Ανάλυση, σχεδίαση και μοντελοποίηση περιοδικών μεταεπιφανειών μέσω ενεργών επιφανειακών επιδεκτικοτήτων
Authors: Δημητριάδης Αλέξανδρος 
Published: August 2021

Αντικείμενο της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι η ανάλυση, μοντελοποίηση και βελτιστοποιημένη σχεδίαση περιοδικών μεταεπιφανειών με τη βοήθεια μοντέλων ενεργών επιφανειακών επιδεκτικοτήτων. Το βασικό κίνητρο για την παρούσα εργασία αποτέλεσε η σημαντική ανάπτυξη του συγκεκριμένου επιστημονικού κλάδου και η πληθώρα πρακτικών εφαρμογών που έχουν προταθεί τα τελευταία λίγα χρόνια. Προς τον σκοπό αυτό προτάθηκε ένα αναλυτικό μοντέλο το οποίο βασίζεται στην διπολική προσέγγιση. Η ανάλυση παρουσιάστηκε, αρχικά, για την αναπαράσταση ενεργού μέσου μιας διδιάστατης περιοδική δομής ηλεκτρικά-μικρών, με εφαπτόμενων σκεδαστών (μεταφίλμ). Αξιοποιώντας έναν συμπαγή μητρωικό συμβολισμό, ο ζητούμενος πίνακας ενεργών επιφανειακών επιδεκτικοτήτων της διάταξης υπολογίζεται ως το άθροισμα τριών όρων με διακριτή φυσική σημασία: του πίνακα πολωσιμοτήτων του μετα-ατόμου που απαρτίζει το μεταφίλμ, [α], του πίνακα των συντελεστών ενδοεπιπεδικών αλληλεπιδράσεων, [C], και του κυματικού πίνακα, [D]. Οι εξαγόμενες ενεργές παράμετροι είναι μη-τοπικής φύσεως, δεδομένου ότι οι τιμές τους εξαρτώνται από το κυματικό διάνυσμα της προσπίπτουσας ακτινοβολίας. Επιπλέον, εφαρμόζοντας την αρχή δυαδικότητας του Babinet, το πρόβλημα μιας μεταλλικής οθόνης περιοδικά διατρυπημένης με οπές (μεταοθόνη) μπορεί να απεικονιστεί στη λύση του συμπληρωματικού της μεταφίλμ. Αυτή η προσέγγιση, η οποία επεκτάθηκε μέχρι το όριο της πρώτης ανωμαλίας Wood-Rayleigh για την περίπτωση της κάθετης πρόσπτωσης, επιτρέπει την πρόβλεψη του φαινομένου της ασυνήθους υπερυψηλής διάδοσης για οπές κανονικών γεωμετρικών σχημάτων.Στη συνέχεια, εξήχθησαν οι αναλυτικές εκφράσεις των συντελεστών ανάκλασης και διάδοσης μιας τυχαίας μεταεπιφάνειας, θεωρώντας τη γενικότερη πιθανή μορφή του πίνακα επιφανειακών επιδεκτικοτήτων. Αυτές οι εκφράσεις περικλείουν τους συντελεστές Fresnel όμοιας και ορθογώνιας πόλωσης και εξαρτώνται από αμφότερες τις γωνίες φ και θ του Euler. Το αποτέλεσμα αυτό αποτελεί μια γενίκευση των διαφόρων εκφράσεων που υπάρχουν στη βιβλιογραφία, γεγονός που το καθιστά ένα ιδιαίτερα χρήσιμο εργαλείο για την επαλήθευση της ισχύος οποιουδήποτε μοντέλου επιφανειακών επιδεκτικοτήτων. Τέλος, διατυπώθηκαν οι εκφράσεις διατήρησης ενέργειας για την περίπτωση μεταεπιφανειών χωρίς απώλειες.Ακόμα, σαν μια ρεαλιστική εφαρμογή των μεταεπιφανειών, μελετήθηκε η σχεδίαση και η ανάλυση της επίδοσης των μικροκυματικών απορροφητών. Η προτεινόμενη διάταξη είναι ανεξάρτητη της πόλωσης και η επίδοσή της παραμένει πρακτικά αμετάβλητη για γωνίες πρόσπτωσης μέχρι 60ο. Η απαραίτητη προσαρμογή μεταξύ της διάταξης και του περιβάλλοντος χώρου επιτυγχάνεται λόγω της καταστρεπτικής συμβολής των ανακλώμενων κυμάτων, ενώ η ηλεκτρομαγνητική ενέργεια μετατρέπεται σε θερμότητα κυρίως λόγω των απωλειών του διηλεκτρικού υποστρώματος. Τέλος, χρησιμοποιώντας την ιδιότητα της κλιμάκωσης των μεταϋλικών, το εύρος ζώνης του αρχικού απορροφητή βελτιώθηκε σημαντικά, χωρίς να αυξηθεί το συνολικό του μέγεθος. Το φάσμα απορρόφησης των δειγμάτων που κατασκευάστηκαν, το οποίο μετρήθηκε με τη βοήθεια ενός κατάλληλου πειράματος στο εσωτερικό ενός ανηχοϊκού θαλάμου, βρέθηκε σε πολύ καλή συμφωνία με τα αποτελέσματα των αντίστοιχων αριθμητικών προσομοιώσεων, επιβεβαιώνοντας έτσι την ακρίβεια της προτεινόμενης διαδικασίας σχεδίασης.