СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОПТИЧЕСКОГО МЕТАМАТЕРИАЛА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ
METHOD OF DETERMINING OPTICAL METAMATERIAL AND DEVICE THEREFOR

Изобретение относится к новому научному направлению - получению и исследованию метаматериалов, в частности к оптической диагностике материалов с отрицательным показателем преломления.
Метаматериал - искусственно созданная среда, состоящая из периодических микроструктур (металлических резонаторов), размеры которых намного меньше длины волны используемого электромагнитного излучения. Взаимодействие излучения с таким материалом носит резонансный характер, т.е. свойства метаматериала проявляются, как правило, в узкой полосе длин волн. С точки зрения геометрической оптики, для данного материала выполняется известный закон преломления, но падающий и преломленный лучи при этом лежат по одну сторону от нормали к границе раздела сред.
Толчком к экспоненциальному росту научных публикаций по метаматериалам стала работа Дж. Пендри [1], опубликованная в 2000 г. В ней было показано, что линза, предложенная Веселаго в 1966 году, наряду с ранее описанными особенностями фокусировки, обладает способностью переносить изображение предмета с точностью, не ограниченной так называемым волновым пределом (суперлинза).
В последние годы уже достигнуты определенные успехи в создании метаматериалов в ближней ИК-области и активизировалась разработка материалов для видимого диапазона длин волн. В ходе решения этой проблемы всегда возникает вопрос - является ли созданный материал метаматериалом. В оптическом и ближнем ИК-диапазоне искусственно созданная среда, претендующая на роль метаматериала, представляет собой плоскопараллельную пластинку толщиной от сотни нанометров до нескольких сот микрометров. Метаматериал воспринимается электромагнитной волной как сплошная среда с определенными величинами эффективной диэлектрической ε и магнитной µ проницаемостями, причем один из этих параметров или оба могут быть отрицательными. При одновременно отрицательном значении ε и µ, показатель преломления среды n также отрицательный, т.е. n<0. Заявляемый способ как раз и позволяет определять такой материал.
Известен метод исследования и идентификации метаматериалов, основанный на законах геометрической оптики, так называемый метод ножа [2]. Суть метода заключалась в том, что на пути коллимированного пучка ИК-излучения вблизи пластинки метаматериала устанавливалось лезвие (непрозрачный экран) и проводились измерения интенсивности прошедшего излучения вблизи края лезвия. Прошедший пластинку пучок, испытав некоторое смещение, распространялся по направлению падающего пучка. Направление этого смещения и определяло, является данная пластинка метаматериалом или нет. К основному недостатку данного метода следует отнести сложность его экспериментальной реализации. Из-за малой толщины пластинки смещение пучка очень мало, и его фиксация относится к разряду сложных экспериментальных задач. На точность и достоверность определения смещения светового пучка влияет и неплоскопараллельность пластинки, и степень коллимации пучка. Требуются также и определенные навыки работы с субмикронными пучками.
Предлагаемое изобретение направлено на решение задачи по определению, является ли данный материал оптическим метаматериалом. Упрощается и решение этой сложной задачи.
В способе определения оптического метаматериала, заключающемся в том, что из исследуемого материала изготавливают плоскопараллельную пластинку, на обе поверхности пластины наносят диэлектрическое и непрозрачное для светового пучка покрытие, в одном из покрытий по центру выполняют входное окно, размер которого соизмерим с толщиной пластинки, через входное окно под углом направляют коллимированный световой пучок, который после многократного отражения выходит из пластины, и при наличии отрицательного показателя преломления по положению выходного светового пучка относительно нормали к границе раздела пластинка-воздух в точке падения материал относят к метаматериалу.
В заявляемом способе покрытия являются диэлектрическими и полностью непрозрачными.
Устройство для определения оптического метаматериала может быть реализовано в двух вариантах.
Первый вариант устройства предназначен для определения метаматериала на конкретной длине волны. Устройство для определения оптического метаматериала содержит пластинку из исследуемого материала с нанесенным по обе стороны ее поверхности покрытием из диэлектрического материала, непрозрачным для заданной длины волны излучения, для ввода светового пучка внутрь пластинки в одном из покрытий по центру выполнено входное окно, размер которого соизмерим с толщиной пластинки, при этом площадь поверхности покрытия меньше площади поверхности пластинки.
Второй вариант устройства предназначен для определения длины волны, на которой данный материал является метаматериалом. Устройство для определения оптического метаматериала содержит пластинку из исследуемого материала, с нанесенным по обе стороны ее поверхности двухслойным покрытием, внутренний слой выполнен диэлектрическим и тонким по сравнению с толщиной самой пластинки, наружный слой - металлическим, непрозрачным в широком диапазоне длин волн, для ввода светового пучка внутрь пластинки в одном из покрытий по центру выполнено входное окно, размер которого соизмерим с толщиной пластинки, при этом площадь поверхности покрытия меньше площади поверхности пластинки.
Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами, где:
на фиг.1 показано устройство предлагаемого изобретения и ход лучей в нем для исследования материала на конкретной длине волны, когда материал обычный;
на фиг.2 показано устройство предлагаемого изобретения и ход лучей в нем для исследования материала на конкретной длине волны, когда материал является метаматериалом;
на фиг.3 показано устройство предлагаемого изобретения и ход лучей в нем для определения длины волны, на которой данный материал является метаматериалом.
В заявляемом способе определения метаматериала предложен подход, увеличивающий смещение светового пучка при прохождении через исследуемую плоскопараллельную пластинку за счет многократного прохождения его в «волноводной структуре», созданной исследуемым материалом и нанесенным на его поверхность покрытием.
<mrow><mi>Δ</mi><mi>x</mi><mo>=</mo><mi>d</mi><mo stretchy="false">(</mo><mn>1</mn><mo>−</mo><mfrac><mrow><mi>cos</mi><mi>α</mi></mrow><mrow><msqrt><mrow><msup><mi>n</mi><mn>2</mn></msup><mo>−</mo><msup><mrow><mi>sin</mi></mrow><mn>2</mn></msup><mi>α</mi></mrow></msqrt></mrow></mfrac><mo stretchy="false">)</mo><mi>sin</mi><mi>α</mi></mrow>
Известно, что при прохождении световым пучком плоскопараллельной пластинки, пучок не изменяет своего направления распространения. Он лишь испытывает смещение относительно своего первоначального направления, величина которого определяется соотношением
, где d - толщина исследуемой пластинки, n - показатель преломления, α - угол падения пучка. Видно, что смещение пучка всегда меньше толщины пластинки и при нормальном падении отсутствует. Так как толщина метаматериалов для оптического диапазона составляет от сотен нанометров до нескольких сотен микрометров, то измерять такие смещения световых пучков достаточно сложно. Нанесенные на поверхность исследуемого материала непрозрачные для используемого излучения покрытия позволяют за счет многократного отражения падающего под углом α коллимированного светового пучка развести преломленный пучок для обычного материала и преломленный пучок для метаматериала по разные стороны относительно нормали к границе раздела сред в точке падения.
Устройство для определения оптического метаматериала (фиг.1 и фиг.2) включает в себя пластинку исследуемого материала 1 с нанесенными на ее поверхности покрытиями 2 и 3, которые выполнены диэлектрическими и непрозрачными для заданной длины волны. Для ввода светового пучка внутрь пластинки одно из покрытий имеет по центру соизмеримое с толщиной пластинки входное окно 4, для вывода пучка площадь поверхности покрытия меньше площади поверхности пластинки.
В случае облучения пластинки излучением широкого диапазона (фиг.3), покрытия изготовляют сложными. Это обусловлено тем, что диэлектрическое покрытие, полностью отражающее широкий спектр излучения, является многослойным и добиться условия, когда толщина отражающего покрытия намного меньше толщины самой пластинки, сложно. Во 2-м варианте покрытия изготавливают двухслойными. Внутренний слой 5 является диэлектрическим и тонким по сравнению с толщиной самой пластинки. Он предотвращает закорачивание микрорезонаторов метаматериала. Наружный слой 6 выполнен из металла и обеспечивает полное отражение излучения в широком спектральном диапазоне.
Предлагаемое устройство работает следующим образом. Коллимированное излучение 7 падает под углом α на плоскопараллельную пластинку исследуемого материала 1, на поверхность которой нанесены покрытия 2 и 3. Через входное окно 4 одного из покрытий световой пучок попадает внутрь пластинки и, испытав многократное отражение, выходит наружу. Если на пластинку падает монохроматическое излучение 7 (фиг.1-2), то в соответствии с законами геометрической оптики, преломленный пучок 8 будет находиться по одну сторону от нормали вместе с падающим пучком для метаматериала и по разные стороны (пучок 9) для обычного материала. Если же на пластинку падает излучение 7 широкого спектрального диапазона (фиг.3), то будут присутствовать оба преломленных пучка 8 и 9. Пластинка исследуемого материала 1 селективно реагирует на падающий световой пучок 7 и из всего спектра выделяет лишь ту длину волны 8, на которой исследуемый материал является метаматериалом.
Заявляемый способ точно и надежно позволяет определить оптический метаматериал с отрицательным показателем преломления. Способ прост в экспериментальной реализации и технологичен. Напыление (нанесение) покрытий может быть совмещено с процессом изготовления самого метаматериала. При этом дополнительные покрытия метаматериала выполняют защитную функцию, увеличивая его механическую прочность и защищая от воздействия окружающей среды. Для повышения эффективности взаимодействия излучения с метаматериалом, в конкретном устройстве может быть применен принцип многократного прохождения излучения в веществе, и, следовательно, покрытия будут «полезны» не только на стадии исследования материала, но и для функционирования самого устройства.
Источники информации
1. J.В. Pendry. Negative refraction makes a perfect lens // Physical review letters. - 2000. - Oct. - V.85. - P.3966-3969S.
2. A.J. Hoffman, L. Alekseyev, S.S. Howard, K.J. Franz, D. Wasserman, V.A. Podolskiy, E.E. Narimanov, D.L. Sivco, C. Gmachl. Negative refraction in semiconductor metamaterials // Nature Materials. - 2007. - Decem. - V.6, - P.946-950.