Передача распределений электромагнитного поля со сверхразрешением при помощи предельно анизотропных метаматериалов

В диссертационной работе предложен оригинальный принцип передачи изображений с разрешением много меньшим длины волны, основанный на трансформации пространственного спектра источника в распространяющиеся волны внутри метаматериала с плоской изо частотной характеристикой. Исследована возможность реализации этого принципа в микроволновом, терагерцовом, инфракрасном и оптических диапазонах частот при помощи различных метамате-риалов и продемонстрирована возможность передачи изображений с разрешением много меньшим длины волны на значительные расстояния.

Исследования проводились в рамках нового направления физики, посвященного разработке метаматериалов, искусственных материалов с электромагнитными свойствами не наблюдаемыми в материалах доступных в природе. Метаматариалы являются уникальным решением, предоставляющим практически неограниченные возможности при создании устройств, использующих электромагнитные свойства, которые невозможно создать при помощи материалов встречающихся в природе. В частности, в данной работе удалось сиять дифракционное ограничение для разрешения линзовых систем передачи изображений, которое казалось долгое время непреодолимым.

Актуальность проблемы.

Разрешающая способность обычных устройств передачи и обработки изображений ограничена дифракционным пределом. Детали изображения расположенные на расстоянии меньшем половины длины волны не могут быть различены. Данное ограничение возникает потому, что обычные устройства передачи и обработки изображений оперируют исключительно с волнами, распространяющимися в пространстве. Информация о деталях много меньших длины волны содержится в волнах соответствующих затухающей части пространственного спектра, которые сконцентрированы в непосредственной близости от источника. Эта информация теряется при незначительном удалении от источника и не может быть обработана при помощи обычных линзовых систем.

Возможность преодоления дифракционного барьера при помощи использования искусственно созданных сред с экзотическими электромагнитными свойствами (метаматериалов), а именно сред с отрицательными диэлектрической и магнитной проницаемостями, была предложена английским ученым Джоном Пендри. Он предложил идею сверхлинзы, способной передавать детали изображения много меньшие, чем длина волны, на значительные (а именно, волновые) расстояния и показал, что слой материала с отрицательными диэлектрической и магнитной проницаемостями может создавать изображения с идеальным разрешением. К сожалению, экспериментальная реализация таких линз со срехразрешением практически невозможна, поскольку было установлено, что малейшие потери в мстаматериале приводят к значительной деградации их разрешающей способности.

В рамках данной диссертационной работы удалось достичь принципиально новых возможностей передачи и манипулирования распределениями электромагнитного поля с разрешением много меньшим длины волны в микроволновом, терагерцовом, инфракрасном и видимом диапазонах частот при помощи использования предельно анизотропных метаматериалов. Полученные результаты имеют как фундаментальное, так и огромное практическое значение, поскольку они могут радикальным образом изменить концепции конструирования оптических и микроволновых компонент различных устройств. Можно констатировать, что в результате данной работы удалось снять дифракционное ограничение для разрешения линзовых систем передачи изображений, которое казалось долгое время непреодолимым.

Цель диссертационной работы.

Разработка оригинального принципа, позволяющего передавать и манипулировать распределениями электромагнитного ноля с разрешением много меньшим длины волны. Исследование возможности реализации этого принципа в микроволновом, терагерцовом, инфракрасном и оптических диапазонах частот при помощи различных мета материалов.

Направление исследований.

Диссертационная работа выполнена в рамках недавно сформировавшегося направления физики — физики метаматериалов, искусственных материалов с электромагнитными свойствами не наблюдаемыми в материалах доступных в природе. Метаматариалы являются уникальным решением, предоставляющим практически неограниченные возможности при создании устройств, использующих электромагнитные свойства, которые невозможно создать при помощи материалов встречающихся в природе. Концепция метаматериалов является принципиально новым подходом, позволяющим конструировать материалы основываясь на свойствах, которые от них требуются, а не от ограниченной базы уже существующим материалов. При помощи этих искусственных сред с экзотическими электромагнитными свойствами удается создать маскирующие покрытия, делающие объекты невидимыми, оптические наноцепи и плазмонные соединения, а также организовать передачу изображений с субволновым разрешением, тем самым преодолев дифракционный предел для разрешения линзовых систем передачи и обработки изображений, который долгое время казался не преодолимым даже теоретически. Последнему из перечисленных направлений и посвящена данная работа.

Методы исследований, достоверность и обоснованность результатов.

В рамках данной диссертационной работы использовались как математическое моделирование, основанное на аналитических формулах, так и численное моделирование в коммерческих программных пакетах CST Microwave Studio и FEKO, хорошо зарекомендовавших себя в области расчетов электромагнитных процессов. Основные результаты в микроволновом диапазоне были подтверждены экспериментально.

Научные положения.

1. Сформулирован принцип канализации изображений: слой предельно анизотропного метаматериала способен передавать распределения электромагнитного поля со сверхразрешением с одной поверхности на другую, путем преобразования спектра пространственных гармоник источника (включая, затухающие) в волны метаматериала, распространяющиеся с фиксированной фазовой скоростью поперек слоя, и используя эффект коллективного Фабри-Перо резонанса.

2. Апертура образца метаматериала, функционирующего в режиме канализации, начиная с некоторого минимального порога, не оказывает влияния на функциональные характеристики образца, конечность апертуры не приводит к аберрациям.

3. Слои периодической среды из металлических проводов с радиусом много большим скин-слоя, но много меньший расстояний между проводами в микроволновом диапазоне может функционировать в режиме канализации изображений. Возможна передача субволповых изображений ТЕ-поляризоваппыми волнами (провода нагружены на емкости и ориентированы вдоль границы раздела) и ТМ-иоляри-зованными волнами (иенагру-женные провода ориентированные перпендикулярно к границе раздела) на расстояния порядка длины волны и значительно больше с разрешением на порядок меньшим, чем длина волны. Наилучшее разрешение равно удвоенному (канализация ТМ волнами) или учетверенному (канализация ТЕ волнами) периоду структуры. С помощью среды из проводов экспериментально продемонстрирована рекордная комбинация разрешения изображения и расстояния его передачи.

4. Слои периодической среды из параллельных металлических наноцилиидров, в диэлектрической матрице имеющей малые иотери в терагерцовом и (или) среднем инфракрасном диапазонах, являются аналогом микроволновой среды из проводов и способны передавать изображения с субволновым разрешением на волновые расстояния.

5. Массивы расходящихся проводов (в сферической или цилиндрической геометрии) в микроволновом диапазоне позволяют значительно расширять или сжимать в пространстве изображения, сохраняя их субволновые детали (при расширении) или добиваясь субволновой фокусировки (при сжатии).

6. Образцы мета матери ал а, функционирующие в режиме канализации в терагерцовом и инфракрасном диапазонах, включая образцы, обеспечивающие расширение или сжатие изображений, могут быть созданы путем масштабирования микроволновых аналогов при условии того, что радиус используемых металлических цилиндров больше толщины скин-слоя металла, причем предельно достижимое разрешение таких лииз равно удвоенной толщине скип-слоя.

7. Слоистая металло-диэлектрическая наноструктура способна функционировать в режиме канализации в видимом диапазоне частот.

8. Затухающие пространственные гармоники ноля, возбуждая слой нределыю анизотропного метаматериала, функционирующего в режиме канализации, испытывают резонансное увеличение амплитуды в слое, что может использоваться для детектирования изображений с субволновым разрешением даже при значительном удалении слоя метаматериала от источника.

Научная новизна.

Предложенный метод передачи изображений со сверхразрешением является оригинальным и не имеющим аналогов в мире. Полученные результаты являются принципиальным прорывом в области разработки систем передачи и обработки оптических изображений, разрешение которых обычно ограничено дифракционным пределом и которые не могут различить детали изображения меньшие длины волны. При помощи концепции метаматериалов оказалось возможным преодолеть фундаментальный диффракционный предел и создать устройства обладающие сверхразрешением (много меньшим длины волны) в микроволновом, терагерцовом, инфракрасном и видимом диапазонах частот. Полученные результаты имеют как фундаментальное, так и огромное практическое значение, поскольку они могут радикальным образом изменить концепции конструирования оптических и микроволновых компонент различных устройств. Концепция метаматериалов является принципиально новым подходом, позволяющим конструировать материалы основываясь на свойствах, которые от них требуются, а не от ограниченной базы уже существующим материалов.

Практическая полезность.

Сунерлинзы на основе предельно анизотропных метаматериалов, способные передавать изображения с разрешением много меньшим длины волны в микроволновом, терагерцовом, инфракрасном и оптическом диапазонах, могут найти применение в медицине и ближ-ненольной микроскопии, а также в качестве компонент различных высокотехнологических устройств. Устройства на основе разработанных метаматериалов позволяют создавать наносконы (устройства аналогичные микроскопам, но со значительно улучшенным разрешением) и оптические волноведущие струкруры с крайне малым поперечным сечением (шины из плазмонных волноводов), улучшить характеристики ближиепольных микроскопов и установок наноли-тографии, создать оптические накопители информации со значительно увеличенной плотностью записи, увеличить разрешающую способность и чувствительность томографов и т. д. Областями применения являются медицина (особо точные приборы диагностики, включая субмиллиметровые), телекоммуникации и компьютерная техника, оптические технологии передачи и обработки информации, ближнеиольная микроскопия.

Реализация результатов.

В университетах Севильи (Испания) и Ловэйн (Бельгия) при помощи метаматериалов, предложенных в данной работе, уже созданы первые устройства, увеличивающие разрешение и чувствительность магнитно-резонансных томографов. Автором работы зарегистрировано ноу-хау, позволяющее значительно улучшить характеристики магнитно-резонансной томографии при помощи ряда метаматериалов. Создано Общество с ограниченной ответственностью «МЕТА-МРТ», занимающееся воплощением этого ноу-хау в коммерческие продукты для медицинского диагностического оборудования.

Краткое содержание работы.

Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения и списка литературы. В первой главе, сформулирован принцип канализации изображений с разрешением много меньшим длины волны. Идея этого метода состоит в том, что вместо усиления затухающих пространственных гармоник их можно преобразовать в распространяющиеся волны внутри некоторого метаматериала, тем самым исключив их потерю из-за затухания в пространстве. Будучи преобразованной в распространяющиеся волны, информация о деталях много меньших длины волны может быть передана на практически любое необходимое расстояние. Принцип канализации изображений является новым и оригинальным решением позволяющим преодолеть дифракционный барьер для разрешения линзовых систем передачи изображений. Во второй главе описана реализация принципа канализации изображений в микроволновом диапазоне при помо.