1 Оптика метаматериалов с отрицательным показателем преломления Студентка 6 курса Сапарина Дарья Научный руководитель проф. Сухоруков Анатолий Петрович

2 ТЕМАТИКА ЛАБОРАТОРИИ НЕЛИНЕЙНАЯ ФОТОНИКА И ПЛАЗМОНИКА ФИЗИКА ПРОСТРАНСТВЕННЫХ СОЛИТОНОВ ОПТИКА НЕОДНОРОДНЫХ СРЕД И МЕТАМАТЕРИАЛОВ ПЛАЗМОННЫЕ ВОЛНЫ В МЕТАЛЛАХ И МЕТАМАТЕРИАЛАХ СРЕДЫ С УПРАВЛЯЕМОЙ ДИФРАКЦИЕЙ И ДИСПЕРСИЕЙ ОПТИКА ПРЕДЕЛЬНО КОРОТКИХ ИМПУЛЬСОВ НЕЛИНЕЙНАЯ ОПТИКА И ФОТОНИКА

3 ОТРАЖЕНИЕ ПУЧКОВ В НЕЛИНЕЙНЫХ СРЕДАХ Применение: оптические переключатели, основанные на эффекте отражения оптических пучков в дефокусирующей нелинейной среде Принцип действия: Мощный оптический пучок формирует эффективную неоднородность показателя преломления, которая является своеобразным зеркалом в среде (аналог полного внутреннего отражения). При определенных начальных условиях второй сигнальный пучок отражается от созданной накачкой неоднородности – осуществляется пространственное переключение сигнала. Нелинейные среды: показатель преломления зависит от амплитуды световой волны фоторефрактивные кристаллы, среды с тепловой нелинейностью, кубичные и квадратично-нелинейные среды

4 ОТРАЖЕНИЕ ПУЧКОВ В НЕЛИНЕЙНЫХ СРЕДАХ Отталкивание лазерных пучков в квадратично- нелинейной среде ПАРАМЕТРИЧЕСКОЕ ОТРАЖЕНИЕ ПАРАМЕТРИЧЕСКИЙ ВОЛНОВОД

5 ОТРАЖЕНИЕ ПУЧКОВ В НЕЛИНЕЙНЫХ СРЕДАХ Отталкивание лазерных пучков в квадратично- нелинейной среде ПАРАМЕТРИЧЕСКОЕ ОТРАЖЕНИЕ ПАРАМЕТРИЧЕСКИЙ ВОЛНОВОД

6 ОТРИЦАТЕЛЬНЫЙ ПОКАЗАТЕЛЬ ПРЕЛОМЛЕНИЯ: ИСТОРИЯ 1909г. – книга Шустера An introduction to the Theory of Optics При скорости В этом случае будет наблюдаться отрицательное преломление Пример: пары натрия Групповая и фазовая скорости волны:

7 ОТРИЦАТЕЛЬНЫЙ ПОКАЗАТЕЛЬ ПРЕЛОМЛЕНИЯ: ИСТОРИЯ 1909г. – книга Шустера An introduction to the Theory of Optics 1940г. – лекции Мандельштама При разнонаправленных групповой и фазовой скоростях возможно отрицательное преломление

8 ОТРИЦАТЕЛЬНЫЙ ПОКАЗАТЕЛЬ ПРЕЛОМЛЕНИЯ: ИСТОРИЯ 1909г. – книга Шустера An introduction to the Theory of Optics 1940г. – лекции Мандельштама 1967г. – статья Веселаго «Электродинамика веществ с одновременно отрицательными значениями ε и µ»

9 ОПТИКА МЕТАМАТЕРИАЛОВ С ОТРИЦАТЕЛЬНОЙ РЕФРАКЦИЕЙ Распространение волн в средах с отрицательным показателем преломления описывается теми же формулами, что и в обычном случае Преломление: падающий и преломленный лучи лежат по одну сторону от нормали к границе раздела пустой cтакан стакан с водой, n=1.3 стакан с «мета- водой», n=-1.3 Принцип работы «суперлинзы» (Дж. Пендри, 2000 г.): фокусировка компонент ближнего и дальнего поля за счет отрицательной рефракции 1967г. – статья Веселаго «Электродинамика веществ с одновременно отрицательными значениями ε и µ» ОТРИЦАТЕЛЬНЫЙ ПОКАЗАТЕЛЬ ПРЕЛОМЛЕНИЯ: ИСТОРИЯ

10 ОТРИЦАТЕЛЬНЫЙ ПОКАЗАТЕЛЬ ПРЕЛОМЛЕНИЯ: ИСТОРИЯ 1909г. – книга Шустера An introduction to the Theory of Optics 1940г. – лекции Мандельштама 1967г. – статья Веселаго «Электродинамика веществ с одновременно отрицательными значениями ε и µ» 2000г. – создание первого метаматериала с отрицательным показателем преломления (микроволновый диапазон)

11 ОТРИЦАТЕЛЬНЫЙ ПОКАЗАТЕЛЬ ПРЕЛОМЛЕНИЯ: ИСТОРИЯ 2000г. – создание первого метаматериала с отрицательным показателем преломления (микроволновый диапазон)

12 ОПТИКА МЕТАМАТЕРИАЛОВ С ОТРИЦАТЕЛЬНОЙ РЕФРАКЦИЕЙ МЕТАМАТЕРИАЛЫ – искусственные среды, в которых резонансные элементы (размерами меньше длины волны) играют роль атомов в обычных веществах. Поэтому в таких средах возможно одновременно отрицательные ε и μ, и, как следствие, показателя преломления n. Суперлинза (разрешение изображения больше, чем длина волны λ – критерий Релея) Оптические метаматериалы => элементы размера порядка нм. Плащ-невидимка (возможность маскировки объетов, находящиеся за ними) Новые уникальные возможности:

13 ОПТИКА МЕТАМАТЕРИАЛОВ С ОТРИЦАТЕЛЬНОЙ РЕФРАКЦИЕЙ МЕТАМАТЕРИАЛЫ – искусственные среды, в которых резонансные элементы (размерами меньше длины волны) играют роль атомов в обычных веществах. Поэтому в таких средах возможно одновременно отрицательные ε и μ, и, как следствие, показателя преломления n. Суперлинза (разрешение изображения больше, чем длина волны λ – критерий Релея) Оптические метаматериалы => элементы размера порядка нм. Плащ-невидимка (возможность маскировки объетов, находящиеся за ними) Новые уникальные возможности:

14 ОПТИКА МЕТАМАТЕРИАЛОВ С ОТРИЦАТЕЛЬНОЙ РЕФРАКЦИЕЙ Возможное применение: В резонаторе: Появление волноводных мод в резонаторе с двумя выпуклыми и двумя плоскими зеркалами Возможность мод с произвольным профилем Контроль ширины моды Контроль устойчивости Квазиволноводное распространение пучков: Аналогия фокусировки линзовой линией, только для любых (не только гауссовых) пучков. Например, A(x)=x*sech(x)