ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН English Войти Подать статью
Журнал радиоэлектроники Электронный научный журнал · eISSN 1684-1719
2018, № 12 · РАСПРОСТРАНЕНИЕ РАДИОВОЛН

Пропускание микроволн многослойной структурой метаматериал-диэлектрик: ближнее и дальнее поле

И.А. Карпов1

1 Институт Физики твёрдого тела РАН 142432 Московская область, г. Черноголовка, ул. Академика Осипьяна, д. 2, Россия
Полный текст (PDF) DOI: 10.30898/1684-1719.2018.12.19 EDN VQKWBK

Аннотация

Представлены спектры пропускания в микроволновом диапазоне многослойной металл-диэлектрической структуры типа “невод” (“multi-fishnet”) с новым оригинальным дизайном метаматериального слоя как в ближнем, так и в дальнем полях; представлены картины микроволнового поля в окрестностях метаматериального образца. Сообщается о возникновении экстраординарного пропускания через данную структуру. Анализируется возможность объяснения наблюдаемого эффекта с точки зрения плазмонной теории и с точки зрения теории последовательности связанных резонаторов Фабри-Перо.

  • метаматериал
  • слоистые структуры
  • микроволны
  • спектр пропускания
  • поверхностные плазмоны
  • перфорированные металлические слои
  • Резонаторы Фабри-Перо
  • metamaterial
  • multilayer structures
  • microwaves
  • transmission spectrum
  • surface plasmons
  • perforated metallic layers
  • Fabry-Perot cavities
Abstract (in English)

In this paper a transmission of electromagnetic radiation through a multilayer metamaterial metal-dielectric structure (multi-fishnet) with new original design of rhombus-like subwavelength apertures in the near field as well as in the far field at microwave frequencies is considered. This multilayer stack consists of alternate periodically patterned metal foils and unperforated dielectric layers. The about eightfold enhancement of the microwave electric field strength behind the central part of the single subwavelength aperture in the form of a rhombus was observed in near field for all the studied foliated samples with the number of perforated aluminium layers from 2 to 12 at frequencies from 7 GHz to 20 GHz. This effect that first disclosed by Ebbesen within the optical range can be useful for both better understanding of the propagation behaviour of the electromagnetic waves and creation of various practical devices utilizing this effect. The number of peaks in the transmission spectrums of the foliated metamaterial samples in the far field is equal to the number of dielectric spacers within a multilayer metamaterial structure. These dielectric spacers play a role of resonators providing the feature of the transmission spectrum similar to Fabry-Perot resonance. The resonant character of transmission for the investigated multilayer metamaterial stack is confirmed by the experimental microwave electric field patterns around the multilayer sample. The experimentally obtained results suppose the presence of a negative effective refractive index at the studied foliated metamaterial during its resonant pass band.

Для цитирования

Карпов И.А. Пропускание микроволн многослойной структурой метаматериал-диэлектрик: ближнее и дальнее поле // Журнал радиоэлектроники. – 2018. – № 12. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2018.12.19

Литература

  1. J. B. Pendry, L. Martin-Moreno, F. J. Garcia-Vidal. Mimicking surface plasmons with structured surfaces. // Science. 2004. Vol. 305 (5685), p. 847 - 848. DOI: 10.1126/science.1098999.
  2. T. W. Ebbesen, H. J. Lezec, H. F. Ghaemi, T. Thio & P. A. Wolff. Extraordinary optical transmission through sub-wavelength hole arrays. // Nature. 1998. Vol. 391, p. 667 - 669.
  3. M. C. Larciprete, C. Sibilia, S. Paoloni, M. Bertolotti, F. Sarto, and M. Scalora. Accessing the optical limiting properties of metallo-dielectric photonic band gap structures. // Journal of Applied Physics. 2003. Vol. 93, No. 9, p. 5013 - 5017. DOI: 10.1063/1.1564283.
  4. M. Scalora, M. J. Bloemer, A. S. Pethel, J. P. Dowling, C. M. Bowden, and A. S. Manka. Transparent, metallo-dielectric, one-dimensional, photonic band-gap structures. // Journal of Applied Physics. 1998. Vol. 83, No. 5, p. 2377 - 2383. DOI: 10.1063/1.366996.
  5. M. R. Gadsdon, J. Parsons, and J. R. Sambles. Electromagnetic resonances of a multilayer metal-dielectric stack. // Journal of Optical Society of America B. 2009. Vol. 26, No. 4, p. 734 - 742.
  6. A. J. Ward, J. B. Pendry, and W. J. Stewart. Photonic dispersion surfaces. // Journal of Physics: Condensed Matter. 1995. Vol. 7, No. 10, p. 2217 - 2224.
  7. A. Mary, Sergio G. Rodrigo, L. Martin-Moreno and F. J. Garcia-Vidal. Plasmonic metamaterials based on holey metallic films. // Journal of Physics: Condensed Matter. 2008. Vol. 20, p. 304215-1 - 304215-8. DOI: 10.1088/0953-8984/20/30/304215.
  8. L. Martin-Moreno, F. J. Garcia-Vidal, H. J. Lezec, K. M. Pellerin, T. Thio, J. B. Pendry and T. W. Ebbesen. Theory of Extraordinary Optical Transmission through Subwavelength Hole Arrays. // Physical Review Letters. 2001. Vol. 86, p. 1114.
  9. Celia A. M. Butler, James Parsons, J. Roy Sambles, Alastair P. Hibbins, and Peter A. Hobson. Microwave transmissivity of a metamaterial-dielectric stack. // Applied Physics Letters. 2009. Vol. 95, p. 174101-1 - 174101-3. DOI: 10.1063/1.3253703.
  10. R. Sauleau, Ph. Coquet, J. P. Daniel, T. Matsui, and N. Hirose. Study of Fabry-Pérot cavities with metal mesh mirrors using equivalent circuit models. Comparison with experimental results in the 60 GHz band. // International Journal of Infrared and Millimeter Waves. 1998. Vol. 19, No. 12, p. 1693 - 1710.
  11. J. Bae, J.-C. Chiao, K. Mizuno, and D. B. Rutledge. Metal mesh couplers using evanescent waves at millimeter and submillimeter wavelengths. // International Journal of Infrared and Millimeter Waves. 1995. Vol. 16, No. 2, p. 377.
  12. M. Camacho, R. R. Boix, and F. Medina. Computationally efficient analysis of extraordinary optical transmission through infinite and truncated subwavelength hole arrays. // Physical Review E. 2016. Vol. 93, p. 063312-1 - 063312-15. DOI: 10.1103/PhysRevE.93.063312
  13. P. R. Ulibarri. Metamaterials and extraordinary transmission structures applied to microwave, millimeter and terahertz waves devices. // Thesis of Doctor of Philosophy. The Public University of Navarra, Spain. 2017. p. 18 - 23.
  14. H. Hajian, E. Ozbay, H. Caglayan. Beaming and enhanced transmission through a subwavelength aperture via epsilon-near-zero media. // Nature, Scientific Reports. 2017. No. 7, p. 4741-1 - 4741-8. http://www.nature.com/scientificreports DOI: 10.1038/s41598-017-04680-y
  15. И. А. Карпов, Э. Д. Шу. Метаматериальное "магнитное" покрытие при микроволновых частотах. // Журнал Радиоэлектроники: электронный журнал. 2014. N4. URL: http://jre.cplire.ru/jre/apr14/9/text.html.