперлинзы. Все размеры приведены в миллиметрах. С) Распределение поля в плоскости источника, й) распределение поля в плоскости уменьшенного изображения (на выходе линзы). Рабочая частота: 455 МГц.

Для этого достаточно поменять местами входную и выходную поверхности гиперлинзы. Полученные таким образом уменьшающие гиперлинзы могут применяться для создания сложных распределений

ближнего поля с деталями много меньшими длины волны из их волновых аналогов той же формы. Нами был проведен эксперимент с целью подтверждения возможности такого функционирования гиперлинзы. Мы поместили источник (см. Рис. 22.А) вблизи расширенной части гиперлинзы (Рис. 22.В) и провели механическое сканирование распределения поля в плоскостях источника и изображения. Результаты измерений на частоте 455 МГц приведены на Рис. 22.С,0. Изображение источника оказалось в три раза меньше оригинала и точно повторяло его сложную форму.

Таким образом, при помощи гиперлинз из радиально расходящихся массивов проводов можно увеличивать или уменьшать пространственные распределения электромагнитного поля. Нами были приведены экспериментальные подтверждения этого факта в микроволновом диапазоне частот, но теоретические оценки показывают, что предложенная геометрия может быть отмасштабирована и соответствующие линзы должны обладать той же функциональностью в терагерцовом и инфракрасном диапазонах частот.

В седьмой главе изложены результаты аналитического и численного моделирования резонансного возбуждения затухающих гармоник в предельно анизотропном метематериале на примере среды из параллельных металлических наноцилиндров. Наблюдается эффект увеличения амплитуды стоячей волны в слое при увеличении продольной компоненты волнового вектора падающей волны (см. Рис. 23).

£ 2 н о

-4 -6 -8

"-0.1 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6

х/Х

Рис. 23. Распределения магнитного поля вокруг и внутри слоя материала с предельной оптической анизотропией, возбужденного затухающими волнами с различными значениями тангенциальной составляющей волнового вектора.

Данный эффект позволяет детектировать внутри слоя субволновые детали изображения источника, находящегося на значительном расстоянии от слоя метаматериала. Восстановление затухающих пространственных гармоник происходит не полностью, в отличие от идальной линзы Пендри (см. сравнение на Рис. 24). Однако, предложенное решение является крайне перспективным ввиду того, что предельно-анизотропные метаматериалы могут быть созданы технологически проще, чем материалы с отрицательными материальными параметрами, а также поскольку в отличие от линзы Пендри, эффект намного менее чувствителен к потерям в метематериале.

а)

слой свободного пространства толщиной

Ml 5

слои материала с

с=ц=-1 толщиной А./15

полный коэффициент пропускания

g") слой свободного пространства толщиной

1.2

центральная плоскость материала с предельной анизотропией Юг

полный коэффициент пропускания

4 6

к/к

Рис. 24. Сопоставление абсолютных значений коэффициентов передачи для слоев из (а) метаматериала с е=ц=-1 (толщиной AY15) и (б) материала с предельной оптической анизотропией, как функций от тангенциальной составляющей волнового вектора и их эффективности восстановления ослабления затухающих волн в слое свободного пространства толщиной X115.

Проведено численное моделирование слоя среды из проводов конечного размера и продемонстрирована возможность различения субволновых деталей объекта, находящегося на значительном удалении от слоя, благодаря эффекту резонансного возбуждения затухающих пространственных гармоник. Изображение в этом случае наблюдается в середине слоя (см. Рис. 25) и значительно превосходит по качеству

изображение на задней поверхности слоя, получаемое благодаря режиму канализации из распределения поля на передней поверхности.

•о

о, о"

поле в плоскости источника

поле на задней поверхности слоя

О 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7

х/Л

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 Х/Л

поле в середине слоя

О 0.1 0,2 0.3 0.4 0.5 0.6 0,7

Х/Л

Рис. 25. Результаты численного моделирования возбуждения слоя предельно анизотропного материала источником, удаленным на расстояние X/15 от поверхности.

Заключение

В работе показана возможность реализации принципа канализации изображений в микроволновом, терагерцовом, инфракрасном и оптических диапазонах частот при помощи различных метаматериалов и продемонстрирована возможность передачи изображений с разрешением много меньшим длины волны на значительные расстояния. Удалось снять дифракционное ограничение для разрешения линзовых систем передачи изображений, которое казалось долгое время непреодолимым.

Разработанные устройства позволяют создавать наноскопы (устройства аналогичные микроскопам, но со значительно улучшенным разрешением) и оптические волноведущие струкруры с крайне малым поперечным сечением (шины из плазмонных волноводов), улучшить характеристики ближнепольных микроскопов и установок нанолитографии, 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, ближнепольная микроскопия.

Основные результаты были подтверждены экспериментально в 2007 г. и с этого момента используются на практике: в университете Севильи (Испания) и университете Ловэйн (Бельгия) в 2008 г. были созданы первые устройства, увеличивающие разрешение и чувствительность томографов, использующие предложенные в данной работе принципы.

Список публикаций автора по теме работы

Главы в книгах:

1. Р.А. Belov, C.R. Simovski, P. Ikonen, "Flat lenses formed by photonic and electromagnetic crystals", Metamaterials Handbook, Applications of Metamaterials, Ed. by F. Capolino, CRC Press LLC, pp. 2.1-2.22,2009.

2. P.A. Belov, M.G. Silveirinha, C.R. Simovski, Y. Hao, "Subwavelength imaging by arrays of metallic rods", Metamaterials Handbook, Applications of Metamaterials, Ed. by F. Capolino, CRC Press LLC, pp. 3.1-3.20,2009

3. Белов П.А., Симовский К.P., Хао Я. Передача оптических изображений с разрешением много меньшим длины волны при помощи периодической металлодиэлектрической структуры, - В кн.: Проблемы когерентной и нелинейной оптики, СПб: СПбГУИТМО, 2006, с. 37-53 (ISBN 5-7577-0299-0).

4. Белов П.А., Симовский К.Р., Отражение электромагнитных волн от фотонных кристаллов и обобщенная теорема погашения, - В кн.: Проблемы когерентной и нелинейной оптики, СПб: СПбГУИТМО, 2004, с. 154-169 (ISBN 5-7577-0154-4).

5. Симовский К.Р., Белов П.А., Башнина Г.Л., Применение метаматериалов для транспортировки ближнепольного изображения в волновую зону, - В кн.: Современные технологии, СПб: СПбГУ ИТМО, 2004, с. 6-23 (ISBN 5-7577-0250-8).

6. Белов П.А., Симовский К.Р., Эффекты обратных волн и отрицательной рефракции на оптических частотах, В кн.: Современные технологии, СПб: СПбГУИТМО, 2003, с. 56-75 (ISBN 5-7577-0135-8).

7. Белов П.А., Симовский К.Р., Эффекты обратных волн и отрицательной рефракции на оптических частотах, - В кн.: Современные технологии, СПб: СПбГУИТМО, 2003, с. 56-75 (ISBN 5-7577-0135-8).

8. Белов П.А., Дисперсионные и отражательные свойства двухмерного электромагнитного кристалла из реактивно нагруженных проводов, -В кн.: Проблемы когерентной и нелинейной оптики, СПб: СПбГИТМО, 2002, с. 162 - 170 (ISBN 5-7577-0106-4).

9. Белов П.А., Симовский К.Р. Аналитический расчет дисперсионных кривых для трехмерных фотонных кристаллов, - В кн.: Оптические и лазерные технологии, СПб: СПбГИТМО, 2001, с. 58-66 (ISBN 57577-0071-8).

10. Белов П. А., Аналитическая модель распространения электромагнитных волн в трехмерных фотонных кристаллах, - В кн.: Проблемы когерентной и нелинейной оптики, СПб: СПбГИТМО, 2000, - с.202-210 (ISBN 5-7577-0064-5).

Статьи в реферируемых журналах:

11. П. А. Белов, Е. А. Янковская, И. В. Мельчакова, К. Р. Симовский, "Исследование возможности извлечения материальных параметров из коэффициентов отражения и прохождения плоской волны для многослойных метаматериалов на основе металлических наносеток", Оптика и спектроскопия, Т. 109, №01, сс. 90-101,2010.

12. A. Rahman, Р.А. Belov, Y. Нао, and С. Parini, "Periscope-like endoscope for transmission of a near field in the infrared range", Optics Letters, vol. 35, pp. 142-144,2010.

13. A. Rahman, P.A. Belov, and Y.Hao, "Tailoring silver nanorod arrays for subwavelength imaging of arbitrary coherent sources", Phys. Rev. B, vol. 82, pp. 113408(1-4), 2010.

14. 1. V. Melchakova, E. A. Yankovskaya, P. A. Belov, and C. R. Simovski, "Material parameters of optical metamaterials formed by nano-fishnet structures", Proc. SPIE, Vol. 7754, pp. 77541V(1-14), 2010.

15. P.A. Belov, A. Rahman, and S.Yu. Kosulnikov, "Optimal parameters of metallic nanorods arrays for subwavelength imaging", Proc. SPIE, Vol. 7754, pp. 77541E(!-6), 2010.

16. A.A. Orlov, A.V. Chebykin, and P.A. Belov, "Strong spatial dispersion in nanostructured multilayered metal-dielectric optical metamaterials", Proc. SPIE, Vol. 7754, pp. 77540E(l-7), 2010.

17. Y. Zhao, P.A. Belov and Y. Hao, "Subwavelength internal imaging by means of a wire medium", Journal of Optics A: Pure and Applied Optics, Vol. 11,pp. 075101 (1-6), 2009.

18. P.A. Belov, Y.Zhao, Y.Hao, C. Parini, "Enhancement of evanescent spatial harmonics inside of materials with extreme optical anisotropy", Optics Letters, vol. 34, pp. 527-529,2009.

19. A. Rahman, P.A. Belov, M.G. Silveirinha, C.R. Simovski, Y. Hao, and C. Parini, "The importance of Fabry-Perot resonance and the role of shielding in subwavelength imaging performance of multiwire endoscopes", Applied Physics Letters, vol. 94, pp. 031104 (1-3), 2009.

20. M.G. Silveirinha, P.A. Belov, C.R. Simovski, "Ultimate limit of resolution of subwavelength imaging devices formed by metallic rods", Optics Letters, vol. 33, pp. 1726-1728,2008.

21. M.G. Silveirinha, P.A. Belov, "Spatial dispersion in lattices of split ring resonators with permeability near zero", Physical Review B, vol. 77, pp. 233104(1-4), 2008.

22. P.A. Belov, Y. Zhao, S. Tse, P. Ikonen, M.G. Silveirinha, C.R. Simovski, S.A. Tretyakov, Y. Hao, and C. Parini, "Transmission of images with subwavelength resolution to distances of several wavelengths in the microwave range", Physical Review B, Vol. 77, pp. 193108 (1-4), 2008.

23. Y. Zhao, P.A. Belov, Y. Hao, "Accurate modelling of left-handed metamaterials using finite-difference time-domain method with spatial

averaging at the boundaries", Journal of Optics A: Pure and Applied Optics, Vol. 9, pp. S468-S475, 2007.

24. ПЛ. Белов, К.Р. Симовский, П. Иконен, М.Г. Силверинха, Я. Хао, "Передача изображений с разрешением много меньшим длины волны в микроволновом, терагерцовом, инфракрасном и оптическом диапазонах частот", Радиотехника и Электроника, Т. 52, №. 9, сс. 1092-1107,2007.

25. P. Ikonen, С. Simovski, S. Tretyakov, P. Belov, Y. Hao, "Magnification of subwavelength field distributions at microwave frequencies using a wire medium slab operating in the canalization regime", Appl. Phys. Lett., Vol. 91, pp. 104102(1-3), 2007.

26. Y. Zhao, P.A. Belov, Y. Hao, "Accurate modeling of the optical properties of left-handed media using a finite-difference time-domain method", Phys. Rev. E, vol. 75, pp. 037602 (1 -4), 2007.

27. M.G. Silveirinha , P.A. Belov, C.R. Simovski, "Sub-wavelength imaging at infrared frequencies using an array of metallic nanorods", Physical Review B, vol. 75, pp. 035108 (1-12), 2007.

28. Y. Zhao, P.A. Belov, Y. Hao, "Modelling of wave propagation in wire media using spatially dispersive Finite-Difference Time-Domain method: numerical aspects", IEEE Transactions on Antennas and Propagation, Vol.55, pp. 1506- 1513,2007.

29. P.A. Belov, Y. Zhao, S. Sudhakaran, A. Alomainy, Y. Hao, "Experimental study of the sub-wavelength imaging by a wire medium slab", Applied Physics Letters, vol. 89, pp. 262109 (1-3), 2006.

30. Zhao Y., Belov P.A., Hao Y. "Spatially dispersive finite-difference timedomain analysis of sub-wavelength imaging by the wire medium slabs", Optics Express, vol. 14, pp. 5154-5167, 2006.

31. Belov P.A., Silveirinha M.G. "Resolution of subwavelength lenses formed by a wire medium", Phys. Rev. E, vol. 73, pp. 056607(1-9), 2006.

32. Belov P.A., Hao Y. "Subwavelength imaging at optical frequencies using a transmission device formed by a periodic layered metal-dielectric structure operating in the canalization regime", Physical Review B, vol. 73, pp. 113110(1-4), 2006.

33. Ikonen P., Karkkainen M., Simovski C.R., Belov P.A., Tretyakov S.A., "Light-weight base station antenna with artificial wire medium lens", IEE Proc. - Microwaves, Antennas&Propagation, vol. 153, pp.163-170, 2006.

34. Belov P.A., Hao Y., Sudhakaran S., "Subwavelength microwave imaging using an array of parallel conducting wires as a lens", Physical Review B, vol. 73, pp. 033108 (1-4), 2006.

35. Ikonen P., Belov P.A., Simovski C.R, Maslovski S.I., "Experimental demonstration of subwavelength field channeling at microwave frequencies using a capacitively loaded wire medium", Physical Review B, vol. 73, pp. 073102 (1-4), 2006.

36. Belov P.A., Simovski C.R., "Boundary conditions for interfaces of electromagnetic crystals and the generalized Ewald-Oseen extinction principle", Physical Review B, vol. 73, pp. 045102 (1-14), 2006.

37. Belov P.A., Simovski C.R., "Subwavelength metallic waveguides loaded by uniaxial resonant scatterers", Physical Review E, vol. 72, pp. 036618 (1-11), 2005.

38. Belov P.A., Simovski C.R., "Homogenization of electromagnetic crystals formed by uniaxial resonant scatterers", Physical. Review E, vol. 72, pp.026615 (1-15), 2005.

39. Belov P.A., Simovski C.R., Ikonen P., "Canalization of subwavelength images by electromagnetic crystals", Physical Review B, vol. 71, pp.193105 (1-4), 2005.

40. Belov P.A., Simovski C.R., Nefedov I.S., Tretyakov S.A. "Low-frequency superprism effect and hybridization of transmission-line modes in two- and three-dimensional wire media", PIERS Online, vol. 1, no. 3, pp. 285-289,2005.

41. P.A. Belov, C.R. Simovski, "Canalization of sub-wavelength images by electromagnetic crystals", PIERS Online, vol. 1, no. 1, pp. 37-41,2005.

42. Simovski C.R., Belov P.A., "Low-frequency spatial dispersion in wire media", Physical Review E, vol. 70, pp. 046616 (1-8), 2004.

43. Белов ПЛ., Симовский K.P., Третьяков С.А. "Обратные волны и отрицательная рефракция в фотонных (электромагнитных) кристаллах", Радиотехника и Электроника, Т. 49, № 11, сс. 11991207,2004.

44. Simovski C.R., Belov P.A., Не S., "Backward wave region and negative material parameters of a structure formed by lattices of wires and split-ring resonators", IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 51, no. 10, pp. 2582- 2591, 2003.

45. Tretyakov S.A., Maslovski S.I., Belov P.A., "An analytical model of metamaterials based on loaded wire dipoles", IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 51, no. 10, pp. 2652- 2658,2003.

46. Белов ПЛ., Масловский С.И., Симовский K.P., Третьяков СЛ., " Об одном условии, налагаемом на электромагнитную поляризуемость бианизотропного рассеивателя без потерь", Письма в ЖТФ, Т. 29, № 17, сс. 36-40,2003.

47. Belov P.A., Simovski C.R., Tretyakov S.A., "An example of bi-anisotropic electromagnetic crystals: the spiral medium", Physical Review E, vol. 67, pp.056622 (1-6), 2003.

48. Belov P.A., Marques R., Maslovski S.I., Nefedov I.S., Silverinha M., Simovski C.R., Tretyakov S.A., "Strong spatial dispersion in wire media in the very large wavelength limit", Physical Review B, vol. 67, pp.113103 (1-4), 2003.

49. Belov P.A., "Backward waves and negative refraction in uniaxial dielectrics with negative dielectric permittivity along the anisotropy axis", Microw. Optical Technology Lett., vol. 37, no. 4, pp. 259-263,2003.

50. Tretyakov S.A., Maslovski S.I., Nefedov I.S., Viitanen A.J., Belov P.A., Sanmartín A., "Artificial Tellegen particle", Electromagnetics, vol. 23, no. 8, pp. 665-680, 2003.

51. Belov P.A., Simovski C.R., Tretyakov S.A., "Two-dimensional electromagnetic crystals formed by reactively loaded wires", Physical Review E, vol. 66, pp. 036610 (1-7), 2002.

52. Belov P.A., Tretyakov S.A., Viitanen A.J., "Nonreciprocal microwave bandgap structures", Physical Review E, vol. 66, pp. 016608 (1-8), 2002.

53. Maslovski S.I., Tratyakov S.A., Belov P.A., "Wire media with negative effective permittivity: a quasi-static model", Microw. Optical Technology Lett., vol. 35, no. 1, pp. 47-51, 2002

54. Belov P.A., Tretyakov S.A., "Resonant reflection from dipole arrays located very near to conducting planes", J. Electromagnetic Waves Applic., vol. 16, no.l, pp. 129-143,2002.

55. Belov P.A., Tretyakov S.A., "Dispersion and reflection properties of artificial media formed by regular lattices of ideally conducting wires", J. Electromagnetic Waves Applic., vol. 16, no. 8, pp. 1153-1170,2002.

56. Belov P.A., Simovski C.R., "Reflection properties of layer or half-space of particulate photonic crystal", SPIE Proc., vol. 4453, pp. 18-29,2001.

57. Belov P.A., Tretyakov S.A., "Resonance reflection properties of dipole grids near ideally conducting planes", SPIE Proc., vol. 4467, pp. 265-272, 2001.

58. Belov P.A., "Analytical model of electromagnetic wave reflection from layer or half-space of photonic crystal", SPIE Proc., vol. 4416, pp.334339, 2001

59. Белов П.А., Симовский K.P., "Формулы типа Лоренц-Лорентца и Клаузиуса-Мосотгидля анизотропных искусственных диэлектриков", Вестник Молодых Ученых: Физические Науки, Т. 1, с. 34-40,2000.

60. Belov Р.А., Simovski C.R., "Oblique propagation of electromagnetic waves in regular 3D lattices of scatterers (dipole approximation)", SPIE Proc., vol. 4073, pp. 266-276, 2000.

61. Simovski C.R., Kondratjev M.S., Belov P.A., Tretyakov S.A., "Interaction effects in two-dimensional bianisotropic arrays", IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 47, no. 9, pp. 1429-1439, 1999.

62. Simovski C.R., Belov P.A., Kondratjev M.S., "Electromagnetic interaction of chiral particles in three dimensional arrays", J. Electromagnetic Waves Applic., vol. 13, pp. 189-203, 1999.

63. Белов П.А., Симовский K.P., Кондратьев M.C., Булыгин Д.О, "Возбуждение дифракционной решетки из бианизотропных частиц

плоской электромагнитной волной", Известия вузов, Приборостроение, Т. 41, № 3, с. 21-32,1998.

64. Simovski C.R., Belov P.A., Kondratjev M.S., "Excitation of multilayered grids of bianisotropic particles by plane wave", SPIE Proc., vol. 3323, pp. 691-698, 1998.

65. Kondratjev M.S., Simovski C.R., Belov P.A., "Reflection and transmission of plane waves in bianisotropic planar grids", SPIE Proc., vol. 3323, pp. 669-678, 1998.

66. Belov P.A., Simovski C.R., Kondratjev M.S., "Analytical-numerical study of electromagnetic interaction in two-dimensional bianisotropic arrays", SPffi Proc., vol. 3323, pp. 679-690,1998.

67. Belov P.A., Simovski C.R., Kondratjev M.S., "Problem of the local field for plane grids with bianisotropic particles", SPIE Proc., vol. 3039, pp. 680-691,1997.

68. Simovski C.R,; Kondratjev M.S., Belov P.A., Tretyakov S.A., "Excitation dyadics for the grids of chiral and omega particles", SPIE Proc., vol. 3039, pp. 692-703,1997.

Тиражирование и брошюровка выполнены в учреждении «Университетские телекоммуникации» 197101, Санкт-Петербург, Саблинская ул., 14 Тел.(812)233 4669 объем 2,5 у. пл. Тираж 100 экз.

Содержание диссертации автор исследовательской работы: доктора 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 диссертация по физике, 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

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.

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

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

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