Chiral metamaterial and high-contrast grating based polarization selective devices

Abstract

Özellikle tasarlanmış bir elektromanyetik tepkisi olan suni malzemelerin kullanımı, doğal malzemeler ile elde edilmesi zor ya da imkansız olan etkileyici özelliklerin elde edilmesini sağlayabilir. Burada özellikle iki tür suni malzeme üzerinde durulmuştur: metamalzemeler ve yüksek kontrast ızgaralar. Metamalzemeler ve yüksek kontrast ızgaralar periyotları dalga boyundan küçük olacak şekilde dizayn edildikleri için kırınımlayıcı değillerdir. Kiral metamalzemelerde rastlanan manyetoelektrik bileşim etkisi kullanılarak çeşitli polarizasyon seçici dizaynlar yapılmıştır. İlk olarak, x yönünde lineer polarize dalgaları dairesel polarizasyona çeviren bir dizayn gösterilmiştir. Devamında ise, manyetoelektrik bileşim özelliği ve elektromanyetik tünelleme etkisi birleştirilerek polarizasyondan bağımsız olarak çalışabilen bir 90 derece polarizasyon çevirici dizayn edilmiştir. Bu çevirici, birim iletim ve çapraz polarizasyona çevirim verimliliği göstermektedir. Sonrasında, bu çevirici ile üzerinde dalga boyu altı bir yarık bulunan simetrik bir metalik ızgara birleştirilmiştir. Böylece, yalancı yüzey plazmonlarının tek yönlü uyarımı sağlanmış ve tersine çevrilebilir bir diyot benzeri ışıma rejimi elde edilmiştir. Ayrıca, kiral metamalzemelerin asimetrik iletim özelliği kullanılarak, polarizasyon açısına bağlı çevirim elde edilebileceği ve, ek olarak, diyot benzeri bir iletim rejiminin mümkün olduğu gösterilmiştir. Devamında, kısa bir dalga kılavuzu genel bakışı verilmiş ve periyodik dielektrik plaka dalga kılavuzları için dağılma ilişkileri hesaplanmıştır. Bu ilişkiler kullanılarak ve yüksek kontrast ızgaların sonlu yapılar olduğu göz önüne alınarak, bu yapılar için teorik hesaplamalar gösterilmiştir. Son olarak, yüksek kontrast ızgara tabanlı bir genişbant çeyrek dalga levhası dizaynı hem teorik hem de deneysel olarak çalışılmıştır.Anahtar s¨ozc¨ukler: Metamalzemeler, kiralite, asimetrik iletim, yalancı y¨uzey plazmonları, elektromanyetik t¨unelleme, ı¸sıma, y¨uksek kontrast ızgara, ¸ceyrek dalga levhası.

The utilization of purposely designed artificial media with engineered electromagnetic responses enables the obtaining of intriguing features that are either impossible or difficult to realize using readily available natural materials. Here, we focus on two classes of artificial media: metamaterials and high-contrast gratings. Metamaterials and high-contrast gratings are designed within the subwavelength periodicity range and therefore, they are non-diffractive. We exploit the magnetoelectric coupling effect in chiral metamaterials to design several structures. Firstly, we design a linear to circular polarization convertor that operates for x-polarized normally incident plane waves. Then, we combine the chirality feature and the electromagnetic tunneling phenomenon to design a polarization insensitive 90 degrees polarization rotator that exhibits unity transmission and cross-polarization conversion efficiencies. Subsequently, we combine this polarization rotator with a symmetric metallic grating with a subwavelength slit for the purpose of enabling the one-way excitation of spoof surface plasmons and achieving a reversible diodelike beaming regime. Then, we exploit the asymmetric transmission property of chiral metamaterials and show that a polarization angle dependent polarization rotation and a strongly asymmetric diodelike transmission is realizable. Afterwards, a brief waveguide theory is provided and eventually, the dispersion relations for a periodic dielectric waveguide geometry are derived. Then, using these relations and considering the finiteness of the waveguide length, we show the theoretical description of high-contrast gratings. Finally, we theoretically and experimentally show that the achievement of a broadband quarter-wave plate regime is possible by using carefully designed high-contrast gratings.Keywords: Metamaterial, chirality, asymmetric transmission, spoof surface plasmon, electromagnetic tunneling, beaming, high-contrast grating, wave plate.