Journal of Interfaces, Thin Films, and Low dimensional systems

Transparency of overdense plasma with V shape density profile

Document Type : Original Article

Authors

1 Faculty of Engineering, Shahid Bahonar University of Kerman, Kerman, Iran

2 Physics Department, Islamic Azad University, North Tehran Branch, Tehran, Iran.

3 Physics Department, Qom University, Qom, Iran

Abstract

In this study, we investigate the transparency of an overdense inhomogeneous plasma slab. This anomalous transmission is achieved when the conditions provided for the incident electromagnetic wave to excite coupled surface waves on the both sides of the slab. These conditions require that the homogeneous overdense plasma, or the metallic film, is placed between two dielectric layers. Here, the inhomogeneity of the plasma allows us to naturally establish the conditions by considering a specific shape for the geometry of the density profile. Within this profile, the density linearly grows up from the both sides of the slab and the corresponding dielectric permittivity simultaneously gains negative value. We obtain the exact solutions of the wave equations inside the plasma and study the conditions for the high transparency. The transmission losses due to the collision effects are also discussed.

Keywords

Main Subjects

Article Title [Persian]

شفافیت پلاسمای ابرچگال دارای پروفایل دانسیته V شکل

Authors [Persian]

  • اویس میرابوطالبی 1
  • صدیقه میرابوطالبی 2
  • لیلا رجایی 3

1 دانشکده مهندسی-دانشگاه شهید باهنر کرمان- کرمان- ایران

2

3 گروه فیزیک دانشگاه قم قم ایران

Abstract [Persian]

در این مقاله، به بررسی شرایط شفاف شدن یک لایه پلاسمای ابر-چگال ناهمگن می­پردازیم. این عبور غیر عادی امواج الکترومغناطیسی بدلیل برانگیزش جفت امواج سطحی توسط امواج الکترومغناطیسی فرودی، از دو سمت لایه، فراهم آید. در مورد یک ورقه نازک فلزی و یا یک لایه پلاسمای چگال همگن، این شرایط، با قرار دادن دو لایه دیالکتریک در دو طرف ورقه، بدست میایند. در اینجا، ناهمگنی لایه موجب میشود تا بتوان این شرایط را به صورت عادی و بدون قرار دادن لایه های دیالکتریک و فقط با اعمال یک پروفایل چگالی با هندسه مناسب،  ایجاد نمود. با این پروفایل خاص، چگالی از دو طرف لایه، به صورت خطی رشد کرده و به طور معادل، ضریب گذردهی الکتریکی منفی میشود. قبلاٌ شرایط تشکیل امواج سطحی را برای این تابع چگالی بررسی کرده­ایم. در اینجا، با دانستن جواب دقیق معادلات امواج در داخل پلاسما، شرایط حصول به شفافیت بالای لایه را بررسی می­کنیم. اتلاف گذار موج الکترومغناطیسی، بدلیل اثرات برخوردی، هم در نظر گرفته می­شوند.

Keywords [Persian]

  • پلاسمای ابر چگال
  • موج سطحی
  • چگال خطی
  • لایه پلاسمای طبقه ای
  • گذار غیر عادی
[1] R. Dragila, B. Luther-Davies and S. Vukovic. “High transparency of classically opaque metallic films.” Physical Review Letters, 55 (1985) 1117.
[2] R. Dragila and S. Vukovic. “Surface-wave-induced high transparency of an overdense warm plasma layer.” Optics Letters, 12 (1987) 573.
[3] T. W. Ebbesen, H. J. Lezec, H. F. Ghaemi, T. Thio, P. A. Wolff. “Extraordinary optical transmission through sub-wavelength hole arrays.” Nature, 391 (1998) 667.
[4] J. Valentine, S. Zhang, T. Zentgraf, E. Ulin-Avila, D. A. Genov, G. Bartal, and X. Zhang. “Three-dimensional optical metamaterial with a negative refractive index.” Nature, 455 (2008) 376.
[5] J. B. Pendry. “Negative refraction makes a perfect lens.” Physical Review Letters, 85 (2001) 3966.
[6] R. Merlin “Analytical solution of the almost-perfect-lens problem.” Applied Physics Letters, 84 (2004) 1290.
[7] L. Rajaei, S. Miraboutalebi and B. Shokri. “Transmission of electromagnetic wave through a warm over-dense plasma layer with dissipative factor.” Physica Scripta, (2011) 8949.
[8] A. A. Orlov, S. V. Zhukovsky, I. V. Iorsh, and P. A. Belov. “Controlling light with plasmonic multilayers.” Photonics and Nanostructures-Fundamentals and Applications, 12 (2014) 213.
[9] D. Schurig, J. J. Mock, B. J. Justice, S. A. Cummer, J. B. Pendry, A. F. Starr, D. R. Smith. “Metamaterial electromagnetic cloak at microwave frequencies.” Science, 314 (2006) 977.
[10] J. B. Pendry, D. Schurig, D. R. Smith. “Controlling electromagnetic fields.” Science, 312 (2006) 1780.
[11] W. Cai, U. K. Chettiar, A. V. Kildishev, V. M. Shalaev. “Optical cloaking with metamaterials.” Nature Photonics, 1 (2007) 224.
[12] H. Chen, C. T. Chan, and P. Sheng. “Transformation optics and metamaterials.” Nature Materials, 9 (2010) 387.
[13] S. Larouche, Y. J. Tsai, T. Tyler, N. M. Jokerst, and D. R. Smith. “Infrared metamaterial phase holograms.” Nature Materials, 11 (2012) 450.
[14] W. X. Jiang, T. J. Cui, and G. X. Yu. “Theoretical model of lossy acoustic bipolar cylindrical cloak with negative index metamaterial.” Japanese J. of Applied Physics, 56 (2017) 097302.
[15] L. Rajaei, S. Miraboutalebi, and M. Nejati. “Faraday rotation of over-dense magnetized plasma” Contributions to Plasma Physics, 55 (2015) 513.
[16] L. Rajaei, S. Miraboutalebi, and B. Shokri. “Plasmon mechanism of overdense plasma heating.” Contributions to Plasma Physics, 55 (2015) 321.
[17] Yu. P. Bliokh, J. Felsteiner and Y. Z. Slutsker. “Total absorbtion of an electromagnetic wave by an overdense plasma.” Physical Review Letters, (2005) 165003.
[18] T. Suyama, Y. Okuno and T. Matsuda. “Surface plasmon resonance absorption in a multilayered thin film grating.” J. Electromagnetic Waves and Applications, 23 (2009) 1773.
[19] Yu. P. Bliokh. “Plasmon mechanism of light transmission through a metal film or a plasma layer.” Optics Communications, 259 (2006) 436.
[20] K. Y. Bliokh, Y. P. Bliokh, V. Freilikher, S. Savel’ev and F. Nori. “Colloquium: Unusual resonators: Plasmonics, metamaterials, and random media.” Review of Modern Physics, 80 (2008) 1201.
[21] K. R. Welford and J. R. Sambles. “Couled surface plasmons in a symmetric system.” J. Modern Optics, 35 (1988) 1467.
[22] E. Fourkal, I. Velchev, C. M. Ma, and A. Smolyakov. “Evanescent wave interference and the total transparency of a warm high-density plasma slab.” Physic of Plasmas, 13 (2006) 092113.
[23] S. Miraboutalebi, M. K. Khadivi Boroujeni, L. Rajaei and N. Ahmadi. “Surface wave excitations in collisional inhomogeneous overdense plasma.” IJPR, 15 (2015) 63. 
Journal of Interfaces, Thin Films, and Low dimensional systems
Volume 1, Issue 2 - Serial Number 2
March 2018
Pages 93-98