Advanced metamaterials for high resolution focusing and invisibility cloaks

Abstract

Los metamateriales, descendientes de los dieléctricos artificiales, tienen parámetros electromagnéticos inusuales y proporcionan más posibilidades que los dieléctricos naturales para el control de la propagación de la luz. Los metamateriales han posibilitado la obtención de medios doblemente negativos, gracias a la capacidad que ofrecen para controlar tanto la permitividad y la permeabilidad. La primera realización experimental de un medio de ese tipo dio un enorme impulso a la investigación en el campo del electromagnetismo. Como resultado, se han desarrollado desde entonces muchos dispositivos electromagnéticos fascinantes, incluyendo lentes de metamateriales, dispositivos de control de dirección de haz e incluso capas de invisibilidad. Las posibles aplicaciones de los metamateriales no se limitan a estos dispositivos y se pueden aplicar en muchas áreas como las telecomunicaciones, sistemas de seguridad, detección biológica y química, la espectroscopía, nanoóptica integrada, la nanotecnología, los sistemas de imágenes médicas, etc. El objetivo de esta tesis doctoral, realizada en la Universidad Pública de Navarra en colaboración con la Universidad de Texas en Austin, el Centro de Tecnología Nanofotónica de Valencia de la UPV y el King’s College London, es contribuir al desarrollo de dispositivos basados en metamateriales, incluyendo su fabricación y, cuando sea posible, la verificación experimental. La tesis no se centra en una sola aplicación o dispositivo, sino que trata de proporcionar una extensa exploración de diferentes dispositivos de metamateriales. Los resultados de la misma son los siguientes: Se presentan tres lentes de diferentes diseños basados en un metamaterial fishnet: una lente zonada de ancha banda, una lente Soret y una lente de Wood. Todas las lentes han sido experimentalmente realizadas, demostrando un buen acuerdo con el análisis numérico. Por otra parte, se ha demostrado una capa de invisibilidad ultrafina basada en una metasuperficie, un caso 2D de metamaterial, construida con resonadores de anillo. Se ha realizado un análisis numérico, y experimental confirmando el comportamiento de invisibilidad dentro de un rango de frecuencias y de ángulos relativamente amplios. Además, se presenta un diseño de una capa de invisibilidad basada en la óptica de transformación para la luz difusa. Se demuestra, que mediante la restricción de la capa para trabajar en una sola dirección es posible obtener un rendimiento de camuflaje ideal bajo las condiciones de iluminación transitoria, que normalmente está fuera de alcance en los diseños típicos de capas de invisibilidad. Por último, se presenta la demostración teórica de tres diferentes dispositivos de control del haz basados en metamateriales de grafeno. El metamaterial de grafeno utilizado permite controlar dinámicamente el ángulo de salida de la radiación con velocidad ultra alta.

Metamaterials, the descendants of the artificial dielectrics, have unusual electromagnetic parameters and provide more abilities than naturally available dielectrics for the control of light propagation. Being able to control both permittivity and permeability, metamaterials have opened a way to obtain a double negative medium. The first experimental realization of such medium gave an enormous impulse for research in the field of electromagnetism. As result, many fascinating electromagnetic devices have been developed since then, including metamaterial lenses, beam steerers and even invisibility cloaks. The possible applications of metamaterials are not limited to these devices and can be applied in many fields, such as telecommunications, security systems, biological and chemical sensing, spectroscopy, integrated nano-optics, nanotechnology, medical imaging systems, etc. The aim of this doctoral thesis, performed at the Public University of Navarre in collaboration with the University of Texas at Austin, the Valencia Nanophotonics Technology Center in the UPV and King’s College London, is to contribute to the development of metamaterial based devices, including their fabrication and, when possible, experimental verification. The thesis is not focused on a single application or device, but instead tries to provide an extensive exploration of the different metamaterial devices. These results include the following: Three different lens designs based on a fishnet metamaterial are presented: a broadband zoned fishnet metamaterial lens, a Soret fishnet metamaterial lens and a Wood zone plate fishnet metamaterial. All lenses have been experimentally realized, demonstrating a good agreement with numerical analysis. Moreover, a metasurface, a 2D case of metamaterial, built with closed ring resonators has been used to design an ultrathin carpet cloak. Numerical as well as experimental analysis is done, confirming the cloaking performance of the designed cloak in relatively wide frequency range and angle span. Also, a design of a transformation based cloak for diffusive light is presented. It is demonstrated, that by restricting the cloak to work in one direction it is possible to obtain an ideal cloaking performance under transient illumination, which is normally beyond reach in typical cloak designs. Finally, the theoretical demonstration of three different beam steering devices based on graphene metamaterial is presented. The used graphene metamaterial allows to dynamically control the output angle of the radiation with ultrahigh speed.