5 Имитация свободного пространства (эффект "невидимости") в широком диапазоне электромагнитных волн при использовании метаматериалов

Полимерные материалы с регулируемыми электрофизическими свойствами используют в качестве материалов, экранирующих и поглощающих электромагнитную энергию (ЭМЭ) радиодиапазона. При прохождении ЭМЭ радиодиапазона в таких материалах она преобразуется по различным механизмам. Эффективность экранирования и поглощения ЭМЭ определяется коэффициентом отражения.

Под оптическими свойствами материалов имеется в виду их реакция на воздействие электромагнитных волн (ЭМВ) различных длин волн, частот и энергий (рисунок 5.11).

Рисунок 5.11 – Соотнесение энергий, частот и длин волн.

Все волны ЭМИ распространяются в вакууме с одинаковой скоростью 299792458 ± 1,2 м/с. Скорость "c" связана с электрической емкостью вакуума ε₀ и магнитной проницаемостью вакуума μ₀ соотношением:

Явления, происходящие при контакте электромагнитного излучения с твердыми веществами, обусловлены взаимодействием излучения с атомами, ионами и/или электронами:

а) к переходу электронов из одного энергетического состояния в другое (энергетические состояния атома дискретны, из возбужденного состояния электроны переходят в основное, излучая электромагнитные колебания);

б) к электронной поляризации (смещению электронного облака относительно атомного ядра с поглощением части энергии и замедлению скорости v = c/n прохождения ЭМВ через вещество, что приводит к отклонению ЭМВ при прохождении границы раздела 2-х сред, их преломлению (рефракции).

Так как

,

где: ε₀, μ₀ – характеристики вакуума; ε,μ – диэлектрическая и магнитная проницаемость среды (материала)

то в этом случае абсолютный показатель преломления:

,

здесь: _r,_r- относительные (вакуума и среды) электрофизические величины.

Когда электромагнитные волны переходят из одной среды в другую (например, из воздуха в твердое вещество) часть излучения Т с изменением направления (преломлением) проходит через эту среду, часть А поглощается ею, часть R отражается от границы между двумя средами (рисунок 5.12).

Рисунок 5.12 – Схема перехода электромагнитной волны через разные среды.

Угол падения φ и угол преломления α (зависит от длины ЭМВ, хроматическая дисперсия) связаны соотношениями:

где: n₁,n₂– показатели преломления средIиII; υ₁, υ₂– скорости ЭМВ соответственно в средахIиII.

Интенсивность I₀ излучения, падающего на границу раздела сред, равна сумме прошедшего I_Т, поглощенного I_A и отраженного I_R потоков:

I₀ = I_Т + I_A + I_R

Интенсивность излучения представляет собой энергию в Вт/м², проходящую через единицу площади, перпендикулярную направлению распространения излучения, в единицу времени.

Сумма долей энергии, характеризующих относительную прозрачность T = T_T/I₀, поглощающую способность A = I_A/I₀, отражающую способность R = I_R/I₀ равна единице:

T+A+R=1

T, A, R = f (λ)

При прохождении ЭМВ через природные среды явления поглощения, рассеяния (отражения) и пропускания накладываются друг на друга и для ЭМВ с λ = 0,4 мкм доли прошедшего, поглощенного и отраженного излучения составляет соответственно 0,90; 0,05; 0,05, для λ= 0,55 мкм – 0,50; 0,48; 0,02.

Интенсивность излучения, выходящего через заднюю поверхность среды:

I_Т = I₀ (1 - R)²·e ^-βl

где: R– коэффициент отражения; β – коэффициент поглощения (зависит от λ и интенсивности излучения);l– толщина среды (материала), взаимодействующего с ЭМВ.

Если ЭМВ падают перпендикулярно поверхности раздела, то:

где: n₁иn₂– показатели преломления средIи 2;

Электромагнитные волны состоят из электрического и магнитного компонентов, которые перпендикулярны друг другу (векторы E, H) и направлению их распространения (вектор K) и потоку энергии (вектор S), схема «А»:

При положительных значениях ε и μ ("+" перед квадратным корнем) показатель преломления вещества n положителен преломленная волна появляется на противоположной стороне линии "а-а", проходящей перпендикулярно границе раздела двух сред (нормали к поверхности, схема "Б").

У сред с отрицательными значениями ε и μ волны появляются на той же стороне нормали к поверхности, что и приходящая волна (схема "В").

В левых средах векторы инаправлены в разные стороны, их фазовая скорость противоположна потоку энергии. Благодаря направленному изменению векторов, ЭМВ увеличивают свой импульс, притягиваются средами сn<0. Если материальный объект защищен средой (покрытием, экраном) с n<0, то ЭМВ при контакте с ним искривляются (явление нелинейной оптики) и, двигаясь по кривой, огибают его:

Реализуется эффект «невидимости» объекта, наблюдатель увидит только то, что находится за объектом, но не сам объект.

Материалы особой структуры, включающие компоненты с отрицательными значениями диэлектрической ε и магнитной μ проницаемости, названы метаматериалами (метаструктурами).

Термин «метаматериал» применен к структурам, композициям, которые, благодаря их специфическому взаимодействию с ЭМВ, обеспечивают проявление нелинейных эффектов (искривление ЭМВ).

При создании метакомпозиций полимеры используют как в качестве их составных частей (матрицы, наполнители-резонаторы), так и в технологических процессах формирования метаструктур методами микро- и наностереолитографии, самосборочной литографии и др.

Для формирования топологической схемы используют фотолитографию, электронографию, рентгенографию, УФ-графию, самосборочную литографию.

Для изготовления полимерных, металлических, керамических метаструктур с различными схемами размещения резонаторов используют многоступенчатые литографические технологии.

Например, при использовании фотолитографии технология включает следующие операции:

- нанесение на подложку фоторезисторного полимера в виде раствора или расплава

- перенесение литографическим способом изображения схемы резонаторов с маски на подложку

- закрепление фоторезиста экспонированием

- удаление не закрепленного фоторезиста

- травление незащищенного фоторезистором поверхностного слоя

- удаление остатков фоторезиста

- имплантирование ионов в протравленные участки схемы

- литографическое формирование токопроводящих контактов для активации резонаторов

При изготовлении сложных многослойных структур процесс повторяется необходимое число раз.

Типы метакомпозиций (метаматериалов):

Многоуровневый (чередующийся слои с шагом в 2,68 мм из медных проводников и колец с разрезом) трехмерной структуры метаматериал с отрицательным коэффициентом преломления микроволн с λ около 20см (частота 10 ГГц); материал Веселаго (SmitD., Калифорнийский университет, г. Сан-Диего, 2000 г).

Вафельный метаматериал из чередующихся слоев фторида магния и серебра с призматическими отверстиями, сформированными обработкой ионной плазмой (Zhang, Jason V., University of California, Berkeley)

Трехслойный метаматериал из слоев серебра, разделенных слоем оксида алюминия с коэффициентом преломления -1,1 при λ 818-799 нм (ИК-диапазон) с прямоугольными отверстиями (120 х120 нм, между отверстиями 300 нм)

Метаматериал из слоев пористого оксида алюминия толщиной 60 нм, получаемых электрохимически, с регулярным массивом нанострежней (резонаторов) из серебра, обеспечивающий "невидимость" в ИК-диапазоне с λ до 660 нм (Jie Yao, UC Berkeley)

Метаструктура из полимерных стержней, изготавливаемых обработкой фоторезистного полимера методом лазерной наностереолитографии. При диаметре стержней в несколько сотен нм обеспечивает «невидимость» в диапазоне ЭМВ с λ 1,4 мкм и выше; при диаметре стержней 10нм-в оптическом диапазоне.(Tolga E., Karlsruhe of Tehnology, ФРГ)

Поверхность экранов из ПМКМ может быть:

1. Плоской. Оптимизация диэлектрических и магнитных свойств, обеспечение требуемых закономерностей изменения показателя преломления осуществляется в матричных и слоистых ПМКМ за счет сложной внутренней структуры с размещением в их объеме блоков микро-, наноразмерных резонаторов различных форм, конических, клиновидных, зубчатых, гофрированных вставок, характерных для традиционных радиопоглощающих материалов.

2. Иметь элементы из метакомпозиций, нанесенные аппликацией, приклеиванием.

Ускорение и удешевление производства метакомпозиций на пленочных носителях может быть достигнуто при использовании непрерывных методов их изготовления, реализованных в технологии производства электронных полимерных чипов с использованием информации о структуре композиции в цифровом формате с её считыванием лазером или световым лучом. Метакомпозиции при этом наклеивают как фольгу на полимерные пленки или интегрируют в структуру изделий.

При использовании ПМКМ затрудняется обнаружение, например, подводных лодок, благодаря перенаправлению звуковых волн гидролокаторов от них. Структура такого покрытия представлена ниже:

Экраны из ПМКМ эффективно использовать для изоляции от акустических волн (шумов), обеспечения идеальной акустики, защиты сейсмически опасных объектов, от колебаний земной коры.

Перспективно использование метакомпозиций для:

1) получения изображений, качество которых не ограничено дифракционным пределом разрешения (суперлинзы);

2) улучшения чувствительности томографов, увеличение изображений, сокращения продолжительности сканирования;

3) улучшения качества связи;

4) оптоэлектроники, в компьютерах с оптическими процессорами, ускорения интернета.