Characterisation of Optical Metamaterials : Effective Parameters and Beyond

Menzel, Christoph GND

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Charakterisierung von Metamaterialien. Für eine umfassendere Einführung in die Thematik sei auf Kapitel 1 verwiesen. Als künstliche Medien mit Perioden kleiner als die relevante Wellenlänge werden diese zumeist als effektiv homogene Materialien beschrieben. Diese Art der Beschreibung und deren kritische Untersuchung und Bewertung stehen im Mittelpunkt der Kapitel 2-4. Im Kapitel 2 werden die Grundlagen für die Beschreibung künstlicher Strukturen mittels homogener Maxwell Gleichungen und insbesondere der entsprechenden Materialgleichungen gelegt. In diesem Kapitel wird vor allem die Beschreibung künstlich magnetischer Materialien auf der Basis einer komplexen, räumlichen dispersiven Materialantwort abgeleitet. Die erzielten Materialgleichungen für Medien mit schwacher räumlicher Dispersion werden dann in Kapitel 3 zur Bestimmung der effektiven Eigenschaften zugrunde gelegt. Die Bestimmung erfolgt durch den sogenannten S-parameter retrieval, d.h. der Inversion der Fresnelgleichung für Reflexion und Transmission an einer optischen Schicht. Diese Methode wird ausführlich auch vom Standpunkt allgemein periodischer Medien her betrachtet, wodurch sich grundsätzliche Zusammenhänge und insbesondere Limitierungen ableiten lassen. In Kapitel 4 werden die zuvor bereitgestellten Methoden der Charakterisierung auf Metamaterialien mit zunehmender Symmetrie angewandt. Es wird gezeigt, dass eine Reduktion der optischen Antwort auf einzelne effektive Materialparameter selten möglich ist. In Konsequenz der vorherigen Resultate und mit Hinblick auf ein Design optischer Funktionalität anstatt des Designs etwaiger Materialien wird in Kapitel 5 eine Beschreibung der optischen Antwort auf Basis von Jones-Matrizen vorgeschlagen. Es wird ein Zusammenhang zwischen Symmetrie und allgemeiner Form der Jones-Matrix hergeleitet. Dieser Ansatz erlaubt sowohl die Beschreibung als auch das Design der polarisationsabhängigen Response von Metamaterialien.

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Menzel, Christoph: Characterisation of Optical Metamaterials. Effective Parameters and Beyond. 2012.

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