ΦΩΤΟΝΙΚΑ ΥΛΙΚΑ ΤΕΤΥ 490ΥΠΕΥΘΥΝΟΣ ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ : Κ.

ΣΤΕΛΙΟΣ ΤΖΩΡΤΖΑΚΗΣ

ΓΙΑΝΝΗΣ ΑΝΔΡΙΟΠΟΥΛΟΣ Α.Μ. 3304

Optical cloaking/metamaterials

Invisibility in fiction

Από αρχαία χρόνια αποτελεί το μήλο της έριδος και έχει εξάψει την φαντασία.

Ψηφιακά και ταχυδακτυλυργικά tricks!

Η τέχνη του να είσαι αόρατος

Προσπάθεια για να ξεγελάστει το ανθρώπινο μάτι.

Camouflage

Η ‘πραγματική’ τέχνη του να είσαι αόρατος

Παρόλα αυτά, τα ζώα τα καταφέρνουν πολύ καλύτερα!

Καλύτερη προσαρμογή στο φυσικό τους περιβάλον!

Εκατομμύρια χρόνια εξέλιξης

Science blend’s in

Μόλις πρόσφατα η επιστήμη κατάφερνει να αποκωδικοποιήσει τους νόμους του ηλεκτρομαγνηστιμού.

∇ × E = − D = · E ,∇ × H =+ j , Maxwell∇ · D = ρ , B = · H ,∇ · B = 0 ,Διεκδικεί με αξιώσεις το true invisibility!

Φτάνοντας την οπτική στα ... άκρα

0 1 ∞ α/λ

α « λ α~λ α»λEffective medium Structure dominates. Properties described Description using properties determined using geometrical opticsMaxwell equations by diffraction and ray tracing with μ, ε, n, Z interferenceExample:Optical crystals Photonics crystals Lens systemsMetamaterials Phased array radar Shadows

Τί είναι το μεταϋλικό?‘Είναι μια τεχνητή δομή απο στοιχεία,

σχδιασμένη να καταφέρνει προνομιακές και ασυνήθιστες ηλεκτρομαγνητικές ιδιότητες.’

Δομές με ‘μεγάλα άτομα’ στοιχειώδοι λίθοι απόστασης αΔρούν σαν κυματοδηγοί για το Η/Μ κύμα.

Απο την συχνότητα που θέλω να χειραγωγήσω, εξαρτάται το μεταϋλικό που θα χρησιμοποιήσω.Π.χ. Για μικροκύματα (λ~cm) Πολύ εύκολη η κατασκευή του .Όμως για το ορατό φάσμα (λ~500 nm) χρειάζομαι μεγάλη ακρίβεια στην κατασκευή του. Ιδιότητες εξαρτώνται απο υλικό , σχήμα δομικών,

προσανατολισμό, συγκέντρωση Πολλοί βαθμοί ελευθερίας !

Δείκτης διάθλασης

n=±

Cloaking area μ= ε= ,

Invisibility vs Stealth

InvisibilityΜη ανάκλαση φωτονίων προς την πηγήΜη σκέδαση του κύματος σε άλλες κατευθύνσειςΜη δημιουργία σκιάς ~ μη σκέδαση κύματος

πρός την μπροστινή πλευράΓενικά ελαχιστοποίηση ενεργού διατομής 0 % Stealth technologyΑπορρόφηση Η/Μ κύματος απο εξωτερικό στρώμαΕλαχιστοποίηση ανάκλασης Η/Μ κύματος προς

την πηγή μέσο γεωμετρίαςΜείωση ενεργού διατομής ~ 50%

Τεχνικές cloaking

Υπάρχουν διάφορες τεχνικές οι οποίες εξαρτώνται απο τα ειδικά χαρακτηριστηκά αυτού που θέλουμε να επιτύχουμε.Scattering cancellation (active)Coordinate transformation (passive) Transmission-line technique Super lensing (Pendry 2005)

Έλεγχος Η/Μ πεδίων = Transformation optics

Scattering cancellation

Elastic wave theory : (Helmholtz equation) u + , u(x,y,ω) , k= λ=, ε< ε > P Ρ

Split-ring resonator (SRR)

Μήκος δακτύλιου , 2π* Συχνότητα συντονισμού : , Κύκλωμα L-C

Scattering cancellation

Πλήρης εξουδετέρωση Η/Μ πεδίων (μέχρι και 3ης τάξης όροι)

Για του λόγου το αληθές

Παρατήρηση : Βλέπουμε ότι το ηλεκτρομαγνητικό κύμα συνεχίζει έξω απο αυτό σαν να μην υπήρξε ποτέ.

Coordinate transformation

Ίσως η πιο πολλά υποσχόμενη τεχνική!Ανεξάρτητα μεγέθους αντικειμένου.Σχετικά απλή η κατασκευή του μανδύα.Συγκεκριμένο φάσμα λειτουργείας.

Πώς όμως λειτουργεί ?

Τί είναι ο δείκτης διάθλασης ?

Κάνοντας το φώς να κυλά

Διαταράσοντας το σύστημα συντεταγμένων (x,y,z) του ευκλείδιου χώρου σε (u,v,w) διαταράσω και την τροχία διάδοσης του φωτός! Fermat s=

n´= n g(x,y,z) , g (x,y,z) = συνάρτηση μετασχηματισμούo Κάτι σαν να παραμορφώνω τον χωροχρόνο.o Όλα αυτά παίζοντας με τον δείκτη διάθλασης!

Πως λειτουργεί ?

Περιβάλω το αντικείμενο με συμμετρικό μανδύαΟ μανδύας αποτελείται απο layers, που το καθένα

θα έχει ε=μ<1Οπότε 0<n<1 μειώνεται κλιμακωτάκαθώς

πλησιάζω στο αντικείμενο.

n= ->u>c??= =ή σε 3D έκδοση

Παράδειγμα σε δύο διαστάσεις

2D μανδύας για θωράκιση απο ραντάρ.

λ~10 cm

Λειτουργεί μόνο με TE πόλωση

Coordinate transformation

Πλεονεκτήματα :Απλότητα στο σχεδιασμό.Δημιουργεί ‘κλωβό Faraday’ (Passive device)Μπορεί να χρησιμοποιηθεί και για να

μονώσει απο στατικά μαγνητικά πεδία Μειονεκτήματα :• Στενό φάσμα (narrow bandwith)• 2D χρειάζομαι παράλληλη πόλωση.• 3D Chirality occurs

Future applications

Τέλος στα ‘νεκρά σημεία’ ! Π.χ. Αυτοκίνητα, αερπλάνα

Ενδοσκοπικές εφαρμογέςΜRI ακριβείας

Στρατιωτικές εφαρμογέςΠ.χ. Αόρατα τανκ

Referenceshttp://www.nature.com/srep/2014/140410/sre

p04644/full/srep04644.htmlhttp://arxiv.org/pdf/0907.0263.pdfhttp://web.it.kth.se/~

min/files/PIO_Cloaking.pdfhttp://arxiv.org/pdf/0712.1694v2.pdfhttp://en.wikipedia.org/wiki/Refractive_indexhttp://

www.slideshare.net/AbhinavSagar/optical-camouflage-abhinavppt

http://www.phy.cuhk.edu.hk/itp/v3/onmii/file/Chan%20Che%20Ting.pdf

http://www.materials.uoc.gr/el/undergrad/courses/ETY490/notes/2013/lecture_10.pdf