Effects of negative wave refraction in metallic photonic crystals
Abstract
The paper considers the interaction of optical radiation with the boundaries of media formed by two-dimensionally periodic systems of well-conducting cylindrical elements of small cross-section - metal photonic crystals. It is shown that at band gap frequencies in the spectrum of the crystal's own electromagnetic states when waves propagate obliquely relative to the elements, such structures can be characterized by hyperbolic isofrequency diagrams in the space of wave vectors. A consequence of this is the possibility of negative refraction effects occurring when waves are incident on the boundary of such an anisotropic hyperbolic medium formed by a two-dimensional crystal with elements of limited length. The problem of incidence of a plane-wave Gaussian optical beam on the surface of a metal photonic crystal is solved using the finite-difference method in the time domain. It has been proven that negative refraction of waves occurs under certain conditions at the boundary of the medium formed by such a crystal.
- Metal photonic crystal
- band gaps
- hyperbolic medium
- negative refraction
Аннотация (на русском)
Эффекты отрицательного преломления волн в металлических фотонных кристаллах
В работе рассмотрено взаимодействие оптического излучения с границами сред, образованных двумерно-периодическими системами хорошо проводящих цилиндрических элементов малого поперечного сечения - металлическими фотонными кристаллами. Показано, что на частотах запрещенных зон в спектре собственных электромагнитных состояний кристалла при наклонном распространении волн относительно элементов такие структуры можно характеризовать гиперболическими изочастотными диаграммами в пространстве волновых векторов. Следствием этого является возможность возникновения эффектов отрицательного преломления при падении волн на границу такой анизотропной гиперболической среды, образованной двумерным кристаллом с элементами ограниченной длины. Методом конечных разностей во временной области решена задача падения плосковолнового гауссового оптического пучка на поверхность металлического фотонного кристалла. Доказано, что при определенных условиях имеет место отрицательное преломление волн на границе формируемой таким кристаллом среды.
For citation
Vetluzhsky A. Effects of negative wave refraction in metallic photonic crystals // Journal of Radio Electronics. – 2024. – No. 2. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2024.2.6
References
- Simovski C.R., Belov P.A., Atrashchenko A.V., Kivshar Y.S. Wire metamaterials: Physics and applications // Advanced materials. - 2012. - V. 24. - P. 4229-4248. https://doi.org/10.1002/adma.201200931
- Ветлужский А.Ю. Волноводные устройства на основе линейных дефектов в металлических электромагнитных кристаллах // Журнал технической физики. - 2017. - Т. 87. - № 1. - С. 150-154. https://doi.org/10.1134/S106378421701025X
- Pendry J.B., Holden A.J., Robbins D.J., Stewart W. J. Low frequency plasmons in thin-wire structures //j. Phys.: Condens. Matter. 1998. V. 10. P. 4785-4809. https://doi.org/10.1088/0953-8984/10/22/007
- Poddubny A., Iorsh I., Belov P., Kivshar Y. Hyperbolic metamaterials // Nature photonics. - 2013. - V. 7. - P. 958-967. https://doi.org/10.1038/nphoton.2013.243
- Ветлужский А.Ю., Ломухин Ю.Л. Собственные волны многопроводной среды // Письма в Журнал технической физики. - 2015. - Т. 41. - №. 19. - С. 38-45. https://doi.org/10.1134/S1063785015100156
- El-Kady I., Sigalas M.M., Biswas R., Ho K.M., Soukoulis C.M. Metallic photonic crystals at optical wavelengths // Phys. Rev. B. - 2000. - V. 62. - №. 23. - P. 15299-15302. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.62.15299
- Guo Z., Jiang H., Chen H. Hyperbolic metamaterials: From dispersion manipulation to applications //j. Appl. Phys. - 2020. - V. 127. - P. 071101(28). https://doi.org/10.1063/1.5128679