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http://cicese.repositorioinstitucional.mx/jspui/handle/1007/3682| Interacción de luz con metamateriales hiperbólicos Interaction of light with hyperbolic metamaterials | |
| Ramsés Eduardo Bautista González | |
| RICARDO TELLEZ LIMON EUGENIO RAFAEL MENDEZ MENDEZ | |
| Acceso Abierto | |
| Atribución | |
| interacción luz-materia, metamaterial, multicapas light-matter interaction, metamaterial, multilayer | |
| Los avances recientes en las técnicas de fabricación a escalas nanométricas han motivado y posibilitado el desarrollo del campo de los metamateriales ópticos. Los metamateriales son materiales artificiales que tienen propiedades que pueden ser inusuales y difíciles de encontrar en la naturaleza. Un ejemplo de esto son los llamados materiales ópticos hiperbólicos, que reciben este nombre porque, a frecuencias fijas, en el espacio de las componentes del vector de onda k~, las posibles soluciones a la ecuación de Helmholtz están representadas por superficies hiperbólicas. Se trata de materiales anisótropos uniaxiales en los que los signos de la permitividad eléctrica a lo largo del eje óptico y en direcciones perpendiculares a ésta son opuestos. En este trabajo se discuten las propiedades ópticas básicas de estos materiales y se presenta un estudio de la respuesta óptica de metamateriales hiperbólicos constituidos por capas delgadas alternadas de materiales con comportamiento dieléctrico y metálico. Para modelar las propiedades ópticas de estos materiales se emplea una teoría de medio efectivo que nos permite diseñar metamateriales con diferentes propiedades ópticas y se contrastan estos resultados aproximados con los de un método riguroso conocido como el método de la matriz de transferencia. De esta manera, es posible establecer la región de validez de la aproximación del medio effectivo. Utilizando el método de la matriz de transferencia estudiamos también los modos soportados por sistemas multicapas, incluso para números de onda que van más allá del límite de validez de la aproximación del medio efectivo. Dado que el método de la matriz de transferencia supone que las capas son planas y paralelas, y que la iluminación consiste de ondas planas, fue necesario utilizar un método numérico alternativo para extender el estudio a otras situaciones. Se utlizó un paquete de cómputo comercial para estudiar la interacción de campo cercano entre una fuente dipolar y metamateriales con diferentes propiedades ópticas efectivas. De acuerdo a lo esperado con base en sus propiedades ópticas efectivas, se encontró que en los metamateriales hiperbólicos la luz se propaga en ciertas direcciones preferenciales. Por otro lado, como ya ha sido discutido en la literatura, nuestros resultados muestran que estos metamateriales son capaces de transmitir información correspondiente a frecuencias espaciales altas. No es entonces sorprendente que resulten atractivos en la búsqueda... Recent advances in the fabrication techniques at nanometric scales have motivated and allowed the development of the field of optical metamaterials. Metamaterials are artificial materials that have properties that can be unusual and difficult to find in nature. An example of this are the so-called hyperbolic optical materials, which receive this name because, at fixed frequencies, in the space of the components of the wave vector k~, the possible solutions to the Helmholtz equation are represented by hyperbolic surfaces. They are uniaxial anisotropic materials in which the signs of electrical permittivity along the optical axis and in directions perpendicular to it are opposite. In this thesis, we discuss the basic optical properties of these materials and present a study of the optical response of hyperbolic metamaterials made up of alternating dielectric and metallic thin layers. To model the optical properties of these materials, we use an effective medium theory that allows us to design metamaterials with different optical properties, and contrast these approximate results with those obtained with a rigorous method known as the transfer matrix method. In this way, it is possible to establish the region of validity of the effective medium approach. Based on the transfer matrix method, we also study the modes supported by multilayer systems, even for wavenumbers that go beyond the validity of the effective medium approximation. Since the transfer matrix method assumes that the layers are plane and parallel, and that the illumination consists of plane waves, it was necessary to use an alternative numerical method to extend the study to other situations. We used a commercial computational software package to study the near-field interaction between a dipole source and metamaterials with different effective optical properties. As expected on the basis of their effective optical properties, we found that, in the hyperbolic metamaterials, light propagates in certain preferential directions. On the other hand, as has already been discussed in the literature, our results show that these metamaterials are capable of transmitting information corresponding to high spatial frequencies. Not surprisingly, this has made them attractive in the search for schemes to improve the resolution of optical systems. | |
| CICESE | |
| 2022 | |
| Tesis de maestría | |
| Español | |
| Bautista González, R.E. 2022. Interacción de luz con metamateriales hiperbólicos. Tesis de Maestría en Ciencias. Centro de Investigación Científica y de Educación Superior de Ensenada, Baja California. 59 pp. | |
| LUZ | |
| Aparece en las colecciones: | Tesis - Óptica |
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| tesis_Ramsés Eduardo Bautista González_11 marzo 2022.pdf | Versión completa de la tesis | 9.02 MB | Adobe PDF | Visualizar/Abrir |