Оптика метаматериалов и метаповерхностей

Рисунок 1 -  Гиперболический метаматериал на основе среды из наностолбиков. Экстраординарные моды возбуждаются путем рассеяния гауссова пучка на микрообъекте на поверхности метаматериала.

Данная область исследований весьма широка и в настоящее время бурно развивается. Начиная с 2006 года, метаматериалы предполагается использовать для достижения отрицательного показателя преломления, сверхлинзирования, получения гиперболического типа дисперсии, а также для множества других задач. В нашей лаборатории основной упор делается на исследование рассеяния света на объектах, внедренных в слоистые метаматериалы либо материалы на основе наностолбиков и нанопроводов, а также на изучение оптомеханических эффектов в подобных структурах. В частности, в процессе исследования рассеяния на объекте, помещенном в метаматериал с близкой к нулю диэлектрической проницаемостью, показано, что рассеяние происходит в виде плоских волн, практически не искажающих фронт прошедшей волны, то есть, объект, помещенный в такую структуру становится невидимым.

С другой стороны, нами впервые исследованы оптические силы, действующие на наночастицу, помещенную в гиперболический метаматериал и показано, что в такой системе реализуется «луч притяжения», то есть нанообъект притягивается к поверхности среды. Это происходит из-за сложного перерассеяния поля в условиях возбуждения экстраординарных мод в гиперболической среде. 

Рисунок 2 - Просветляющая метаповерхность, представляющая собой двумерный массив субволновых полостей, имеющих форму усеченного конуса, в подложке. АСМ-фотография и профиль пор.

Другим направлением, которое активно развивается в лаборатории, является применение метаповерхностей для просветления сред и повышения фотопоглощения (и, соответственно, КПД) тонкопленочных солнечных батарей.

В частности, нами впервые показано, что наноструктурная пленка, представляющая собой периодический массив субволновых отверстий в подложке позволяет выполнить условие интерференционного погашения отражения в широком спектральном интервале (а не на одной длине волны, как гомогенная пленка). Это обусловлено дополнительным, частотно-зависимым фазовым сдвигом, возникающим при отражении от метаповерхности, который подстраивает полную фазу под условие «четвертьволновой» просветляющей пластины. Формально это соответствует аномальной дисперсии показателя преломления пленки при отсутствии поглощения. Данный принцип действия покрытия является оригинальным, ранее не исследовался и, фактически, является совершенно новым видом просветляющих покрытий.

Массивы диэлектрических микрообъектов, а также субволновых нанопор в поверхности также исследовались нами в приложении к задачам тонкопленочной фотовольтаики. Использование диэлектрических метаповерхностей позволило одновременно снизить как отражение от системы за счет эффекта просветления, так и прохождение излучения сквозь тонкий слой полупроводника за счет эффекта коллимации и светоулавливания. Показано, что такие покрытия позволяют добиться значений фотопоглощения в солнечной батарее, недостижимых при использовании обычного просветляющего покрытия, а также существенно более устойчивы к углу падения излучения.