Розсіювання плоских електромагнітних хвиль решітками сферичних діелектричних резонаторів з виродженими нижчими типами власних коливань
DOI:
https://doi.org/10.20535/RADAP.2023.91.12-17Ключові слова:
діелектричний резонатор, решітка, коефіцієнт зв'язку, с-функція, амплітуда розсіюванняАнотація
Розглядається задача розсіювання плоских електромагнітних хвиль на решітках діелектричних резонаторів (ДР) сферичної форми із нижчими коливаннями магнітного типу. Наведено результати теоретичних розрахунків комплексних коефіцієнтів взаємного зв'язку сферичних діелектричних резонаторів у відкритому просторі для випадків порушення вироджених типів коливань. Знайдені вирази збігаються з отриманими раніше для окремого випадку коливань резонаторів, які збуджуються вздовж або перпендикулярно прямій, яка з’єднує їх центри. Розглянуто основні закономірності зміни коефіцієнтів зв'язку під час варіації координат резонаторів у поперечній площині. Знайдені нові аналітичні вирази с-функцій (3) для поля основних магнітних коливань резонатора і плоскої хвилі у відкритому просторі. На підставі отриманих формул, за допомогою теорії збурень розраховано та досліджено характеристики розсіювання плоских хвиль на квадратних решітках сферичних ДР з основними виродженими магнітними типами коливань. Досліджено розподіл поля розсіювання у хвильовій зоні решітки для різних кутів падіння. Визначено області зміни кутів падіння, в яких амплітуда розсіювання решітки, побудованої на основі сферичних ДР, найбільш помітно відрізняється від решіток ДР інших форм із невиродженими типами коливань. Розраховано характеристики поляризації розсіяних хвиль у дальній зоні решітки. Зазначено, що на відміну від ґрат псевдообертальних ДР циліндричної форми з основними магнітними типами коливань, решітки, побудовані на основі сферичних резонаторів, характеризуються більш складнішим розподілом поляризації розсіяних хвиль. У хвильовій зоні решітки можуть спостерігатися розсіяні хвилі всіх трьох типів поляризації — лінійної, кругової, еліптичної. Отримані результати значно розширюють можливості розробників, оскільки дозволяють створювати електродинамічні моделі решіток, а також інших пристроїв міліметрового та інфрачервоного діапазонів, побудованих на основі застосування сферичних резонаторів з коливаннями основних типів. Такі решітки можуть бути використані в антенах, пасивних відбивачах, а також в інших пристроях сучасних оптичних систем зв'язку.
Посилання
References
Almpanis E., Zouros G. P., Tsakmakidis K. L. (2021). Active THz metasurfaces for compact isolation. Journal of the Optical Society of America B, Vol. 38, Iss. 9, pp. 191-197. doi:10.1364/JOSAB.430160.
Abujetas D. R., Sánchez-Gil J. A. (2021). Near-Field Excitation of Bound States in the Continuum in All-Dielectric Metasurfaces through a Coupled Electric/Magnetic Dipole Model. Nanomaterials, Vol. 11, Iss. 4, 998. doi:10.3390/nano11040998.
Molet P., Gil-Herrera L. K., Garcia-Pomar J. L., Caselli N., Blanco B., Lуpez C., Mihi A. (2020). Large area metasurfaces made with spherical silicon resonators. Nanophotonics, Vol. 9, Iss. 4, pp. 943–951. doi:10.1515/nanoph-2020-0035.
Panagiotidis E., Almpanis E., Stefanou N., Papanikolaou N. (2020). Multipolar interactions in Si sphere metagratings. Journal of Applied Physics, Vol. 128, Iss. 9, 093103. DOI:10.1063/5.0012827.
Kwon S.-H., Kim Y., Moon K., Hong S., Lee Y. J., Shin E. (2019). Far-Field Analysis on Reflecting Colors of Dielectric Nanosphere Metasurface. Journal of Nanomaterials, Vol. 2019, Article ID 6532967. doi:10.1155/2019/6532967.
Brettin A., Abolmaali F., Limberopoulos N. I., Green A., Anisimov I., Urbas A. M., Astratov V. N. (2018). Towards fabrication of mid-IR FPAs with enhanced sensitivity and reduced dark current by using integration with microspherical arrays. NAECON 2018 - IEEE National Aerospace and Electronics Conference, pp. 533-535. DOI: 10.1109/NAECON.2018.8556727.
Hoang T. X., Nagelberg S. N., Kolle M., Barbastathis G. (2017). Fano resonances from coupled whispering–gallery modes in photonic molecules. Optics Express, Vol. 25, Iss. 12, pp. 13125-13144. doi:10.1364/OE.25.013125.
Shen F., An N., Tao Y., Zhou H., Jiang Z., Guo Z. (2016). Anomalous forward scattering of gain-assisted dielectric shell-coated metallic core spherical particles. Nanophotonics, Vol. 6, Iss. 5, pp. 1063–1072. doi:10.1515/nanoph-2016-0141.
Wang H., et al. (2013). Computational Modeling and Experimental Study on Optical Microresonators Using Optimal Spherical Structure for Chemical Sensing. Advanced Chemical Engineering Research, Vol. 2, Iss. 3, pp. 45-50.
Mitsui T., et al. (2011). Influence of micro-joints formed between spheres in coupled-resonator optical waveguide. Optics Express, Vol. 19, Iss. 22, pp. 22258-22267. doi:10.1364/OE.19.022258.
Xifre-Perez E., Domenech J. D., Fenollosa R., Munoz P., Capmany J., Mesenguer F. (2011). All silicon waveguide spherical microcavity coupler device. Optics Express, Vol. 19, Iss. 4, pp. 3185-3192. doi:10.1364/OE.19.003185.
Astratov, V. N. (2010). Fundamentals and Applications of Microsphere Resonator Circuits. In: Chremmos, I., Schwelb, O., Uzunoglu, N. (eds) Photonic Microresonator Research and Applications. Springer Series in Optical Sciences, Vol 156. doi:10.1007/978-1-4419-1744-7_17.
Chiasera A., Dumeige Y., Feron P., Ferrari M., Jestin Y., et al. (2010). Spherical whispering-gallery-mode microresonators. Laser&Photonics Reviews, Vol. 4, Iss. 3, pp. 457-482. DOI:10.1002/lpor.200910016.
Cai X., Zhu R., Hu G. (2008). Experimental study for metamaterials based on dielectric resonators and wire frame. Metamaterials, Vol. 2, Iss. 4, pp. 220-226. doi:10.1016/j.metmat.2008.08.001.
Rusakou K. I., Gladyshchuk A. A., Chugunov S. V., Rakovich Y. P., Donegan J. F., Rogach A. L., and Gaponik N. (2008). Photonic molecule modes in coupled spherical microcavities with CdTe nanocrystals, Proc. SPIE 7009, Second International Conference on Advanced Optoelectronics and Lasers, 70090H. doi:10.1117/12.793330.
Astratov V. N., Ashili S. P. (2007). Percolation of light through whispering gallery modes in 3D lattices of coupled microspheres. Optics Express, Vol. 15, Iss. 25, pp. 17351-17361. doi:10.1364/OE.15.017351.
Kieu K., Mansuripur M. (2007). Fiber laser using a microsphere resonator as a feedback element. Optics Letters, Vol. 32, Iss. 3, pp. 244-246. doi:10.1364/OL.32.000244.
Chen Z., Taflove A., Backman V. (2006). Highly efficient optical coupling and transport phenomena in chains of dielectric microspheres. Optics Letters, Vol. 31, Iss. 3, pp. 389-391. doi:10.1364/OL.31.000389.
Boriskina S. V. (2006). Theoretical prediction of a dramatic Q-factor enhancement and degeneracy removal of whispering gallery modes in symmetrical photonic molecules. Optics Letters, Vol. 31, Iss. 3, pp. 338-340. doi:10.1364/OL.31.000338.
Gorodetsky M. L. and Ilchenko V. S. (1999). Optical microsphere resonators: Optimal coupling to high-Q whispering-gallery modes. Journal of the Optical Society of America B, Vol. 16, Iss. 1, pp. 147–154. doi:10.1364/JOSAB.16.000147.
Mackowsky D. W., Mishenko M. I. (1996). Calculation of the T matrix and the scattering matrix for ensembles of spheres. Journal of the Optical Society of America A, Vol. 13, Iss. 11, pp. 2266-2278. doi:10.1364/JOSAA.13.002266.
Trubin A. (2016). Lattices of Dielectric Resonators. Springer Series in Advanced Microelectronics, Vol. 53. Springer, 171 p. DOI:10.1007/978-3-319-25148-6.
Handbook of mathematical functions. Ed. by M. Abramowitz and I. Stegun. National bureau of standards. (1964). 830 p.
Blum K. (2011). Density Matrix Theory and Applications. Springer, 343 p.
Trubin A. A. (2015). Coupling coefficients of the Spherical dielectric microresonators with whispering gallery modes. Visnyk NTUU KPI Seriia - Radiotekhnika Radioaparatobuduvannia, No. 62, pp. 49-61. doi: 10.20535/RADAP.2015.62.49-61.
Trubin A. A. (2022). Scattering of plane waves on pseudo-rotatable lattices of cylindrical dielectric resonators. Modern Challenges in Telecommunications. 16 International Scientific and Technical Conference, pp. 69-72.
##submission.downloads##
Опубліковано
Як цитувати
Номер
Розділ
Ліцензія
Авторське право (c) 2023 О. О. Трубін
Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License.
1. Автори залишають за собою право на авторство своєї роботи та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons Attribution License, котра дозволяє іншим особам вільно розповсюджувати опубліковану роботу з обов'язковим посиланням на авторів оригінальної роботи та першу публікацію роботи у нашому журналі.
2. Автори мають право укладати самостійні додаткові угоди щодо неексклюзивного розповсюдження роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована нашим журналом (наприклад, розміщувати роботу в електронному сховищі установи або публікувати у складі монографії), за умови збереження посилання на першу публікацію роботи у нашому журналі.
3. Політика журналу дозволяє і заохочує розміщення рукопису роботи авторами в мережі Інтернет (наприклад, на arXiv.org або на особистих веб-сайтах). Причому рукописи статей можуть бути розміщенні у відкритих архівах як до подання рукопису до редакції, так і під час його редакційного опрацювання. Це сприяє виникненню продуктивної наукової дискусії, позитивно позначається на оперативності ознайомлення наукової спільноти з результатами Ваших досліджень і як наслідок на динаміці цитування вже опублікованої у журналі роботи. Детальніше про це: The Effect of Open Access.
