Metamaterials for Advanced Photonic Applications: Reconsidering the Classical Laws of Optics

Samenvatting

In dit proefschrift onderzoekt de auteur mogelijke toepassingen van metamaterialen in fotonica. Dergelijke materialen zijn kunstmatige materialen met buitengewone eigenschappen die niet beschikbaar zijn in de natuur. Een van de meest fascinerende eigenschappen die met metamaterialen verwezenlijkt kunnen worden is magnetisme bij microgolf-, terahertz- en optische frequenties. De auteur identificeert verscheidene fotonische componenten waar metamaterialen tot een betere efficiëntie of nieuwe functionaliteit kunnen leiden of waar metamaterialen aan de traditionele beperkingen van optica veroorzaakt door het golfkarakter van licht voorbij kunnen gaan.

Fotonica - de wetenschap van de generatie, de controle en de detectie van licht - heeft tijdens de laatste decennia een belangrijke invloed op onze maatschappij gehad. Vanuit fundamenteel oogpunt kunnen we stellen dat fotonica heeft bijgedragen tot een aantal doorbraken in de fysica, zoals femtoseconde metrologie, lasergebaseerde deeltjesversnellers, laserfusie, en zelfs de ontdekking van verscheidene elementaire deeltjes die uiteindelijk via de detectie van fotonen worden gemeten. Anderzijds hebben onderzoekers ook het enorme potentieel van fotonica voor talrijke industriële, medische en consumententoepassingen geëxploiteerd, denk maar aan optische vezel communicatiesystemen voor het internet, laserprinters, de bewerking van metalen met lasers, lcd-schermen en optische gegevensopslag op dvd's.
Vele van deze verwezenlijkingen in de fotonica zijn gestoeld op de mogelijkheid om de voortplantings- en andere eigenschappen van licht met ongekende nauwkeurigheid te controleren. Deze zeer precieze beheersing van licht is mogelijk door de wisselwerking van fotonen met een breed spectrum aan optische materialen. Natuurlijke materialen kennen evenwel een belangrijke tekortkoming: bij optische frequenties kunnen we enkel de elektrische component van elektromagnetische golven beïnvloeden, terwijl de magnetische component buiten bereik blijft.
Om de magnetische component van licht te kunnen controleren zijn onderzoekers er onlangs in geslaagd om metamaterialen te creëren. Dit zijn kunstmatige materialen die zeer kleine resonerende elektromagnetische elementen bevatten. Deze elementen vervangen de atomen alsbasiseenheden voor de interactie met licht en bepalen als dusdanig de elektromagnetische eigenschappen van het materiaal. De elementen zullen vaak ontworpen worden zodanig dat het metamateriaal elektromagnetische eigenschappen heeft die niet voor natuurlijke materialen worden waargenomen. Het ontwerp van een geschikte elektrische en magnetische respons laat bijvoorbeeld het bestaan van materialen met negatieve brekingsindex (linkshandige materialen) toe.
De thesis begint met een kort overzicht van de geschiedenis van optische metamaterialen en van de theorie van voortplanting van licht in linkshandige materialen. Vlakke golven in linkshandige materialen, negatieve breking en totale interne reflectie aan het oppervlak tussen een rechtshandig en linkshandig materiaal en het omgekeerde dopplereffect worden besproken. Daarna behandelt de auteur de voortplanting van elektromagnetische golven in een structuur met een geleidelijke overgang van een positieve naar een negatieve brekingsindex.
De daaropvolgende hoofdstukken beschrijven elk een verschillende optische component die van een metamateriaal gebruik maakt. Twee hoofdstukken zijn gewijd aan de miniaturisatie van fotonische componenten. Een ontwerp van een optische golfgeleider met dikte kleiner dan de golflengte wordt voorgesteld; deze golfgeleider bevat een linkshandig materiaal in de mantel om de faseverschuiving veroorzaakt door totale interne reflectie van licht aan de randen van de golfgeleider te kunnen beïnvloeden. Vervolgens worden diëlektrische caviteiten met afmetingen kleiner dan de golflengte ontworpen met behulp van transformatieoptica, een methode die gebaseerd is op technieken van de algemene relativiteit.
Twee andere hoofdstukken behandelen de toepassing van linkshandige materialen in twee verschillende niet-lineaire optische resonatoren: een niet-lineaire Kerr-resonator en een optische parametrische oscillator. Er wordt aangetoond dat het linkshandige materiaal voor diffractiebeheer kan worden gebruikt, d.w.z. dat het mogelijk is om de sterkte en het teken van de diffractiecoëfficiënt aan te passen. Zwakkere diffractie kan aangewend worden voor de verkleining van optische dissipatieve structuren en dus voor de generatie van lichtbundels met subdiffractiegelimiteerde diameter.
Tenslotte wordt een nieuw metamateriaal ontworpen met een gedrag dat sterk gelijkend is aan dat van materialen met elektromagnetisch geïnduceerde transparantie. Hiervoor worden twee gekoppelde quasistatische elektrische circuits als metamateriaalelement ontworpen. Dit metamateriaal heeft een smal transparantievenster in zijn spectrale respons waarin lage groepssnelheid en geringe absorptie gelijktijdig kunnen worden waargenomen. Het kan daarom nuttig zijn voor toepassingen waar het nodig is om optische signalen sterk te vertragen.

Referentie:
Philippe Tassin, Metamaterials for Advanced Photonic Applications: Reconsidering the Classical Laws of Optics, PhD Thesis (VUBPRESS, Brussels, 2009). ISBN: 978 90 5487 583 3.

Datum prijs	29 mei 2009
Originele taal	English
Begeleider	Irina Veretennicoff (Promotor), Jan Danckaert (Co-promotor), Jacques Tiberghien (Jury), Rik Pintelon (Jury), Yves Rolain (Jury), Roger Vounckx (Jury), Roel Baets (Jury), Gustaaf Borghs (Jury) & Costas Soukoulis (Jury)