Novel approach to a perfect lens

Within the framework of an exact analytical solution of Maxwell equations in a space domain, it is shown that optical scheme based on a slab with negative refractive index ($n=-1$) (Veselago lens or Pendry lens) does not possess focusing properties in the usual sense . In fact, the energy in such systems does not go from object to its "image", but from object and its "image" to an intersection point inside a metamaterial layer, or vice versa. A possibility of applying this phenomenon to a creation of entangled states of two atoms is discussed.Comment: 4 pages, 6 figure

Finite-Difference and Pseudospectral Time-Domain Methods Applied to Backwards-Wave Metamaterials

Backwards-wave (BW) materials that have simultaneously negative real parts of their electric permittivity and magnetic permeability can support waves where phase and power propagation occur in opposite directions. These materials were predicted to have many unusual electromagnetic properties, among them amplification of the near-field of a point source, which could lead to the perfect reconstruction of the source field in an image [J. Pendry, Phys. Rev. Lett. \textbf{85}, 3966 (2000)]. Often systems containing BW materials are simulated using the finite-difference time-domain technique. We show that this technique suffers from a numerical artifact due to its staggered grid that makes its use in simulations involving BW materials problematic. The pseudospectral time-domain technique, on the other hand, uses a collocated grid and is free of this artifact. It is also shown that when modeling the dispersive BW material, the linear frequency approximation method introduces error that affects the frequency of vanishing reflection, while the auxiliary differential equation, the Z transform, and the bilinear frequency approximation method produce vanishing reflection at the correct frequency. The case of vanishing reflection is of particular interest for field reconstruction in imaging applications.Comment: 9 pages, 8 figures, accepted by IEEE Transactions on Antennas and Propagatio

On the impedance matching of left-handed materials to free-space

International audienceUsing an original approach, this work shows that the intrinsic impedance, as it is usually defined, is negative for a left-handed medium (LHM) and a method to match left-handed media to free space is proposed. A full-wave technique is used to validate our analysis and proposed scheme. Our work is not in contradiction with previous studies on left-handed media and does not mean that the LHM is active, but we explain why one can encounter dificulty in simulating the excitation by an electromagnetic wave of an interface air/LHM if the LHM is considered homogeneous and we show that it is possible to excite the forward wave of a left-handed medium instead of the backward wave as it is usually done

Фокусировка излучения вертикального электрического диполя линзой Пендри

Концепция плоской линзы впервые была рассмотрена в работе В. Г. Веселаго, посвященной распространению электромагнитных волн в средах с одновременно отрицательными диэлектрической и магнитной проницаемостями (согласно современной терминологии – в левосторонних метаматериалах). Позднее Дж. Б. Пендри выдвинул идею так называемой «суперлинзы», разрешающая способность которой могла бы превышать дифракционный предел. Ввиду перспективности для практических приложений это вызвало дискуссию, посвященную возможности как антипараллельности фазовой и групповой скоростей, так и самой реализации сверхразрешения для источника излучения в виде монополя. Однако использованные при этом приближения лучевой теории уменьшили общность полученных результатов, пренебрежение потерями радикально исказило их, а ошибки в теоретическом анализе привели к неправильной физической трактовке. В данной работе получено строгое решение задачи о фокусировке излучения элементарного электрического диполя, ориентированного вертикально относительно плоского слоя конечной толщины из левостороннего метаматериала с поглощением. Численно промоделировано пространственное распределение электромагнитного поля в слое, а также прошедшее и отраженное от него поле при различных высотах диполя, толщинах слоя и потерях в каждой среде. Анализ рассчитанной пространственной структуры электромагнитного поля подтвердил фокусирующие способности границ раздела обычной и левосторонней сред, а также плоской линзы.Концепцію плоскої лінзи вперше було розглянуто в роботі В. Г. Веселаго, яка присвячена поширенню електромагнітних хвиль в середовищах з одночасно негативними діелектричною та магнітною проникностями (за сучасною терміноло-гією – в лівосторонніх метаматеріалах). Пізніше Дж. Б. Пендрі висунув ідею так званої «суперлінзи», розрізнювальна здатність якої могла б перевищувати дифракційну границю. З огляду на перспективність для практичних застосувань, це викликало дискусію, присвячену можливості як антипаралельності фазової і групової швидкостей, так і самої реалізації надрозрізнення для джерела випромінювання у вигляді монополя. Однак використані при цьому наближення променевої теорії зменшили загальність отриманих результатів, нехтування втратами радикально спотворило їх, а помилки теоретичного аналізу призвели до неправильного фізичного трактування. У цій роботі отримано точний розв’язок задачі про фокусування випромінювання елементарного електричного диполя, розташованого вертикально до плоского шару кінцевої товщини з лівостороннього мета-матеріалу з поглинанням. Чисельно промодельовано просторовий розподіл електромагнітного поля в шарі, а також падаюче і відбите від нього поля при різних висотах диполя, товщині шару і поглинаннях в кожному середовищі. Аналіз розрахованої просторової структури електромагнітного поля підтвердив фокусуючу здатність межі розподілу звичайного і лівостороннього середовищ, а також плоскої лінзи.The flat lens conception was considered in the pioneering work of V. G. Veselago, who considered the possibility of electromagnetic waves propagation in media with simultaneously negative permittivity and permeability (according to modern terminology – in the left-handed metamaterials). Later, J. B. Pendry put forward the idea of so-called “superlens”, the resolution of which would exceed the diffraction limit. In view of the prospects for the practical applications it has caused a discussion on the possibility of antiparallelism of phase and group velocities and the actual superresolution implementation for the source in the form of a monopole. However, using the ray theory approximation reduced the generality of the results, neglecting losses radically distorted them, and errors in the theoretical analysis led to the wrong physical interpretation. In this paper, we obtained a rigorous solution to the problem of focusing radiation from elementary electric dipole located perpendicularly to the plane layer of finite thickness made of the left-handed metamaterial with absorption. Spatial distribution of the electromagnetic field in the layer, as well as the incident and reflected fields at various heights of the dipole, layer thickness and losses in each environment are numerically simulated.The analysis of the calculated spatial structure of the electromagnetic field confirmed the focusing ability of the interfaces between ordinary and left-handed media, as well as a flat lens

Physics and applications of photonic nanocrystals

Photonic nanocrystals are periodic dielectric or metallic structures having photonic bands in analogy to electronic bands of semiconductors. The presence of photonic band-gaps, where the propagation of photons of certain frequencies is prohibited, and the variety of photon dispersions give rise to novel and unusual optical phenomena. Consequently, photonic crystals are now envisaged as an essential building block of future photonic devices. This paper aims to provide a review of contemporary developments on the physics and applications of photonic crystals with an emphasis on optical properties of coupled microcavity waveguides and on the negative refraction phenomenon. The enhancement of spontaneous emission in a silicon nitride photonic nanocrystal is investigated in detail. Both the negative refraction of a Gaussian beam and the focusing of a microwave point source through a photonic crystal slab with subwavelength resolution are studied experimentally