Search

We present an experimental and computational study of the response of twisted-cross metamaterials that provide near dispersionless optical rotation across a broad band of frequencies from 19 GHz to 37 GHz. We compare two distinct geometries: firstly, a bilayer structure comprised of arrays of metallic crosses where the crosses in the second layer are twisted about the layer normal; and secondly where the second layer is replaced by the complementary to the original, i.e. an array of cross-shaped holes. Through numerical modelling we determine the origin of rotatory effects in these two structures. In both, pure optical rotation occurs in a frequency band between two transmission minima, where alignment of electric and magnetic dipole moments occurs. In the cross/cross metamaterial, the transmission minima occur at the symmetric and antisymmetric resonances of the coupled crosses. By contrast, in the cross/complementary-cross structure the transmission minima are associated with the dipole and quadrupole modes of the cross, the frequencies of which appear intrinsic to the cross layer alone. Hence the bandwidth of optical rotation is found to be relatively independent of layer separation., The authors wish to thank Dr. Simon Horsley and Prof. Roy Sambles for their helpful discussions. A.D.-R., J.C. and J.S.-D. acknowledge the support by the Ministerio de Economica y Competitividad of the Spanish government, and the European Union FEDER through project TEC2014-53088-C3-1-R. L.E.B. and A.P.H. acknowledge financial support from the Engineering and Physical Sciences Research Council (EPSRC) of the United Kingdom, via the EPSRC Centre for Doctoral Training in Electromagnetic Metamaterials (Grant No. EP/L015331/1). E.H. wishes to acknowledge support from the EPSRC (Grant No. EP/K041215/1).

The aim of this work has been the design and demonstration of refractive devices, not only for acoustic waves, but also for flexural waves in thin plates. Mathematically these problems have been treated by means of the multiple scattering theory, because the geometries of the problems were mainly circular and such theory is the best one in these cases. The multiple scattering theory, previously stated, is here explained. Additionally, a multilayer scattering theory for flexural waves is here introduced and successfully used to numerically simulate their behavior. Therefore, this PhD thesis is divided in two parts. The first part is devoted to describe two acoustic refractive devices: a gradient index lens and an omnidirectional broadband acoustic absorber, or “acoustic black hole”. Both are based on sonic crystals consisting of of rigid cylinders immersed in a fluid background. As the homogenization method states, the desired refractive index can be obtained by tailoring the radii of the cylinders. Thereafter, numerical simulations and measurements were conducted to test the behavior of each device. For this purpose, two specific measuring systems were developed: the two-dimensional chamber and the impedance chamber. Both are here explained in detail. The second part describes the design of refractive devices for flexural waves. Instead of using “platonic crystals”, we made use of the peculiar dispersion relationship of flexural waves. As the equation states, the wave speed is modified not only by the elastic properties of the plate, but also from its thickness. Using the latest approach a set of numerical simulations of known circularly symmetrical gradient index lenses have been performed. Additionally, an omnidirectional broadband insulating device for flexural waves has been designed. It consist of a well-like thickness profile in an annular region of the plate, that mimics the combination of an attractive and repulsive potentials. The waves are focused at its bottom and dissipated by means of an absorptive layer placed on top. Numerical simulations are here presented and discussed. Finally, we present an in-plane flexural resonator, consisting of a hole in a thin plate traversed by a beam. Here, a closed form of the transfer matrix is obtained by coupling the Kirchhoff-Love and the Euler-Bernoulli motion equations. Numerical simulations, tested against a commercial finite element simulator, prove its efficiency, Climente Alarcón, A. (2015). Refractive devices for acoustical and flexural waves [Tesis doctoral]. Editorial Universitat Politècnica de València. doi:10.4995/Thesis/10251/48536., TESIS

[EN] Metamaterials are periodic structures whose unit cells are small compared to the wavelength at the operating frequency. Under these conditions, these artificial materials can be considered as homogeneous media whose constitutive parameters depend on the characteristics of the unit cells. The discovery of metamaterials opened a new research field that has produced many works with microwaves, optical waves and acoustic waves.In this context, the main goal of this thesis is the study of new structures based on metamaterials that allow controlling of electromagnetic energy. In particular, new solutions for localization and absorption of electromagnetic waves are proposed. The thesis has been developed in the Wave Phenomena Group of the Polytechnic University of Valencia and in collaboration with the Group of Acoustic and Electromagnetic Metamaterials at the University of Exeter.The problems studied in the first part of this thesis are energy harvesting for subsequent absorption, wireless power transfer and new systems that can be used as position sensors. To solve these problems a new type of cylindrical, multilayer and anisotropic structures known as Radial Photonic Crystals are used. The radial dependence of the constitutive parameters generates, in these structures, a behavior like a one dimensional photonic crystals. Among the results obtained with these structures, it is included the first experimental demonstration of a Radial Photonic Crystals based resonator.Absorption of electromagnetic waves by thin layers of lossy materials is the second topic of this thesis. The main target is the theoretical and experimental study of the absorption enhancement in thin layers by using two-dimensional periodic structures, also called metasurfaces. Specifically, we studied the effects of a square lattice of coaxial cavities covered by a thin layer of lossy material. As a result, an enhancement of the absorption peaks that can produce total absorption is achieved. The semi-analytical study of this structure has allowed obtaining expressions that control the position of the absorption peak and its amplitude; which have helped to develop a design methodology for total absorption systems., [ES] Los metamateriales son estructuras periódicas cuyas celdas unidad son muy pequeñas en comparación con la longitud de onda a la frecuencia de trabajo. Bajo estas condiciones, estos materiales artificiales pueden considerarse como medios homogéneos cuyos parámetros constitutivos dependen de las características de las celdas unidad que los componen. La aparición de los metamateriales abrió un nuevo campo de investigación que ha generado multitud de trabajos en las líneas de microondas, óptica y acústica.En este contexto, el objetivo principal de esta tesis es el estudio de nuevas estructuras basadas en metamateriales que permitan el control de la energía electromagnética. En particular, plantea nuevas soluciones para problemas de localización y absorción de ondas electromagnéticas. La tesis ha sido desarrollada en el Grupo de Fenómenos Ondulatorios de la Universidad Politécnica de Valencia y en colaboración con el Grupo de Metamateriales Acústicos y Electromagnéticos de la Universidad de Exeter.Los problemas estudiados en la primera parte de esta tesis son la concentración de energía para su posterior absorción, la transferencia inalámbrica de potencia y nuevos sistemas capaces de ser empleados como sensores de posición. Para la solución de estos problemas se emplean un nuevo tipo de estructuras cilíndricas, multicapa y anisótropas conocidas como Cristales Fotónicos Radiales. La dependencia radial de los parámetros constitutivos de los materiales que componen cada una de sus capas genera, en estas estructuras, un comportamiento similar al de los cristales fotónicos unidimensionales. Entre los resultados obtenidos con estas estructuras, cabe destacar la primera demostración experimental de un resonador basado en Cristales Fotónicos Radiales.La absorción de ondas electromagnéticas por capas delgadas de materiales con pérdidas es el segundo tema tratado en esta tesis. El objetivo principal es el estudio teórico y experimental del aumento de la absorción en capas delgadas mediante el uso de estructuras periódicas bidimensionales, también llamadas metasuperficies. En concreto, se han estudiado los efectos de una red cuadrada de cavidades coaxiales sobre la que se coloca una capa delgada de un material con pérdidas. Como resultado, se consigue un aumento de la absorción que permite obtener picos de absorción total. El estudio semianalítico de esta estructura ha permitido obtener expresiones que controlan la posición del pico de absorción y su amplitud; las cuales han permitido desarrollar una metodología de diseño para sistemas de absorción total., [CAT] Els metamateriales són estructures periòdiques en els que les cel·les unitat són molt xicotetes en comparació amb la longitud d'ona a la freqüència de treball. Tenint en consideració aquestes condicions, aquestos materials artificials poden considerar-se com a mitjans homogenis en els que els paràmetres constitutius depenen de les característiques de les cel·les unitat que els componen. A més, l'aparició dels metamateriales va obrir un nou camp d'investigació que ha generat multitud de treballs en les línies de microones, òptica i acústica.En aquest context, l'objectiu principal d'aquesta tesi és l'estudi de noves estructures basades en metamateriales que permeten el control de l'energia electromagnètica. En particular, planteja noves solucions per a problemes de localització i absorció d'ones electromagnètiques. La tesi ha sigut realitzada en el Grup de Fenòmens Ondulatoris de la Universitat Politècnica de València i en col·laboració amb el Grup de Metamateriales Acústics i Electromagnètics de la Universitat d'Exeter.Els problemes analitzats en la primera part de la tesi són la concentració d'energia per a la seua posterior absorció, la transferència inalàmbrica de potència i nous sistemes capaços de ser empleats com a sensors de posició. Per a la solució dels problemas identificats s'utilitza un nou tipus d'estructures cilíndriques, multicapa i anisòtropes conegudes com a Cristalls Fotónics Radials. La dependència radial dels paràmetres constitutius dels materials que componen cadascuna de les seues capes genera, en aquestes estructures, un comportament semblant al dels Cristalls Fotónics Unidimensionals. Entre els resultats obtinguts, cal destacar la primera demostració experimental d'un ressonador basat en Cristalls Fotónics Radials. Pel que respecta a la segon part de la tesi, l'absorció d'ones electromagnètiques per capes primes de materials amb pèrdues és tema tractat. L'objectiu principal és l'estudi teòric i experimental de l'augment de l'absorció en capes primes per mitjà de l'ús d'estructures periòdiques bidimensionals, també denominades metasuperficies. En concret, s'han examinat els efectes d'una xarxa quadrada de cavitats coaxials sobre la qual es col·loca una capa prima d'un material amb pèrdues. Com a resultat, s'aconseguix un augment de l'absorció que permet obtindre pics d'absorció total. Així mateix, l'estudi semi-analític d'aquesta estructura ha permés obtindre expressions que controlen la posició del pic d'absorció i la seua amplitud; les quals han permés desenvolupar una metodologia de disseny per a sistemes d'absorció total., Díaz Rubio, A. (2015). Control of electromagnetic energy by metamaterials [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. doi:10.4995/Thesis/10251/54137., TESIS

En la realización de este trabajo se obtendrán las expresiones analíticas que permiten describir las propiedades acústicas de una red de elementos dispersivos en el interior de una guía de ondas, permitiendo así, obtener en el límite de homogenización los parámetros efectivos que caracterizan al metamaterial y la verificación experimental de las propiedades acústicas del metamaterial.Matemáticamente este problema se tratará con la teoría de la dispersión múltiple, ya que las geometrías a tratar en este trabajo van a ser cilíndricas y dicha teoría se ha demostrado ser la mas efectiva para esos casos y usando la técnica de ¿mode matching ¿para la resolución general del problema de la dispersión de campo acústico en el interior de una guía de ondas., Gracia Salgado, R. (2014). Diseño y caracterización de metamateriales acústicos basados en guías de onda [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. doi:10.4995/Thesis/10251/38759., Alfresco