25586

طراحي و شبيه‌سازي فراماده با ضريب شكست صفر

كارشناسي ارشد

فيزيك

1397

1400/6/14

مهدي شايگان منش

علي پناه پور

فيزيك

فرامواد به طور ذاتي داراي پتانسيل بالايي در كنترل ويژگي هاي نوري ماده هستند. در سال هاي اخير فرامواد با ضريب شكست نزديك به صفر توجهات زيادي را به خود جلب كرده اند. نور در داخل چنين موادي تغيير فاز ناچيزي را تجربه مي كند و داراي سرعت فاز بسيار بزرگي است. از اين ويژگي ها براي تحقق بخشيدن به پديده هاي تابش جهتمند، تونل زني موجبرها، دستيابي به ساختارهاي تك مد در مساحت زياد و پنهان سازي الكترومغناطيسي مي توان استفاده كرد. با اين حال در فركانس هاي نوري نشان داده شده است كه فرامواد ضريب شكست صفر و منفي نياز به اجزاي فلزي دارند، كه منجر به تلفات اهمي بزرگي مي شود؛ اين يك مانع جدي براي توسعه كاربردهاي اين ساختارها است. در اينجا ما يك فراماده ضريب شكست صفر با امپدانس محدود در فركانس نوري، كه بر اساس ساختارهاي تماما دي الكتريك ساخته شده است را طراحي مي كنيم. بدين ترتيب نشان خواهيم داد چگونه مي توان به پاشندگي مخروطي ديراك در كريستال هاي فوتوني دست يافت، و در بعضي موارد چگونه مي توان از اين پاشندگي هاي ديراك براي ايجاد فراماده با ضريب شكست صفر استفاده كرد. بدين منظور نشان خواهيم داد در كريستال هاي فوتوني دوبعدي مي توان با تنظيم كردن پارامترهاي سيستم به تبهگني سه گانه تصادفي در نقطه Γ دست يافت، كه پاشندگي باند آن از دو باند خطي كه سطوح پاشندگي مخروطي را ايجاد مي كنند و يك باند تخت اضافي ديگر كه يكديگر را در نقطه شبه ديراك قطع مي كنند، تشكيل شده است. اگر اين حالت تبهگني سه گانه از برانگيختگي هاي تك قطبي و دو قطبي حاصل شده باشد مي توان سيستم را همانند يك محيط موثر در نظر گرفت كه به طور همزمان داراي ضريب گذردهي الكتريكي و تراوايي مغناطيسي صفر است؛ و اين سيستم مي تواند نور را طوري منتقل كند كه گويا ضريب شكست موثر محيط برابر صفر است. بايد توجه داشت تمام حالت هاي تبهگني سه گانه با برانگيختگي هاي تك قطبي و دو قطبي توصيف نمي شوند، در اين موارد پاشندگي مخروطي ممكن است به ضريب شكست موثر صفر مربوط نشود. در ادامه نيز با استفاده از نرم افزار شبيه‌سازي 𝐶𝑂𝑀𝑆𝑂𝐿 𝑀𝑢𝑙𝑡𝑖𝑝ℎ𝑦𝑠𝑖𝑐𝑠 تاييد مي كنيم يك كريستال فوتوني دي الكتريك با يك مقدار مشخص از ضريب گذردهي الكتريكي مي تواند در گستره نوري داراي ضريب شكست موثر صفر باشد. با شبيه‌سازي اين مدل رفتار موج در اين سيستم را بررسي مي كنيم. همچنين با استفاده از اين شبيه ساز يك موجبر ضريب شكست صفر را نيز در گستره نوري طراحي مي كنيم و چگونگي رفتار موج در اين موجبر را با موجبرهاي ضريب شكست صفر كه با اجزاي فلزي ساخته شده اند مقايسه مي كنيم.

1400/09/02

Design and Simulation of Zero-Index Metamaterial

9/5/2022 12:00:00 AM

Metamaterials offer unprecedented flexibility for manipulating the optical properties of matter. Recently, metamaterials with near-zero refractive index have drawn much attention. Light inside such materials experiences no spatial phase change and extremely large phase velocity, properties that can be applied for realizing directional emission, tunneling waveguides, large area single mode. However, at optical frequencies previously demonstrated zero- or negative refractive index metamaterials require the use of metallic inclusions, leading to large ohmic loss, a serious impediment to device applications. Here, we demonstrate an impedance matched zero-index metamaterial at optical frequencies based on purely dielectric constituents. We show how one may obtain conical Dirac dispersions in photonic crystals, and in some cases such conical dispersions can be used to create a metamaterial with an effective zero refractive index. We show specifically that in two-dimensional photonic crystals we can adjust the system parameters to obtain accidental triple degeneracy at Γ point, whose band dispersion comprises two linear bands that generate conical dispersion surfaces and an additional flat band crossing the Dirac-like point. If this triply degenerate state is formed by monopole and dipole excitations, the system can be mapped to an effective medium with permittivity and permeability equal to zero simultaneously, and this system can transport wave as if the refractive index is effectively zero. However, not all the triply degenerate states can be described by monopole and dipole excitations and in those cases, the conical dispersion may not be related to an effective zero refractive index. Then, by using 𝐶𝑂𝑀𝑆𝑂𝐿 𝑀𝑢𝑙𝑡𝑖𝑝ℎ𝑦𝑠𝑖𝑐𝑠 software, we demonstrate in the optical regime that such dielectric photonic crystals with reasonable dielectric constants manipulate waves as if they had near-zero refractive indices. By simulating this model, we examine the wave behavior in this system. Also, by using this simulator, we design a zero refractive index waveguide in the optical range and compare how the wave behaves in this waveguide with the zero refractive index waveguides made of metal components.

فراماده , ضريب شكست صفر , شبيه سازي

Metamaterial , Zero- refractive index , Simulation