RU2418292C1 - Method for determining chirality of artificial chiral media - Google Patents
Method for determining chirality of artificial chiral media Download PDFInfo
- 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
Links
Images
Landscapes
- Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
Abstract
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]:
где и - напряженности электрической и магнитной составляющих поля, а и - 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 and - the intensity of the electric and magnetic components of the field, and and - 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]:
где - 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 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 и левокруговой поляризацией (поля Бельтрами), фиг.1.To separate equations (2), we introduce the electric field strengths with the right-handed and left polarization (Beltrami field), Fig. 1.
Напряженность плоскополяризованного электрического поля электромагнитной СВЧ-волны в киральной среде равна суперпозиции напряженностей электрических полей с правокруговой и левокруговой поляризацией . Используя общую связь напряженностей электрического и магнитного полей в электромагнитной волне, можно найти напряженность магнитного поля в этой волне в виде . Следовательно, связанные дифференциальные уравнения (2) разделяются на два независимых уравнения для электрических полей с правокруговой и левокруговой 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 and left polarized . 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 . Consequently, the coupled differential equations (2) are divided into two independent equations for electric fields with a right-handed and left polarization:
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]:
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:
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 , 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 , we find from formula (5) the chirality parameter:
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
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)
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)
| 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)
| 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 |
-
2010
- 2010-03-22 RU RU2010110767/07A patent/RU2418292C1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (5)
| 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)
| 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 |