Budapest University of Technology and Economics, Faculty of Electrical Engineering and Informatics

A tantárgy bevezetést nyújt az elektromágneses hullámok és a mesterséges szerkezetek (kompozit anyagok, metaanyagok és fotonikus kristályok) kölcsönhatásának elméletébe. Ismerteti a fizikai jelenségeket, bemutatja a leggyakrabban használt elektromágneses struktúrákat és az ezeken alapuló eszközöket. A Mikroszkopikus Maxwell Egyenletekből kiindulva tárgyalja a szükséges elektromágneses ismeretek és bemutatja a különféle szerkezetek segítségével létrehozható eszközök mérnöki tervezését.

1. A Mikroszkopikus Maxwell Egyenletek teljes rendszere. Hullámegyenlet és mértékválasztás. Retardált potenciálok. Az elektromágneses tér forrásai.

2. Elektromos és mágneses dipólus sugárzása. Az elektromos és mágneses dipólusok kisugárzott teljesítményeinek aránya. Az anyag, mint sugárzó dipólusok szuperpozíciója. Mágneses momentum precessziója állandó és homogén külső térben. A precesszió átlagos ideje.

3. Az elektromágneses anyagparaméterek frekvenciafüggése. Szigetelők elektromos permittivitása. Fémek elektromos permittivitása. Az anyagparaméterek változása a nanométeres tartományban. Anizotrop anyagok.

4. Elektromágneses hullámok reflexiója és transzmissziója izotróp anyagú vékonyrétegeken.

5. A plazmonika alapjai. Szigetelő-fém struktúrák. Szigetelő-fém-szigetelő és fém-szigetelő-fém struktúrák. Plazmonikus hullámvezetők, szenzorok.

6. Mesterséges elektromágneses anyagok a térszámításban: mesterséges elnyelő peremfeltételek alkalmazása a numerikus térszámításban és ennek szemléltetése az időbeli véges differenciák (FDTD) módszerének segítségével.

7. Elektromágneses terek szóródása tetszőleges alakú részecskéről. Szóródás gömb alakú részecskéről. Nanoantennák.

8. Kompozit anyagok. Maxwell-Garnett és Brugemann féle keverési törvények.

9. Rádiófrekvenciás és mikrohullámú periodikus szerkezetek, frekvencia választó felületek, PEC, PMC.

10. Metaanyagok. A negatív törésmutató fogalma. Elektromágneses hullámok negatív törésmutatójú metaanyagokban. Metaanyagok homogenizálása, az effektív anyagparaméterek meghatározása. Elektromos permittivitás tervezése: periodikus fémes nanohuzalok és nanoszerkezetek effektív permittivitása. Mágnesesség az optikai frekvenciákon. Rezonáló fémes szerkezetek permeabilitása. Split ring resonator és fishnet típusú struktúrák. Metaanyagok alkalmazási lehetőségei: diffrakciós határ alatti felbontás, elektromágneses elrejtés, nemkonvencionális nanolitográfia.

11. Fotonikus kristályok. Bragg törvény. 1D fotonikus kristály tiltott sávjainak számítása. Két és háromdimenziós fotonikus kristályok. Diszperziós egyenletek. Optikai tiltott sávok numerikus számítása. Fotonikus kristály alapú optikai eszközök: üregrezonátorok és hullámvezetők.

12. Kitekintés: optikai, plazmonikus és elektromos rendszerek integrálása.

Előadás és számítógépes gyakorlatok az előadások keretében.

a. A szorgalmi időszakban: szóbeli beszámoló az önállóan kidolgozandó feladathoz kapcsolódó irodalomról.

b. A vizsgaidőszakban: önállóan kidolgozandó feladat elkészítése, és a megoldás prezentálása.

1. D. J. Griffiths, Introduction to Electrodynamics, Third Edition, Pearson, Addison Wesly, 1999.

2. C. F. Bohren, D. R. Huffman, Absorption and Scattering of Light by Small Particles, Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, 2004.

3. A. Sihvola, Electromagnetic Mixing Formulae and Applications, The Institution of Engineering and Technology, 2000.

4. B. Munk, Frequency Selective Surfaces: Theory and Design, John Willey & Sons, 2000.

5. L. Solymár and E. Shamonina, Waves in Metamaterials. Oxford, University Press, 2009

6.  J. D. Joannopoulos, S. G. Johnson, J. N. Winn, R. D. Meade, Photonic Crystals, Molding the Flow of Light, Second Edition, Princeton University Press, 2008.