Фокусировка электромагнитного поля точечного электрического диполя границей раздела обычной и левой сред

Abstract

Проблема фокусировки волновых полей различной физической природы и частотных диапазонов является актуальной как для научных экспериментов, так и для практических приложений в промышленности, медицине и технике, однако уникальные возможности для разработки устройств фокусировки электромагнитных полей, связанные с появлением метаматериалов (левых сред), не могут быть полностью реализованы в рамках используемого в большинстве работ геометрооптического подхода, основным достоинством которого является наглядность. Поскольку такой подход не позволяет дать количественные оценки влияния потерь, положения, ориентации и типа источника на структуру излучаемого поля, то возникает потребность в последовательном электродинамическом решении модельных задач. В работе из первых принципов строго решена и численно промоделирована задача об излучении элементарного электрического диполя, расположенного горизонтально над плоской границей раздела пассивных обычной и левой сред. Показано, что электромагнитное поле диполя, проникая в полупространство из метаматериала, фокусируется в нем, т. е. пространственное распределение поля имеет явно выраженный максимум со сложной интерференционной структурой. Исследована зависимость фокусировки от положения и ориентации диполя, а также величины потерь в метаматериале. Выдвинута гипотеза (приведены качественные соображения) о том, что фокусирующей способностью обладает именно граница раздела обычной и левой сред, а не каждая из них по отдельности.

Проблема фокусування хвильових полів різної фізичної природи й частотних діапазонів є актуальною як для наукових експериментів, так і для практичних застосувань у промисловості, медицині та техніці. Проте унікальні можливості для розробки пристроїв фокусування електромагнітних полів, пов’язані з появою метаматеріалів (лівих середовищ), не можуть бути повністю реалізовані в рамках використовуваного в більшості робіт геометрооптичного підходу, основною перевагою якого є наочність. Оскільки такий підхід не дозволяє дати кількісні оцінки впливу втрат, положення, орієнтації та типу джерела на структуру випромінюваного поля, то виникає потреба в послідовному електродинамічному розв’язанні модельних задач. У роботі з перших принципів строго розв’язано та чисельно промодельовано задачу про випромінювання елементарного електричного диполя, розташованого горизонтально над плоскою межею поділу пасивних звичайного та лівого середовищ. Показано, що електромагнітне поле диполя, проникаючи в півпростір з метаматеріала, фокусується в ньому, тобто просторовий розподіл поля має явно виражений максимум зі складною інтерференційної структурою. Досліджено залежність фокусування від положення й орієнтації диполя, а також величини втрат у метаматеріалі. Наведено якісні міркування про те, що здатність фокусувати має саме межа поділу звичайного та лівого середовищ, а не кожне з них окремо.

The problem of focusing of wave fields of different physical nature and frequency bands is relevant both for scientific experiments and practical applications in industry, medicine and technology. Unique opportunities for the development of devices focusing electromagnetic fields, which are associated with the emergence of metamaterials (left-handed media), can not be fully realized in the framework of the geometrical optics approach used in most studies, the main advantage of wich is the visibility. Since this approach does not allow an evaluation of the effect of losses, location, orientation and type of the source on the structure of the radiated field, there is a need for a consistent electrodynamic solution to model problems. In the paper the problem of radiation from infinitesimal electric dipole located horizontally above the plane interface between passive and normal left media is strictly solved from the first principles and numerically simulated. It is shown that the electromagnetic field of the dipole, penetrating into the metamaterial half-space, is focused into spatial distribution of the field with a pronounced maximum and complex interference structure. The dependence of the focusing on the position and orientation of the dipole, as well as losses in metamaterials were studied. A hypothesis that the focusing ability is the property of the interface between ordinary and left-handed media, but not of each of them separately is set forth and qualitative arguments are given.