Optical metamaterials for advanced wave propagation control

Abstract

This thesis presents a study of advanced artificial electromagnetic structures, namely, metasurfaces and photonic crystals, for nonlinear, sensing, and energy-related applications. It focuses on the theoretical analysis and numerical modeling of the structures under study, using rigorous simulations in the frequency and time domains. Experimental data by collaborators are used for the verification of the designs and the demonstration of the intended functionality and performance. The researchis organized into three main thematic areas. The first part of the thesis is dedicated to nonlinear metasurfaces based on graphene. The unique nonlinear and plasmonic properties of graphene are exploited to propose structures capable of enhancing third-order nonlinear effects. Various metasurface configurations are analyzed, including patterned graphene meta-atoms and hybrid gold–graphene architectures. Using full-wave electromagnetic simulations, the meta-atom geometry is tuned in order to tailor the underlying resonant structure and enhance the nonlinear response. The second part focuses on microwave metasurfaces designed for refractive index sensing and energy harvesting. These include complementary split ring resonators tailored to perform as water and oil quality sensors, as well as metasurfaces with toroidal topologies aimed at efficient energy harvesting. In addition, structures for mechanical strain detection are proposed through designs with resonant propertiesthat respond strongly to applied stress. Finally, the thesis explores photonic crystal structuresenhanced with functional material coatings. Emphasis is placed on tailoring the electromagneticresponse of dielectric structures through either an optically denser, epsilon near zero, or nonlinearmaterial coating. Theoretical analysis and simulations demonstrate how such coatings can enablenovel functionalities, particularly in the terahertz spectral range. Overall, this work demonstratesthe potential of periodic artificial structures which comprise contemporary materials for controllingelectromagnetic waves in a broad range of applications and frequencies, from microwaves, to THz,and the near infrared. It lays the groundwork for their future applications in real-world scenarios.

Η παρούσα διατριβή μελετά προηγμένες τεχνητές ηλεκτρομαγνητικές δομές, μεταεπιφάνειες και φωτονικούς κρυστάλλους, για εφαρμογές μη γραμμικής οπτικής, συγκομιδής ενέργειας και αισθητήρων. Επικεντρώνεται στη θεωρητική ανάλυση και την αριθμητική προσομοίωση των υπό μελέτη δομών, χρησιμοποιώντας προσομοιώσεις στο πεδίο της συχνότητας και το πεδίο του χρόνου. Πειραματικά δεδομένα από συνεργάτες χρησιμοποιούνται για την επαλήθευση των θεωρητικών προβλέψεων καθώς και για την επίδειξη της λειτουργίας και επίδοσης των προτεινόμενων δομών. Η έρευνα οργανώνεται σε τρεις κύριες θεματικές περιοχές. Το πρώτο μέρος της διατριβής είναι αφιερωμένο στις μη γραμμικές μεταεπιφάνειες με βάση το γραφένιο. Οι μοναδικές μη γραμμικές και πλασμονικές ιδιότητες του γραφενίου αξιοποιούνται για να προταθούν δομές ικανές να ενισχύσουν μη γραμμικά φαινόμενα τρίτης τάξης. Αναλύονται διαφορετικές δομές μεταεπιφανειών, συμπεριλαμβανομένων δομών με μετα-άτομα γραφενίου διαφορετικών γεωμετριών καθώς και υβριδικά μετα-άτομα χρυσού-γραφενίου. Χρησιμοποιώντας ηλεκτρομαγνητικές προσομοιώσεις πλήρους κύματος, η γεωμετρία του μετα-ατόμου επιλέγεται κατάλληλα προκειμένου να τροποποιηθούν οι συχνότητες συντονισμού των υποστηριζόμενων ιδιορυθμών και να ενισχυθεί η μηγραμμική απόκριση. Το δεύτερο μέρος επικεντρώνεται σε μικροκυματικές μεταεπιφάνειες που έχουν σχεδιαστεί για ανίχνευση του δείκτη διάθλασης και για συγκομιδή ενέργειας. Αυτές περιλαμβάνουν συμπληρωματικούς συντονιστές διακεκομμένου δακτυλίου προσαρμοσμένους για να λειτουργούν ως αισθητήρες ποιότητας νερού και ελαίων, καθώς και μεταεπιφάνειες με τοροειδή τοπολογία που αποσκοπούν στην αποτελεσματική συγκομιδή ενέργειας. Επιπλέον, προτείνονται δομές για την ανίχνευση μηχανικών τάσεων σχεδιάζοντας μετα-άτομα που ανταποκρίνονται ισχυρά στην εφαρμοζόμενη τάση. Τέλος, η διατριβή διερευνά δομές φωτονικών κρυστάλλων που επικαλύπτονται με λεπτές επιστρώσεις υλικών με κάποια επιθυμητή ιδιότητα. ΄Εμφαση δίνεται σε επιστρώσεις οπτικά πυκνών υλικών, υλικών με διηλεκτρική σταθερά κοντά στο μηδέν, ή μη γραμμικών υλικών. Η θεωρητική ανάλυση και οι προσομοιώσεις καταδεικνύουν πώς τέτοιες επιστρώσεις μπορούν να μεταβάλλουν την οπτική απόκριση και να επιτρέψουν νέες λειτουργικότητες, ιδίως στη φασματική περιοχή των terahertz. Συνολικά, η διατριβή αυτή καταδεικνύει τις δυνατότητες των περιοδικών τεχνητών δομών που περιλαμβάνουν καινοτόμα φωτονικά υλικά για τον έλεγχο των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων σε ένα ευρύ φάσμα εφαρμογώνκαι συχνοτήτων, από τα μικροκύματα, έως τα THz και το κοντινό υπέρυθρο. Θέτει τις βάσεις για τη μελλοντική εφαρμογή τους σε πραγματικές συνθήκες.