Tailoring the near- and far- fields with wire media

Abstract

Over the years, there has been a growing interest in the design of artificial structured materials (known as “metamaterials”) that may interact in a controlled and desired way with electromagnetic radiation. Among the variety of media belonging to the class of metamaterials, a structure that has attracted significant attention due to its interesting potentials in the manipulation of electromagnetic fields is that formed by arrays of parallel metallic wires, known as "wire medium". This thesis is devoted to the analytical, numerical and experimental study of structured materials formed by arrays of metallic wires (not necessarily straight wires). The main topics that are studied are near-field transport and manipulation, negative refraction and farfield focusing, and subwavelength waveguiding. The possibility of near-field transport using an array of tilted metallic wires is analytically and numerically investigated. It is demonstrated that wire media may enable the restoration of the electric field component parallel to the wires at the image plane, even when there is no electric field normal to interface. Moreover, we experimentally verified the full reconstruction (both in amplitude and phase) of the near-field using a lens formed by tilted wires. This suggests exciting applications for the tilted wire medium lens in nearfield measurement. The phenomenon of negative refraction and the prospects of far-field focusing are investigated in two different wire medium configurations. Firstly, we demonstrate analytically and numerically that an array of helical shaped metallic wires (or helices) may be regarded as a local uniaxial Epsilon-Negative (ENG) material even when the conductivity of the metal is very large (e.g., in the microwave regime) and, as a result, enables a strong negative refraction over a wide frequency range. Then, taking advantage of the negative refraction, we demonstrate partial focusing of electromagnetic radiation using a planar lens formed by such composite material. On the other hand, the phenomenon of negative refraction and the related far-field focusing effect are also investigated in a spatially dispersive material formed by nonconnected crossed metallic wires. It is analytically, as well as numerically and experimentally demonstrated that a flat slab of such structured material may also provide partial focusing of electromagnetic radiation. Quite interestingly, it is shown that, in this case, the strength of the negative refraction effect can be controlled by changing the angle between the two sets of parallel metallic wires. A very promising route to achieve broadband and ultra-subwavelength waveguiding (e.g., at infrared, terahertz and microwave frequencies) is proposed. The idea is to couple the electromagnetic radiation to the spatially induced charge density waves supported by strongly coupled grids of metallic wires. It is shown both theoretically and experimentally that the characteristic spatial scale of these mesoscopic excitations (which are designated as “interlaced plasmons”) is determined by geometrical features, rather than from the electrical length of the metal elements, and that due to their wide band nature, weak sensitivity to metallic absorption, and subwavelength mode sizes, such spatially induced plasmons may have exciting applications in waveguiding in the nanoscale.

Ao longo dos anos tem havido um interesse crescente em materiais artificialmente estruturados (designados por "metamateriais") que interajam de uma forma controlada e desejada com a radiação electromagnética. Entre a variedade de meios pertencentes à classe dos metamateriais, uma estrutura que tem atraído grande interesse em virtude das suas potencialidades na manipulação dos campos electromagnéticos é aquela formada por agregados de fios metálicos paralelos, designada por wire medium. Esta tese é dedicada ao estudo analítico, numérico e experimental de materiais estruturados formados por agregados de fios metálicos (não necessariamente fios rectos). Os principais tópicos estudados são o transporte e manipulação do campo próximo, a refracção negativa e focagem de campo distante, e o guiamento sub-λ (λ representa o comprimento de onda) de ondas electromagnéticas. A possibilidade de transporte do campo próximo usando um agregado de fios metálicos inclinados é investigada analiticamente e numericamente. É demonstrado que os agregados de fios (wire media) permitem a restauração da componente do campo eléctrico paralela aos fios, mesmo quando não existe campo eléctrico incidente normal à interface. Para além disso, demonstra-se experimentalmente a reconstrução total do campo próximo (amplitude e fase) utilizando uma lente de fios inclinados. Tal resultado sugere aplicações muito interessantes para a lente de fios inclinados na medição do campo próximo. Em seguida, investiga-se o fenómeno da refracção negativa e a focagem do campo distante em duas configurações diferentes de agregados de fios. Em primeiro lugar, demonstra-se analiticamente e numericamente que um agregado de fios metálicos em forma helicoidal (ou hélices) se comporta como um meio local uniaxial com permitividade negativa (ENG) mesmo quando a condutividade do metal é muito grande (como acontece para frequências microondas). Como consequência, este meio estruturado possibilita uma refracção negativa forte numa banda de frequências larga. Em seguida, tirando partido da refracção negativa, demonstra-se um efeito de focagem parcial da radiação usando uma lente formada por fios helicoidais e com interfaces planas. Por outro lado, investiga-se também o fenómeno da refracção negativa e focagem do campo distante num meio com forte dispersão espacial formado por agregados de fios metálicos cruzados e não conectados. Demonstra-se analiticamente, bem como numericamente e experimentalmente que uma lente formada por tal material estruturado com interfaces planas também possibilita uma focagem parcial da radiação. De forma muito interessante, demonstra-se que neste caso a intensidade da refracção negativa pode ser controlada através da alteração do ângulo entre os dois conjuntos de fios metálicos paralelos. Por último, propõe-se uma nova e promissora forma de conseguir guiamento sub-λ e de banda-larga de ondas electromagnéticas nas bandas de frequências de microondas, terahertz e infra-vermelho. A ideia é acoplar a radiação electromagnética às ondas de densidade de carga espacialmente induzidas que são suportadas por grelhas de fios metálicos fortemente acopladas. É demonstrado, tanto teoricamente como experimentalmente, que o período espacial característico destas excitações mesoscópicas (que são designadas como “plasmons entrelaçados”) é determinado por características geométricas, e não pelo comprimento eléctrico dos elementos metálicos. O facto de estas excitações existirem numa banda-larga de frequências, a sua fraca sensibilidade à absorção metálica, e a sua dimensão característica sub-λ fazem com que os plasmons espacialmente induzidos possam ter aplicações promissoras no guiamento de ondas electromagnéticas na nano-escala.