[go: up one dir, main page]

RU2418292C1 - Method for determining chirality of artificial chiral media - Google Patents

Method for determining chirality of artificial chiral media Download PDF

Info

Publication number
RU2418292C1
RU2418292C1 RU2010110767/07A RU2010110767A RU2418292C1 RU 2418292 C1 RU2418292 C1 RU 2418292C1 RU 2010110767/07 A RU2010110767/07 A RU 2010110767/07A RU 2010110767 A RU2010110767 A RU 2010110767A RU 2418292 C1 RU2418292 C1 RU 2418292C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
plane
chiral
chirality
microwave
medium
Prior art date
Application number
RU2010110767/07A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Андрей Николаевич Волобуев (RU)
Андрей Николаевич Волобуев
Олег Владимирович Осипов (RU)
Олег Владимирович Осипов
Татьяна Александровна Панфёрова (RU)
Татьяна Александровна Панфёрова
Original Assignee
Андрей Николаевич Волобуев
Олег Владимирович Осипов
Татьяна Александровна Панфёрова
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Андрей Николаевич Волобуев, Олег Владимирович Осипов, Татьяна Александровна Панфёрова filed Critical Андрей Николаевич Волобуев
Priority to RU2010110767/07A priority Critical patent/RU2418292C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2418292C1 publication Critical patent/RU2418292C1/en

Links

Images

Landscapes

  • Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)

Abstract

FIELD: radio engineering. ^ SUBSTANCE: experimental measuring method of chirality of plane-parallel specimen of artificial chiral medium is provided by using scanning microwave radiation with known wave length at specified values of dielectric and magnetic permeabilities of substance. Method is based on recording of turn angle of polarisation plane of microwave radiation of known wave length at passage of plane-parallel specimen of chiral material by means of rectangular E-plane sectoral horn antenna. Chirality parametre of specimen is calculated on the basis of experimentally obtained data as ratio of turn angle of polarisation plane of microwave radiation to module of wave number of this radiation. ^ EFFECT: possibility of determining chirality parametre of material in wide microwave band. ^ 2 dwg

Description

Изобретение относится к радиотехнике, в частности к способам определения электрофизических параметров искусственных киральных материалов, применяемых при изготовлении отражающих покрытий, волноведущих и излучающих структур.The invention relates to radio engineering, in particular to methods for determining the electrophysical parameters of artificial chiral materials used in the manufacture of reflective coatings, waveguide and radiating structures.

Известен оптический способ определения удельного вращения оптически активных сред с помощью измерения угла поворота плоскополяризованного света в оптически активной среде [1].A known optical method for determining the specific rotation of optically active media by measuring the angle of rotation of plane-polarized light in an optically active medium [1].

Однако с помощью указанного оптического метода невозможно получить численное значение параметра киральности искусственных киральных материалов, а можно измерить, например, концентрацию естественного оптически активного вещества - сахара в моче, например сахариметром.However, using the indicated optical method, it is impossible to obtain the numerical value of the chirality parameter of artificial chiral materials, but it is possible to measure, for example, the concentration of a naturally occurring optically active substance — sugar in urine, for example, with a saccharimeter.

Современные искусственные метаматериалы могут создаваться с использованием киральных проводящих композитов зеркально асимметричной формы с поперечными размерами, значительно меньшими длины волны СВЧ [2]. Искусственная киральная среда представляет собой композитный материал, где в твердую диэлектрическую основу включаются периодически расположенные и хаотически ориентированные проводящие микроэлементы зеркально асимметричной формы. В качестве киральных композитов могут использоваться трехмерные право- и левовинтовые спирали, полоски в виде буквы S и ее зеркального эквивалента, плоские спирали и др. элементы, обладающие свойством зеркальной асимметрии. Структуры, включающие в себя зеркально асимметричные композиты, называются киральными и в настоящее время находят применение при создании нового класса частотно- и поляризационно-селективных устройств СВЧ и при проектировании малоотражающих покрытий определенного диапазона частот.Modern artificial metamaterials can be created using mirror-asymmetric chiral conductive composites with transverse dimensions much shorter than the microwave wavelength [2]. An artificial chiral medium is a composite material, where periodically arranged and randomly oriented conducting trace elements of a mirror-asymmetric shape are included in a solid dielectric base. As chiral composites, three-dimensional right- and left-handed spirals, strips in the form of the letter S and its mirror equivalent, flat spirals and other elements with the property of mirror asymmetry can be used. Structures including mirror-asymmetric composites are called chiral and are currently being used to create a new class of frequency and polarization-selective microwave devices and to design low-reflectivity coatings of a certain frequency range.

Для описания электрофизических свойств киральной структуры, в отличие от диэлектрической, необходимо использовать три материальных параметра - относительные диэлектрическую проницаемость ε, магнитную проницаемость µ и параметр киральности χ [2]. Существующие на настоящий момент волноводные методы измерения электрофизических параметров образцов позволяют получать экспериментальные значения только ε и µ. Современные требования к созданию композиционных метаматериалов приводят к необходимости определения значения относительного параметра киральности образца с известными значениями диэлектрической и магнитной проницаемости и толщины. Известна теоретическая методика определения относительного параметра киральности кирального слоя на основе плоских S-элементов [3]. Экспериментальная реализация рассмотренного в [3] метода не представляется возможной.To describe the electrophysical properties of the chiral structure, in contrast to the dielectric, it is necessary to use three material parameters — relative permittivity ε, magnetic permeability µ, and chirality parameter χ [2]. The current waveguide methods for measuring the electrophysical parameters of samples allow us to obtain experimental values of only ε and μ. Modern requirements for the creation of composite metamaterials lead to the need to determine the relative parameter of the chirality of the sample with known values of dielectric and magnetic permeability and thickness. A known theoretical technique for determining the relative chirality parameter of the chiral layer based on flat S-elements [3]. The experimental implementation of the method considered in [3] is not possible.

Материальные уравнения киральной среды имеют вид [2]:The material equations of the chiral medium have the form [2]:

Figure 00000001
Figure 00000001

где

Figure 00000002
и
Figure 00000003
- напряженности электрической и магнитной составляющих поля, а
Figure 00000004
и
Figure 00000005
- их индукции, ε и µ - относительные диэлектрическая и магнитная проницаемости киральной среды; χ - параметр киральности, i - мнимая единица. Верхние знаки соответствуют киральной среде на основе правых форм зеркально асимметричных элементов, а нижние знаки - на основе левых форм.Where
Figure 00000002
and
Figure 00000003
- the intensity of the electric and magnetic components of the field, and
Figure 00000004
and
Figure 00000005
- their induction, ε and μ are the relative dielectric and magnetic permeabilities of the chiral medium; χ is the chirality parameter, i is the imaginary unit. The upper signs correspond to the chiral medium based on the right forms of mirror-asymmetric elements, and the lower signs correspond to the left forms.

Параметр киральности χ является связующим элементом двух дифференциальных уравнений второго порядка для векторов напряженности электрического и магнитного полей СВЧ-излучения в киральной среде [2]:The chirality parameter χ is a connecting element of two second-order differential equations for the vectors of the electric and magnetic fields of microwave radiation in a chiral medium [2]:

Figure 00000006
Figure 00000006

где

Figure 00000007
- показатель преломления диэлектрической основы киральной среды, k=2π/λ - модуль волнового числа СВЧ-излучения в киральной среде, λ - длина волны этого излучения в киральной среде.Where
Figure 00000007
is the refractive index of the dielectric base of the chiral medium, k = 2π / λ is the modulus of the wave number of microwave radiation in the chiral medium, λ is the wavelength of this radiation in the chiral medium.

Для разделения уравнений (2) вводим напряженности электрических полей с правокруговой

Figure 00000008
и левокруговой
Figure 00000009
поляризацией (поля Бельтрами), фиг.1.To separate equations (2), we introduce the electric field strengths with the right-handed
Figure 00000008
and left
Figure 00000009
polarization (Beltrami field), Fig. 1.

Напряженность плоскополяризованного электрического поля электромагнитной СВЧ-волны в киральной среде равна суперпозиции напряженностей электрических полей с правокруговой

Figure 00000010
и левокруговой
Figure 00000011
поляризацией
Figure 00000012
. Используя общую связь напряженностей электрического и магнитного полей в электромагнитной волне, можно найти напряженность магнитного поля в этой волне в виде
Figure 00000013
. Следовательно, связанные дифференциальные уравнения (2) разделяются на два независимых уравнения для электрических полей с правокруговой
Figure 00000014
и левокруговой
Figure 00000015
поляризацией:The plane-polarized electric field strength of an electromagnetic microwave wave in a chiral medium is equal to the superposition of electric field intensities with the right-handed
Figure 00000010
and left
Figure 00000011
polarized
Figure 00000012
. Using the general relationship between the electric and magnetic fields in an electromagnetic wave, we can find the magnetic field in this wave in the form
Figure 00000013
. Consequently, the coupled differential equations (2) are divided into two independent equations for electric fields with a right-handed
Figure 00000014
and left
Figure 00000015
polarization:

Figure 00000016
Figure 00000016

где kR=k(n+χ) и kL=k(n-χ) - волновые числа электрических полей с правокруговой и левокруговой поляризацией в киральной среде.where k R = k (n + χ) and k L = k (n-χ) are the wave numbers of electric fields with right-handed and left-handed polarization in a chiral medium.

Используя общую связь между волновым числом и показателем преломления вещества, находим показатели преломления полей с правокруговой и левокруговой поляризацией nR=n+χ и nL=n-χ.Using the general relationship between the wave number and the refractive index of a substance, we find the refractive indices of fields with right-handed and left-handed polarization n R = n + χ and n L = n-χ.

На основе феноменологических представлений Френель получил формулу для вычисления угла поворота плоскости поляризации света в оптически активной (киральной) среде [4]:Based on phenomenological ideas, Fresnel obtained a formula for calculating the angle of rotation of the plane of polarization of light in an optically active (chiral) medium [4]:

Figure 00000017
Figure 00000017

где d - толщина среды, фиг.2. Величина α=π(nR-nL)/λ носит название удельного вращения.where d is the thickness of the medium, figure 2. The value α = π (n R -n L ) / λ is called specific rotation.

Подставляя выражения для nR и nL в формулу Френеля (4), получаем:Substituting the expressions for n R and n L in the Fresnel formula (4), we obtain:

Figure 00000018
Figure 00000018

где удельное вращение α=kχ.where the specific rotation is α = kχ.

Таким образом, физический смысл параметра киральности заключается в его равенстве удельному вращению, нормированному на волновое число.Thus, the physical meaning of the chirality parameter consists in its equality to the specific rotation normalized to the wave number.

Учитывая связь волнового числа электромагнитной волны в вакууме kвак=2π/λвак, где λвак - длина волны СВЧ-излучения в вакууме (фиг.2), и в среде

Figure 00000019
, находим из формулы (5) параметр киральности:Given the relationship of the wave number of the electromagnetic wave in vacuum k vak = 2π / λ vak , where λ vak is the wavelength of microwave radiation in vacuum (figure 2), and in the medium
Figure 00000019
, we find from formula (5) the chirality parameter:

Figure 00000020
Figure 00000020

Формула (5) позволяет вычислить параметр киральности искусственной киральной среды по измеренному углу поворота плоскости поляризации волны, прошедшей через киральный образец.Formula (5) allows us to calculate the chirality parameter of an artificial chiral medium from the measured angle of rotation of the plane of polarization of the wave passing through the chiral sample.

Для нахождения параметра киральности образца с помощью прямоугольной Е-плоскостной секториальной рупорной антенны 1 [5] плоскополяризованная СВЧ-волна заданной длины λвак направляется на плоский киральный образец (фиг.2). СВЧ-волна, прошедшая через киральный образец, воспринимается такой же рупорной антенной 2. Плоскость поляризации плоскополяризованной СВЧ-волны на входе из кирального образца определяется путем вращения рупорной антенны 2 вокруг своей оси. При появлении максимальной интенсивности СВЧ-излучения, регистрируемого от рупорной антенны 2, измеряется угол поворота рупорной антенны 2 относительно рупорной антенны 1. Угол поворота между антеннами 1 и 2 равен углу поворота плоскости поляризации φ плоскополяризованной СВЧ-волны заданной длины λвак при ее прохождении через киральный образец. Используя известные данные о величинах d, ε и µ, по формуле (6) вычисляется параметр киральности χ исследуемого образца.To find the chirality parameter of the sample using a rectangular E-plane sectorial horn antenna 1 [5], a plane-polarized microwave wave of a given length λ vac is sent to a flat chiral sample (figure 2). The microwave wave transmitted through the chiral sample is received by the same horn antenna 2. The plane of polarization of a plane-polarized microwave wave at the input from the chiral sample is determined by rotating the horn antenna 2 around its axis. When the maximum intensity of microwave radiation detected from the horn antenna 2 appears, the angle of rotation of the horn antenna 2 relative to the horn antenna 1 is measured. The angle of rotation between antennas 1 and 2 is equal to the angle of rotation of the plane of polarization φ of a plane-polarized microwave wave of a given length λ vak when it passes through chiral sample. Using the known data on the values of d, ε, and μ, the chirality parameter χ of the test sample is calculated by formula (6).

Предлагаемый экспериментальный способ измерения параметра киральности обладает следующими достоинствами:The proposed experimental method for measuring the chirality parameter has the following advantages:

1. Киральный образец находится в свободном пространстве, что не накладывает ограничений на его поперечные размеры.1. The chiral sample is in free space, which does not impose restrictions on its transverse dimensions.

2. Измерения можно проводить в широком диапазоне длин волн СВЧ.2. Measurements can be carried out in a wide range of microwave wavelengths.

3. Для проведений измерений не требуется определять точные значения мощности отраженной и прошедшей через киральный образец электромагнитных волн.3. For measurements it is not necessary to determine the exact power values of the reflected and transmitted through the chiral sample electromagnetic waves.

Источники информацииInformation sources

1. Ливенцев Н.М. Курс физики для медвузов. - М.: Высшая школа, 1974. - 648 с.1. Liventsev N.M. Physics course for medical schools. - M.: Higher School, 1974. - 648 p.

2. Неганов В.А., Осипов О.В. Отражающие, волноведущие и излучающие структуры с киральными элементами. - М.: Радио и связь, 2006. - 280 с.2. Neganov V.A., Osipov O.V. Reflective, waveguide and radiating structures with chiral elements. - M.: Radio and Communications, 2006. - 280 p.

3. Boruhovich S.P., Prosvirnin S.L., Schwanecke A.S., Zheludev N.I. Multiplicative measure of planar chirality for 2D meta-materials // Proceedings of the European Microwave Association, 2006. - V.2. - P.89-93.3. Boruhovich S.P., Prosvirnin S.L., Schwanecke A.S., Zheludev N.I. Multiplicative measure of planar chirality for 2D meta-materials // Proceedings of the European Microwave Association, 2006. - V.2. - P.89-93.

4. Волькенштейн М.В. Биофизика. - М.: Наука, 1981. - 576 с.4. Volkenstein M.V. Biophysics. - M .: Nauka, 1981. - 576 p.

5. Неганов В.А., Табаков Д.П., Яровой Г.П. Современная теория и практические применения антенн. - М.: Радиотехника, 2009. - 720 с.5. Neganov V.A., Tabakov D.P., Yarovoy G.P. Modern theory and practical applications of antennas. - M.: Radio Engineering, 2009 .-- 720 p.

Claims (1)

Способ определения параметра киральности среды, основанный на регистрации угла поворота плоскости поляризации СВЧ-волны в киральном образце с помощью прямоугольной Е-плоскостной секториальной рупорной антенны, отличающийся тем, что регистрируется численное значение угла поворота плоскости поляризации плоскополяризованной СВЧ-волны заданной длины и с помощью однозначной связи угла поворота плоскости поляризации плоскополяризованной СВЧ-волны, толщины образца киральной среды, относительных диэлектрической и магнитной проницаемостей киральной среды, длины СВЧ-волны в вакууме, определяется параметр киральности. A method for determining the medium chirality parameter based on recording the angle of rotation of the plane of polarization of a microwave wave in a chiral sample using a rectangular E-plane sectorial horn antenna, characterized in that a numerical value of the angle of rotation of the plane of polarization of a plane-polarized microwave wave of a given length and using a unique the relationship between the angle of rotation of the plane of polarization of a plane-polarized microwave wave, the thickness of the sample of the chiral medium, the relative dielectric and magnetic permeability s chiral environment, the microwave wavelength in vacuo parameter determined chirality.
RU2010110767/07A 2010-03-22 2010-03-22 Method for determining chirality of artificial chiral media RU2418292C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2010110767/07A RU2418292C1 (en) 2010-03-22 2010-03-22 Method for determining chirality of artificial chiral media

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2010110767/07A RU2418292C1 (en) 2010-03-22 2010-03-22 Method for determining chirality of artificial chiral media

Related Parent Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2009100734/07A Previously-Filed-Application RU2009100734A (en) 2009-01-11 2009-01-11 METHOD FOR DETERMINING THE CHIRITY PARAMETER OF ARTIFICIAL CHIRAL MEDIA

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2418292C1 true RU2418292C1 (en) 2011-05-10

Family

ID=44732785

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2010110767/07A RU2418292C1 (en) 2010-03-22 2010-03-22 Method for determining chirality of artificial chiral media

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2418292C1 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114993961A (en) * 2022-05-10 2022-09-02 电子科技大学 Method for realizing multi-parameter detection of chiral material based on orbital angular momentum
RU2785014C1 (en) * 2021-10-12 2022-12-01 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Поволжский государственный университет телекоммуникаций и информатики" Method for using s-elements to convert a normally incident uhf wave into surface scattering in the azimuthal plane

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6054708A (en) * 1997-03-03 2000-04-25 The Institute Of Physical And Chemical Research Neutron beam control method and its apparatus
JP2003315289A (en) * 2002-04-19 2003-11-06 Hitachi Ltd Inspection and analysis equipment using neutron generator
RU2221862C1 (en) * 2002-11-20 2004-01-20 Денисов Андрей Геннадьевич Method for artificial aging alcohol liquid
RU2317942C1 (en) * 2006-06-27 2008-02-27 Институт физики полупроводников Сибирского отделения Российской академии наук Structure with chiral electromagnetic properties and a method for preparation thereof (options)
RU2327975C1 (en) * 2006-11-07 2008-06-27 Петербургский институт ядерной физики им. Б.П. Константинова РАН Research of structural dynamic properties of substance

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6054708A (en) * 1997-03-03 2000-04-25 The Institute Of Physical And Chemical Research Neutron beam control method and its apparatus
JP2003315289A (en) * 2002-04-19 2003-11-06 Hitachi Ltd Inspection and analysis equipment using neutron generator
RU2221862C1 (en) * 2002-11-20 2004-01-20 Денисов Андрей Геннадьевич Method for artificial aging alcohol liquid
RU2317942C1 (en) * 2006-06-27 2008-02-27 Институт физики полупроводников Сибирского отделения Российской академии наук Structure with chiral electromagnetic properties and a method for preparation thereof (options)
RU2327975C1 (en) * 2006-11-07 2008-06-27 Петербургский институт ядерной физики им. Б.П. Константинова РАН Research of structural dynamic properties of substance

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2785014C1 (en) * 2021-10-12 2022-12-01 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Поволжский государственный университет телекоммуникаций и информатики" Method for using s-elements to convert a normally incident uhf wave into surface scattering in the azimuthal plane
CN114993961A (en) * 2022-05-10 2022-09-02 电子科技大学 Method for realizing multi-parameter detection of chiral material based on orbital angular momentum

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Yan et al. A multiple mode integrated biosensor based on higher order Fano metamaterials
Qu et al. Microstructure-based high-quality factor terahertz metamaterial bio-detection sensor
Zeng et al. Anisotropic programmable metasurface beam splitter based on diode real-time control
Brewitt-Taylor et al. Measurement and prediction of helix-loaded chiral composites
Lin et al. An EIT-based compact microwave sensor with double sensing functions
Tremain et al. Polarization conversion from a thin cavity array in the microwave regime
Deng et al. High-sensitivity terahertz sensor for liquid medium detection using dual-layer metasurfaces
Li et al. A novel terahertz integrated sensor for liquid samples detections based on metamaterial and embedded microfluidic channels
Sheheryar et al. An ultra-wideband terahertz linear cross-polarization converter with integrated biosensing for multi-disease diagnosis
Niu et al. Spatially dispersive dichroism in bianisotropic metamirrors
Srivastava et al. Metamaterial inspired resonators as microwave sensors: A review
Khodadadi et al. Sensitivity increment of metamaterial-based refractive index sensor with silicon layers
Zhou et al. Design, simulation, and experimental realization of a high-sensitivity polarization-independent electromagnetically induced transparent terahertz metamaterials
Droulias et al. Chiral sensing with achiral anisotropic metasurfaces
Wei et al. Quasi-BIC-enhanced integrated sensing dielectric metasurfaces for molecular fingerprint retrieval and chiral detection
Gao et al. Multifunctional terahertz device with angular resilience for biomedical sensing and polarization conversion
Patri et al. THz biosensing for early detection of influenza and coronaviruses using dielectric metamaterials
RU2418292C1 (en) Method for determining chirality of artificial chiral media
Zou et al. Confinement of Bloch surface waves in a graphene-based one-dimensional photonic crystal and sensing applications
Yi et al. Tunable and strong circular dichroism metamaterial absorber based on gold-VO2 hybrid structure
Fan et al. Goos–Hänchen shift in metallic gratings assisted by phase gradient metasurfaces
Sui et al. The Janus layered metamaterial modulated by liquid crystal with multitasking of different logic gates and mode-switching biosensing
Wang et al. Digital polarization programmable metasurface for continuous polarization angle rotation and radar applications
Liu et al. Terahertz polarization sensing for influenza A virus based on plasmonic metasurface
Yang et al. Terahertz biosensor supported by quasi-bound states in the continuum for lung cancer cell sensing

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20130323