Diffractive, refractive and absorptive elements based on subwavelength periodic mettalic structures

Rozprawa doktorska pt "Elementy dyfrakcyjne, refrakcyjne i absorpcyjne oparte na podfalowych periodycznych strukturach metalicznych" przygotowana przeze mnie w Zakładzie Optyki Informacyjnej na Wydziale Fizyki UW dotyczy struktur fotonicznych zawierających elementy metaliczne o rozmiarach charakterystycznych mniejszych od długości fali. Dla zakresu optycznego będą to nanostruktury fotoniczne i plazmoniczne, podczas gdy dla zakresu terahercowego badane były podfalowe siatki metalowe o różnej geometrii. Kluczowe wyniki dotyczą jednokierunkowej transmisji promieniowania elektromagnetycznego z zakresu THz, a także właściwości metamateriałów zbudowanych z wielowarstw opisywanych za pomocą modelu ośrodka efektywnego. Zarówno dla zakresu promieniowania widzialnego, jak i THz, struktury były badane przy wykorzystaniu modelowania elektromagnetycznego, przede wszystkim metodą różnic skończonych FDTD (ang. Finite Difference Time Domain Method). Praca podzielona jest na sześć rozdziałów. Rozdział pierwszy zawiera wprowadzenie do pracy, oraz formułuje jej zasadnicze tezy. W rozdziale drugim następuje wprowadzenie do dziedziny pracy. Omówione są w nim wykorzystywane metody numeryczne, wprowadzone zostają pojęcia związane z układami liniowymi niezmienniczymi ze względu na przesunięcia, modele dyspersji materiałowej oraz przybliżenie ośrodka efektywnego. Dalsza część pracy opiera się na oryginalnych pracach autora analizujących układy o rozmiarach podfalowych przeznaczone do działania w różnych zakresach długości fali. Rozdział trzeci poświęcony jest kształtowaniu fal elektromagnetycznych w zakresie THz. Prezentowane są dwa rodzaje struktur. Pierwszy służy jako antena promieniowania elektromagnetycznego umieszczona na detektorach opartych o tranzystor polowy. Wykorzystując mechanizm wzbudzenia modów falowodowych w podkładzie dielektrycznym możliwe jest doprowadzenie promieniowania elektromagnetycznego z dużego obszaru anteny do detektora w ten sposób zwiększając jego efektywność. Drugi wskazuje na możliwość uzyskania asymetrycznej transmisji przez układy oparte na dwóch następujących po sobie siatkach dyfrakcyjnych. Asymetria transmisji spełnia zasadę wzajemności Lorenza, nie może być więc zastosowana do realizacji typowego izolatora optycznego. Zaprezentowane wyniki wskazują jednak na możliwość konstrukcji jednokierunkowej soczewki dyfrakcyjnej dla promieniowania THz z wykorzystaniem przedstawionego układu. Rozdziały czwarty i piąty dotyczą wyników symulacji prowadzonych dla długości fali z zakresu widzialnego. W rozdziale czwartym przedstawiona jest propozycja konstrukcji metamateriału realizującego funkcje warstwy idealnie dopasowanej (ang. perfectly matched layer). Zawarte są wyniki obliczeń dla wielowarstwy opisywanej przy pomocy danych literaturowych na temat dyspersji wskazanych materiałów. Przedstawione są również wyniki symulacji elektormagnetycznych dla struktur w geometrii płaskiej jak i cylindrycznej, w której omawiane struktury mają budowę typu core-shell. W rozdziale piątym rozprawa dotyczy bezdyfrakcyjnej propagacji światła przez wielowarstwy metaliczno-dielektryczne. Przedstawione są możliwości optymalizacji struktur, jak i potencjalne zastosowania do realizacji operacji geometrycznych (takich jak rzutowanie) na wiązkach światła o rozmiarach znacznie mniejszych niż długość fali. Kolejne wyniki symulacji dotyczą weryfikacji możliwości eksperymentalnego wykonania tego typu układów, w szczególności skupiając się na wymogach dotyczących gładkości powierzchni warstw. Rozdział szósty stanowi podsumowanie. Znajdują się w nim odniesienia do tez pracy i poprzednich rozdziałów wskazujące na ich udowodnienie.The doctoral thesis entitled: ‘Diffractive, refractive and absorptive elements based on subwavelength periodic metallic structures’ prepared by myself at the Information Optics Department of the University of Warsaw’s Faculty of Physics relates to photonic structures containing metallic elements with the characteristic lengthscale smaller than the wavelength. For the optical range those shall be the photonic and plafsmofnic nanostructures, whilst for the terahertz range sub-wavelength metal gratings of various geometries were studied. The key results refer to one-way transmission of electromagnetic radiation from the THz range, as well as the properties of meta-materials built of multi-layers described using the effective medium theory model. For both the visible radiation range and THz, the structures were analysed using electromagnetic modelling, mainly with the Finite Difference Time Domain Method (FDTD). The thesis is divided into six chapters. The first one contains an introduction and formulates its primary theses. In the second chapter there is an introduction into the researched field. It discusses the numerical methods used, terms related to the linear time-invariant systems as well as material dispersion models and effective medium approximation. The next part of the paper is based on the author’s original works analysing sub-wavelength sized systems intended for operating within various wavelength ranges. The third chapter discusses the shaping of electromagnetic waves within the THz range. Two types of structures are presented. The first one is used as an electromagnetic radiation antenna placed on detector based on a field transistor. Using the mechanism of exciting waveguide modes in the dielectric base, it is possible to bring about electromagnetic radiation from a large area of the antenna to the detector and to increase its effectiveness by doing so. The second one suggests the possibility of achieving asymmetrical transmission through systems based on two consecutive diffractive grating. The asymmetry of transmission complies with Lorenz’s principle of reciprocity, therefore it cannot be used to construct a typical optical insulator. However, the presented results indicate the possibility of constructing one-way diffractive lens for THz radiation with the use of the system presented. Chapters four and five refer to the simulation results carried out for the visible range wavelength. In chapter four, a proposal for the construction of a meta-material is presented which performs the functions of a perfectly matched layer. It contains the numerical calculation results for the multi-layer described using literature data on the dispersion of selected materials. It also presents the results of electromagnetic simulations for structures in flat as well as in cylindrical geometry in which the described structures are of core-shell type. In chapter five, the thesis discusses non-diffractive light propagation through metallicdielectric multi-layers. It presents the possibilities of structure optimization as well as potential applications for carrying out geometrical operations (e.g. projecting) on light beams significantly smaller than wavelength. The further simulation results are related to verification of the possibility of experimental usage of systems of such type, especially focusing on the requirements on the layer surface smoothness. Chapter six is a summary. Within this chapter, there are references to the paper’s theses and previous chapters which indicate they have been proven

Multilayer metamaterial absorbers inspired by perfectly matched layers

We derive periodic multilayer absorbers with effective uniaxial properties similar to perfectly matched layers (PML). This approximate representation of PML is based on the effective medium theory and we call it an effective medium PML (EM-PML). We compare the spatial reflection spectrum of the layered absorbers to that of a PML material and demonstrate that after neglecting gain and magnetic properties, the absorber remains functional. This opens a route to create electromagnetic absorbers for real and not only numerical applications and as an example we introduce a layered absorber for the wavelength of $8$~$\mu$m made of SiO$_2$ and NaCl. We also show that similar cylindrical core-shell nanostructures derived from flat multilayers also exhibit very good absorptive and reflective properties despite the different geometry

Comparison of reorganized versus unaltered cardiology departments during the COVID-19 era: a subanalysis of the COV-HF-SIRIO 6 study

Background: Since the beginning of the coronavirus disease-2019 (COVID-19) pandemic, numerous cardiology departments were reorganized to provide care for COVID-19 patients. We aimed to compare the impact of the COVID-19 pandemic on hospital admissions and in-hospital mortality in reorganized vs. unaltered cardiology departments. Methods: The present subanalysis is a multicenter retrospective COV-HF-SIRIO 6 study that includes all patients (n = 101,433) hospitalized in 24 cardiology departments in Poland between January 1, 2019 and December 31, 2020, with a focus on patients with acute heart failure (AHF). Results: Reduction of all-cause hospitalizations was 50.6% vs. 21.3% for reorganized vs. unaltered cardiology departments in 2020 vs. 2019, respectively (p < 0.0001). Considering AHF alone respective reductions by 46.5% and 15.2% were registered (p < 0.0001). A higher percentage of patients was brought in by ambulance to reorganized vs. unaltered cardiology departments (51.7% vs. 34.6%; p < 0.0001) alongside with a lower rate of self-referrals (45.7% vs. 58.4%; p < 0.0001). The rate of all-cause in-hospital mortality in AHF patients was higher in reorganized than unaltered cardiology departments (10.9% vs. 6.4%; p < 0.0001). After the exclusion of patients with concomitant COVID-19, the mortality rates did not differ significantly (6.9% vs. 6.4%; p = 0.55). Conclusions: In cardiology departments reorganized to provide care for COVID-19 patients vs. unaltered ones, observed: i) a greater reduction in hospital admissions in 2020 vs. 2019; ii) higher rates of patients brought by ambulance and lower rates of self-referrals; and iii) higher all-cause in-hospital mortality for AHF due to COVID-19 related deaths

Original paper<br>The managed health care study for screening and early detection of colorectal cancer in Lodz urban population

The quality improvement initiative was undertaken in parallel with prospective studies on the incidence and frequency of colorectal cancer (CRC) in urban population of Lodz, Poland. The study was conducted in four primary care providers with the support of academic medical institutions. The study population included the citizens of Lodz, both genders, aged 45 to 65. The study was divided in two stages; each conducted consecutively in 2003 and 2004. This prospective, two stage study included 3152 patients. After positive serial guaiac-based fecal occult blood tests, high CRC odds ratio based on per rectum examination and the standardized questionnaire data 47.8% out of 1648 and 18.9% out of 1504 initially enrolled patients were enrolled into the extended diagnostic stage of the study within the consecutive years, respectively. CRC was found in 0.9% and 0.54% patients, respectively and the diagnosis of CRC was confirmed with histopathological tests. Colorectal diseases other than CRC were found in 23.1% and 11.2% of the study subjects, respectively. It is crucial to design and implement follow-up studies for those among our study subjects at high risk of CRC who finished the current study even without an unfavourable diagnosis or risk rating