Generation and shaping of light in spatially dispersive metamaterials

Abstract

Optical metamaterials are nanostructured materials that can be designed to exhibit extraordinary optical characteristics. Consisting of artificial nanoparticles called "metamolecules", optical metamaterials are usually spatially dispersive, and as a result, their optical response is can depend not only on light polarization but also on propagation direction. In this thesis develop analytical and numerical calculation tools to study the propagation and generation of light in such materials. To address all relevant phenomena, we describe the materials in terms of wave parameters, which are refractive index and impedance determined for each plane wave separately. We develop an approach to analyze the interaction of optical beams with metamaterial slabs, and introduce a method valid even for materials that do not support polarization modes. We also develop a method to calculate the optical fields created by quantum emitters inside spatially dispersive metamaterial slabs. Equipped with these tools we design and analyze metamaterials with unique optical properties including compensation of optical diffraction, direction-sensitive reflectivity, interface-shaped wavefronts of a multimode light source, and highly directional spontaneous emission.

Optiset metamateriaalit ovat nanorakenteisia materiaaleja joilla on tavallisesta poikkeavia optisia ominaisuuksia. Optiset metamateriaalit koostuvat keinotekoisista nanopartikkeleista, "metamolekyyleistä", ja ovat usein spatiaalisesti dispersiivisiä, jonka seurauksena niiden optinen vaste riippuu valon polarisaation lisäksi etenemissuunnasta. Tässä diplomityössä kehitetään analyyttisiä ja numeerisia menetelmiä tutkimaan valon etenemistä ja generointia optisissa metamateriaaleissa. Jotta kaikki metamateriaalien optiset ilmiöt voidaan ottaa huomioon, materiaalien karakterisointiin käytetään aaltoparametrejä, jotka ovat jokaisen tasoaallon oma taitekerroin ja aaltoimpedanssi. Työssä kehitetään menetelmä optisten säteiden ja metamateriaalikalvojen vuorovaikutuksen analysointiin, sekä menetelmä joka soveltuu tähän myös materiaaleissa, joilla ei ole polarisaatiomoodeja. Työssä kehitetään myös menetelmä, jolla voidaan laskea spatiaalisesti dispersiiviseen metamateriaalikalvoon upotetun säteilylähteen optinen kenttä. Näiden työkalujen avulla diplomityössä kehitetään ja analysoidaan metamateriaaleja, joilla on ainutlaatuisia optisia ominaisuuksia kuten valon diffraktion kompensointi, suuntariippuva heijastavuus, rajapintaan muotoutuvat aaltorintamat monimuotovalonlähteestä ja suunnattu spontaani emissio.