Este trabalho apresenta um novo formalismo bi-dimensional em diferenças finitas no domínio do tempo (2D-FDTD) para a simulação de estruturas baseadas em metamateriais. A natureza dispersiva destes meios é levada em consideração de forma precisa pela inclusão dos modelos materiais de Drude para os tensores permissividade elétrica e permeabilidade magnética. Todos os elementos dos tensores são considerados neste formalismo, o que o torna muito atraente para a modelagem de uma classe geral de estruturas eletromagnéticas. Dois efeitos de enorme impacto são analisados em detalhes, sendo eles a cobertura de invisibilidade e o rotacionamento de campo. Ambos os efeitos requerem a utilização de técnicas de transformação de coordenadas a qual deve ser aplicada apenas na região onde os campos eletromagnéticos precisam ser manipulados, tirando vantagem da invariância das equações de Maxwell quanto a estas operações. Esta técnica redefine localmente os parâmetros de permissividade e permeabilidade do meio transformado. O formalismo implementado apresentou grande estabilidade e precisão, uma conseqüência direta da natureza dispersiva dos modelos materiais de Drude, o que o caracteriza como uma boa contribuição para uma completa compreensão da fenomenologia por trás destes efeitos fascinantes. Os resultados numéricos apresentaram boa concordância com os disponíveis na literatura. Foi também observado que ambas estruturas são muito sensíveis a variações de freqüência do campo de excitação. / This work introduces an extended two-dimensional finite difference time domain method (2D-FDTD) for the simulation of metamaterial based structures. The dispersive nature of these media is accurately taken into account through the inclusion of the Drude material models for the permittivity and permeability tensors. All tensor elements are properly accounted for, making the formalism quite attractive for the modeling of a general class of electromagnetic structures. Two striking effects are investigated with the proposed model, namely, the invisibility cloaking and the field rotation effects. Both effects require the utilization of a coordinate transformation technique which must be applied only in the region where the electromagnetic field needs to be manipulated, taking advantage of the invariance of Maxwell\'s equations with respect to these operations. This technique locally redefines the permittivity and permeability parameters of the transformed media. The implemented formalism has proved to be quite stable and accurate, a direct consequence of the dispersive nature of the Drude material model, which characterizes it as a good contribution to fully understand the phenomenology behind these fascinating effects. The numerical results are in good agreement with those available in the literature. It was also verified that both structures are very sensitive to frequency variations of the excitation field.

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Este trabalho apresenta um novo formalismo bi-dimensional em diferenças finitas no domínio do tempo (2D-FDTD) para a simulação de estruturas baseadas em metamateriais. A natureza dispersiva destes meios é levada em consideração de forma precisa pela inclusão dos modelos materiais de Drude para os tensores permissividade elétrica e permeabilidade magnética. Todos os elementos dos tensores são considerados neste formalismo, o que o torna muito atraente para a modelagem de uma classe geral de estruturas eletromagnéticas. Dois efeitos de enorme impacto são analisados em detalhes, sendo eles a cobertura de invisibilidade e o rotacionamento de campo. Ambos os efeitos requerem a utilização de técnicas de transformação de coordenadas a qual deve ser aplicada apenas na região onde os campos eletromagnéticos precisam ser manipulados, tirando vantagem da invariância das equações de Maxwell quanto a estas operações. Esta técnica redefine localmente os parâmetros de permissividade e permeabilidade do meio transformado. O formalismo implementado apresentou grande estabilidade e precisão, uma conseqüência direta da natureza dispersiva dos modelos materiais de Drude, o que o caracteriza como uma boa contribuição para uma completa compreensão da fenomenologia por trás destes efeitos fascinantes. Os resultados numéricos apresentaram boa concordância com os disponíveis na literatura. Foi também observado que ambas estruturas são muito sensíveis a variações de freqüência do campo de excitação. / This work introduces an extended two-dimensional finite difference time domain method (2D-FDTD) for the simulation of metamaterial based structures. The dispersive nature of these media is accurately taken into account through the inclusion of the Drude material models for the permittivity and permeability tensors. All tensor elements are properly accounted for, making the formalism quite attractive for the modeling of a general class of electromagnetic structures. Two striking effects are investigated with the proposed model, namely, the invisibility cloaking and the field rotation effects. Both effects require the utilization of a coordinate transformation technique which must be applied only in the region where the electromagnetic field needs to be manipulated, taking advantage of the invariance of Maxwell\'s equations with respect to these operations. This technique locally redefines the permittivity and permeability parameters of the transformed media. The implemented formalism has proved to be quite stable and accurate, a direct consequence of the dispersive nature of the Drude material model, which characterizes it as a good contribution to fully understand the phenomenology behind these fascinating effects. The numerical results are in good agreement with those available in the literature. It was also verified that both structures are very sensitive to frequency variations of the excitation field.

Na condução por saltos dispersiva, os portadores de carga são caracterizados por tempos de residência não exponenciais. Como uma conseqüência, efeitos hereditários aparecem e o problema deve ser conduzido no espaçõ de Laplace. Distribuições dielétricas conhecidas e algumas outras foram usadas como possíveis funções capazes de descrever o meio desordenado. Um estudo cuidadoso de seus espectros de freqüência foi realizado. O método de inversão de Widder truncado foi desenvolvido para possibilitar a volta do espaço de Laplace para o do tempo real. Dois tipos de problemas práticos foram abordados: condução dispersiva na qual o campo elétrico das cargas móveis pode ser desprezado e o caso de carga espacial para o qual essa aproximação não pode ser feita. Duas configurações de interesse foram escolhidas: decaimento do potencial de superfície de amostras carregadas por descarga corona e a subida do potencial no carregamento por corrente constante. / Dispersive conductive process are characterized by non-exponential residence times of the hopping carrier. As a consequence, hereditary effects appear and the problem must be conducted in the Laplace space. A bunch of known dielectric distributions functions and others were used as possible functions describing the disordered medium. A careful study of their frequency spectrum was carried out. The truncate Widder inversion was developed in order to allow returning from the Lapace to the real time space. Two kind of practical problems were studied: dispersive conduction in which the electric field of the mobile charge may be neglected and the space charge ones when that approximation cannot be made. Two configurations of interest were selected: the corona discharge potential decay and the constant current potentinal build-up.

Na condução por saltos dispersiva, os portadores de carga são caracterizados por tempos de residência não exponenciais. Como uma conseqüência, efeitos hereditários aparecem e o problema deve ser conduzido no espaçõ de Laplace. Distribuições dielétricas conhecidas e algumas outras foram usadas como possíveis funções capazes de descrever o meio desordenado. Um estudo cuidadoso de seus espectros de freqüência foi realizado. O método de inversão de Widder truncado foi desenvolvido para possibilitar a volta do espaço de Laplace para o do tempo real. Dois tipos de problemas práticos foram abordados: condução dispersiva na qual o campo elétrico das cargas móveis pode ser desprezado e o caso de carga espacial para o qual essa aproximação não pode ser feita. Duas configurações de interesse foram escolhidas: decaimento do potencial de superfície de amostras carregadas por descarga corona e a subida do potencial no carregamento por corrente constante. / Dispersive conductive process are characterized by non-exponential residence times of the hopping carrier. As a consequence, hereditary effects appear and the problem must be conducted in the Laplace space. A bunch of known dielectric distributions functions and others were used as possible functions describing the disordered medium. A careful study of their frequency spectrum was carried out. The truncate Widder inversion was developed in order to allow returning from the Lapace to the real time space. Two kind of practical problems were studied: dispersive conduction in which the electric field of the mobile charge may be neglected and the space charge ones when that approximation cannot be made. Two configurations of interest were selected: the corona discharge potential decay and the constant current potentinal build-up.

O espalhamento de ondas eletromagnéticas por partículas isoladas, com propriedades ópticas e formatos arbitrários, encontra aplicações nas mais diversas áreas do conhecimento. Usualmente, o espalhamento eletromagnético é investigado via grandezas auferidas na região de campo distante. Para partículas inomogêneas, no entanto, as ressonâncias nas seções de choque de espalhamento podem não corresponder a um aumento de intensidade do campo eletromagnético nas vizinhanças imediatas da partícula (região de campo próximo). Esse efeito pode ser induzido em nanopartículas dielétricas com revestimentos plasmônicos e foi recentemente explicado em termos da ressonância de Fano. Essa ressonância resulta da interferência entre um modo eletromagnético não ressonante (processo de fundo) e um modo discreto ressonante (ressonância de plásmon), produzindo um formato assimétrico de linha espectral. Para o entendimento de como os modos de superfície no campo próximo acoplam-se às ressonâncias nas seções de choque, é necessário o cálculo de funcionais dos campos eletromagnéticos internos às partículas ou em suas vizinhanças imediatas. Neste estudo, calculamos a energia eletromagnética no interior de centros espalhadores nas geometrias esférica e cilíndrica. Fazemos aqui o vínculo dos campos internos às grandezas de espalhamento no campo distante via seção de choque de absorção e conservação de energia. Aplicamos nossos resultados a metamateriais dispersivos, estudando as propriedades do espalhamento por esferas revestidas e por esferas quirais, no regime de refração negativa, e por cilindros revestidos sob incidência oblíqua de radiação. Mediante a energia interna às partículas, demonstramos novos efeitos de aumento de intensidade de campo interno fora da ressonância de espalhamento e fornecemos resultados analíticos para a análise dessas ressonâncias, tanto em espalhamento simples quanto múltiplo. / Electromagnetic wave scattering by single particles with both shapes and optical properties arbitrary finds applications in several areas of knowledge. Usually, the electromagnetic scattering is investigated via measured quantities in the far-field region. However, for inhomogeneous particles, resonances in scattering cross sections may not correspond to the electromagnetic field enhancement in the vicinity of a particle (near-field). This effect can be induced in dielectric nanoparticles with plasmonic coatings, and it has recently been explained in terms of the Fano resonance. The Fano resonance results from the interference between a non-resonant electromagnetic mode (background or continuous) and a resonant discrete mode (localized plasmon resonance), leading to an asymmetric lineshape. To understand how the surface modes in the near-field are connected to the cross section resonances, functionals of the electromagnetic fields within scatterers or in their vicinity are required. In this study, we calculate the electromagnetic energy inside scatterers in both cylindrical and spherical geometries. We obtain a connection between the internal energy and the scattering quantities in the far-field via absorption cross section and energy conservation. We apply our results to dispersive metamaterials, studying scattering properties of coated and chiral spheres in the negative refraction regime, and coated cylinders under oblique incidence of radiation. By the electromagnetic energy inside particles, we demonstrate new off-resonance field enhancement effects and provide analytical tools to analyze these resonances in both single and multiple scattering regimes.

O espalhamento de ondas eletromagnéticas por partículas isoladas, com propriedades ópticas e formatos arbitrários, encontra aplicações nas mais diversas áreas do conhecimento. Usualmente, o espalhamento eletromagnético é investigado via grandezas auferidas na região de campo distante. Para partículas inomogêneas, no entanto, as ressonâncias nas seções de choque de espalhamento podem não corresponder a um aumento de intensidade do campo eletromagnético nas vizinhanças imediatas da partícula (região de campo próximo). Esse efeito pode ser induzido em nanopartículas dielétricas com revestimentos plasmônicos e foi recentemente explicado em termos da ressonância de Fano. Essa ressonância resulta da interferência entre um modo eletromagnético não ressonante (processo de fundo) e um modo discreto ressonante (ressonância de plásmon), produzindo um formato assimétrico de linha espectral. Para o entendimento de como os modos de superfície no campo próximo acoplam-se às ressonâncias nas seções de choque, é necessário o cálculo de funcionais dos campos eletromagnéticos internos às partículas ou em suas vizinhanças imediatas. Neste estudo, calculamos a energia eletromagnética no interior de centros espalhadores nas geometrias esférica e cilíndrica. Fazemos aqui o vínculo dos campos internos às grandezas de espalhamento no campo distante via seção de choque de absorção e conservação de energia. Aplicamos nossos resultados a metamateriais dispersivos, estudando as propriedades do espalhamento por esferas revestidas e por esferas quirais, no regime de refração negativa, e por cilindros revestidos sob incidência oblíqua de radiação. Mediante a energia interna às partículas, demonstramos novos efeitos de aumento de intensidade de campo interno fora da ressonância de espalhamento e fornecemos resultados analíticos para a análise dessas ressonâncias, tanto em espalhamento simples quanto múltiplo. / Electromagnetic wave scattering by single particles with both shapes and optical properties arbitrary finds applications in several areas of knowledge. Usually, the electromagnetic scattering is investigated via measured quantities in the far-field region. However, for inhomogeneous particles, resonances in scattering cross sections may not correspond to the electromagnetic field enhancement in the vicinity of a particle (near-field). This effect can be induced in dielectric nanoparticles with plasmonic coatings, and it has recently been explained in terms of the Fano resonance. The Fano resonance results from the interference between a non-resonant electromagnetic mode (background or continuous) and a resonant discrete mode (localized plasmon resonance), leading to an asymmetric lineshape. To understand how the surface modes in the near-field are connected to the cross section resonances, functionals of the electromagnetic fields within scatterers or in their vicinity are required. In this study, we calculate the electromagnetic energy inside scatterers in both cylindrical and spherical geometries. We obtain a connection between the internal energy and the scattering quantities in the far-field via absorption cross section and energy conservation. We apply our results to dispersive metamaterials, studying scattering properties of coated and chiral spheres in the negative refraction regime, and coated cylinders under oblique incidence of radiation. By the electromagnetic energy inside particles, we demonstrate new off-resonance field enhancement effects and provide analytical tools to analyze these resonances in both single and multiple scattering regimes.

Las señales arbitrarias de microondas son ampliamente utilizadas en distintos campos de aplicacón como radar, comunicaciones, captura de imágenes e instrumentación moderna. La limitación de los sistemas eléctricos para la generación de formas de onda a frecuencias elevadas y con grandes anchos de banda ha hecho que a lo largo de la última década se realicen numerosas propuestas de generación en el dominio óptico. Tras una revisión de todas las propuestas, se ha podido realizar una clasificación en función de las técnicas de generación más relevantes. El principal objetivo de esta tesis doctoral consiste en la propuesta, análisis y validación experimental de una técnica que permite la generación de señales de microondas haciendo uso de estructuras de filtrado fotónico. En concreto, los filtros utilizados en este trabajo se fundamentan en el procesado de señales ópticas incoherentes mediante un elemento dispersivo. A través del desarrollo teórico, se ha obtenido la función de transferencia del filtro fotónico equivalente que permite calcular la señal generada a partir de la densidad espectral de potencia de la fuente óptica, la dispersión y la señal eléctrica de entrada. De este modo, ha sido posible extender algunas de las ventajas del filtrado fotónico a la generación de formas de onda. Así mismo, para la técnica propuesta se distinguen dos regímines de operación, no lineal y lineal, según sea necesario o no considerar la dispersión de segundo orden del elemento dispersivo. En el régimen lineal, se presentan varias estructruas que utilizan distintos tipos de señal óptica como un conjunto de láseres y una fuente ancha ranurada empleando diferentes tipos de filtrado óptico. Además, también se presenta una estructura adicional incorporando detección defierencial a través de un interferómetro. Con el fin de mostrar las distintas capacidades de estas propuestas se ha demostrado la generación de señales correspondientes a la tecnología UWB de impulsos de radio y multib / Bolea Boluda, M. (2012). Sistemas ópticos incoherentes para la generación de señales arbitrarias basados en filtros fotónicos de microondas [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/16810