Tese

Metamaterials and metasurfaces for wavefront shaping and dispersion management (2023)

• Authors:
  • Pepino, Vinicius Marrara
  • Borges, Ben-Hur Viana (Orientador)
• Autor USP: PEPINO, VINICIUS MARRARA - EESC
• Unidade: EESC
• Sigla do Departamento: SEL
• DOI: 10.11606/T.18.2023.tde-06112023-171908
• Subjects: ONDAS ELETROMAGNÉTICAS; MATERIAIS; TECNOLOGIA DE MICRO-ONDAS; TELEFONIA CELULAR
• Keywords: Amplificação passiva; Efeito Talbot; Feixes não difrativos; Gerenciamento de dispersão; Metalentes; Metamateriais; Metassuperfícies; Modulação de frente de onda; Ressonâncias Fano
• Agências de fomento:
  • Financiamento CAPES
  • Financiamento CNPq
  • Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)
    Processo FAPESP: 2021/06121-0.
• Language: Inglês
• Abstract: Metamateriais e metassuperfícies, tecnologias de ponta, têm recentemente atraído atenção significativa da comunidade científica. Eles oferecem um controle sem precedentes sobre o comportamento de ondas eletromagnéticas, possibilitando a manipulação de luz, som e outras formas de ondas de maneiras inéditas. Fabricados em uma escala sub-comprimento de onda, esses materiais possuem propriedades únicas não encontradas em substâncias naturais. O conceito de metamateriais surgiu da ideia de criar estruturas artificiais com características eletromagnéticas distintas por meio de uma manipulação precisa de sua estrutura interna, resultando em materiais com traços extraordinários, como índices de refração negativos e próximos de zero, absorção ou reflexão perfeitas, efeitos de polarização e quiralidade aprimorados e gerenciamento de dispersão. Nesta tese, são apresentadas quatro contribuições principais. Inicialmente, uma metalente plana tridimensional totalmente dielétrica, fabricada por meio de impressão 3D, aprimora o foco de micro-ondas em uma antena receptora. Essa estrutura eleva o ganho da antena em 7,5 dB a 32,5 GHz com uma largura de banda de 2,4 GHz. A metalente atinge um foco com uma largura completa à meia-altura de cerca de 0,85λ e uma profundidade de foco de 3 dB de aproximadamente 5 cm. Nos planos azimutal e de elevação, a largura do feixe à meia-potência da antena é reduzida de 36° para 3° e de 4,5° para 3°, respectivamente, com a ajuda da metalente. Valeressaltar que a metalente funciona eficazmente sob incidência oblíqua, abrangendo 50° no plano azimutal e 40° no plano de elevação. Em seguida, é projetado um feixe de Bessel sintonizável de terahertz, com profundidade de foco variando de 22 cm a 40 cm e largura do feixe ajustável de 3,7 mm a 6 mm, para aplicações de imagem e comunicação. Metassuperfícies de microfuros de silício são organizadas em uma configuração do tipo Alvarez. O meta-axicon opera a 850 GHz e demonstra capacidade de auto-regeneração contra obstruções muito maiores do que o comprimento de onda operacional. Posteriormente, é proposto um dispositivo totalmente passivo de amplificação de pulsos de terahertz com base na exploração do efeito Talbot temporal em uma fibra de Bragg de metamaterial de silício altamente dispersiva. Três estratégias distintas, denominadas adição coerente de pulsos, iluminador Talbot direto e iluminador Talbot reverso, são introduzidas e exploradas para maximizar o ganho passivo do efeito Talbot. Essas abordagens acomodam uma ampla gama de formatos de pulsos de saída e resultam em fatores de ganho de 5,8 dB (adição coerente de pulsos), 9,9 dB (iluminador Talbot direto) e 8,8 dB (iluminador Talbot reverso). Simulações numéricas indicam o potencial desses métodos para o desenvolvimento de dispositivos de amplificação de terahertz de alto ganho. A observação prática do efeito Talbot temporal no domínio das micro-ondas tem sido prejudicada pela necessidade de propagação controlada pormeio de um guia de ondas altamente dispersivo. Superando esse desafio, implementamos uma rede de Bragg linearmente chirpada de banda ultralarga em um guia de ondas de micro-ondas padrão na faixa X. Utilizando iluminadores de matriz Talbot reversa auxiliados pela otimização por enxame de partículas, alcançamos amplificação passiva com ganhos de 3,45 dB (para pulsos gaussiano) e 4,03 dB (para pulsos cosseno elevado). Além disso, avaliações numéricas indicam que o ganho pode teoricamente superar 8 dB com dielétricos de maior qualidade. Essa conquista abre portas para várias aplicações das micro-ondas do efeito Talbot, incluindo camuflagem temporal, detecção de sinal de micro-ondas abaixo do ruído, modelagem de pulsos de micro-ondas e redução de ruído de micro-ondas
• Imprenta:
  • Publisher place: São Carlos
  • Date published: 2023
• Data da defesa: 27.09.2023

Informações sobre o DOI: 10.11606/T.18.2023.tde-06112023-171908 (Fonte: oaDOI API)
• Este periódico é de acesso aberto
• Este artigo é de acesso aberto
• URL de acesso aberto
• Cor do Acesso Aberto: gold
• Licença: cc-by-nc-sa

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How to cite

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• ABNT

  PEPINO, Vinicius Marrara. Metamaterials and metasurfaces for wavefront shaping and dispersion management. 2023. Tese (Doutorado) – Universidade de São Paulo, São Carlos, 2023. Disponível em: https://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/18/18155/tde-06112023-171908/. Acesso em: 28 dez. 2025.

• APA

  Pepino, V. M. (2023). Metamaterials and metasurfaces for wavefront shaping and dispersion management (Tese (Doutorado). Universidade de São Paulo, São Carlos. Recuperado de https://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/18/18155/tde-06112023-171908/

• NLM

  Pepino VM. Metamaterials and metasurfaces for wavefront shaping and dispersion management [Internet]. 2023 ;[citado 2025 dez. 28 ] Available from: https://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/18/18155/tde-06112023-171908/

• Vancouver

  Pepino VM. Metamaterials and metasurfaces for wavefront shaping and dispersion management [Internet]. 2023 ;[citado 2025 dez. 28 ] Available from: https://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/18/18155/tde-06112023-171908/

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