Time-reversed waves and super-resolution

Mathias Fink; Julien de Rosny; Geoffroy Lerosey; Arnaud Tourin

doi:10.1016/j.crhy.2009.07.003

Time-reversed waves and super-resolution
[Champs retournés temporellement et super-résolution]

Mathias Fink ¹ ; Julien de Rosny ¹ ; Geoffroy Lerosey ¹ ; Arnaud Tourin ¹

¹ Institut Langevin, École supérieure de physique et de chimie industrielle de la ville de Paris, UMR CNRS 7587, 10, rue Vauquelin, 75005 Paris, France

Comptes Rendus. Physique, Volume 10 (2009) no. 5, pp. 447-463.

Résumé
Abstract

Les miroirs à retournement temporel (MRT) refocalisent une onde incidente sur la position de la source initiale indépendamment de la complexité du milieu de propagation. Les MRTs ont maintenant été mis en œuvre dans des situations physiques variées depuis les microondes GHz jusqu'aux ondes ultrasonores MHz en passant par l'acoustique sous-marine à quelques centaines de Hz. Leur robustesse commune à toutes ces fréquences est illustrée par le fait que pour toutes ces échelles plus le milieu est complexe (aléatoire ou chaotique) plus la focalisation est fine. Un MRT agit comme une antenne qui utilise l'environnement complexe pour paraître plus large qu'elle ne l'est, de telle manière que, pour une impulsion large bande, la finesse de la refocalisation ne dépende pas de l'ouverture du MRT.

De plus, lorsque l'environnement complexe se situe dans le champ proche de la source, la focalisation par retournement temporel ouvre une toute nouvelle approche de la super-résolution. Nous verrons que pour une source large bande située dans un métamatériau aléatoire, un MRT situé en champ lointain rayonne un champ retourné temporellement qui interagit avec le milieu aléatoire pour recréer non seulement les ondes propagatives mais aussi les ondes évanescentes nécessaires à la focalisation au-delà de la limite de diffraction. Ce processus de focalisation est très différent de celui développé avec les super-lentilles faites de matériau d'indice négatif, valable seulement pour des signaux à bande étroite. Nous soulignerons le rôle de la diversité fréquentielle dans le retournement temporel.

Time-reversal mirrors (TRMs) refocus an incident wavefield to the position of the original source regardless of the complexity of the propagation medium. TRMs have now been implemented in a variety of physical scenarios from GHz microwaves to MHz ultrasonics and to hundreds of Hz in ocean acoustics. Common to this broad range of scales is a remarkable robustness exemplified by observations at all scales that the more complex the medium (random or chaotic), the sharper the focus. A TRM acts as an antenna that uses complex environments to appear wider than it is, resulting for a broadband pulse, in a refocusing quality that does not depend on the TRM aperture.

Moreover, when the complex environment is located in the near field of the source, time-reversal focusing opens completely new approaches to super-resolution. We will show that, for a broadband source located inside a random metamaterial, a TRM located in the far field radiated a time-reversed wave that interacts with the random medium to regenerate not only the propagating but also the evanescent waves required to refocus below the diffraction limit. This focusing process is very different from that developed with superlenses made of negative index material only valid for narrowband signals. We will emphasize the role of the frequency diversity in time-reversal focusing.

Publié le : 2009-06-01

DOI : 10.1016/j.crhy.2009.07.003

Keywords: Time-reversal mirror, Metamaterials
Mot clés : Miroir à retournement temporel, Métamatériaux

Affiliations des auteurs :

Mathias Fink ¹ ; Julien de Rosny ¹ ; Geoffroy Lerosey ¹ ; Arnaud Tourin ¹

¹ Institut Langevin, École supérieure de physique et de chimie industrielle de la ville de Paris, UMR CNRS 7587, 10, rue Vauquelin, 75005 Paris, France

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Mathias Fink; Julien de Rosny; Geoffroy Lerosey; Arnaud Tourin. Time-reversed waves and super-resolution. Comptes Rendus. Physique, Volume 10 (2009) no. 5, pp. 447-463. doi : 10.1016/j.crhy.2009.07.003. https://comptes-rendus.academie-sciences.fr/physique/articles/10.1016/j.crhy.2009.07.003/

Bibliographie
Cité par

[1] M. Fink IEEE Trans. Ultrason. Ferroelec. Freq. Contr., 39 (1992) no. 5, pp. 555-566

[2] M. Fink Phys. Today, 50 (1997) no. 3, pp. 34-40

[3] M. Fink; D. Cassereau; A. Derode; C. Prada; P. Roux; M. Tanter; J.L. Thomas; F. Wu Rep. Prog. Phys., 63 (2000) no. 12, pp. 1933-1995

[4] D. Cassereau; M. Fink IEEE Trans. Ultrason. Ferroelec. Freq. Contr., 39 (1992) no. 5, pp. 579-592

[5] D.R. Jackson; D.R. Dowling J. Acoust. Soc. Am., 89 (1991) no. 1, pp. 171-181

[6] J. de Rosny; M. Fink Phys. Rev. Lett., 89 (2002) no. 12, p. 124301

[7] D.-J. van Manen; J. Robertsson; A. Curtis Phys. Rev. Lett., 94 (2005), p. 164301

[8] M. Nieto-Vesperinas; E. Wolf J. Opt. Soc. Am. A, 2 (1985) no. 9, pp. 1429-1434

[9] R. Weaver J. Acoust. Soc. Am., 71 (1982), pp. 1608-1609

[10] K.J. Ebeling (W.P. Mason, ed.), Physical Acoustics, vol. 17, Academic, New York, 1984, pp. 233-309

[11] C. Draeger; M. Fink Phys. Rev. Lett., 79 (1997) no. 3, pp. 407-410

[12] C. Draeger; M. Fink J. Acoust. Soc. Am., 105 (1999) no. 2, pp. 618-625

[13] C. Draeger; J.-C. Aime; M. Fink J. Acoust. Soc. Am., 105 (1999) no. 2, pp. 611-617

[14] M.V. Berry Chaotic Behaviour of Deterministic Systems, Les Houches, North Holland, Amsterdam, 1981 (pp. 171–271)

[15] S.W. McDonald; A.N. Kaufman Phys. Rev. A, 37 (1988) no. 8, pp. 3067-3086

[16] R.K. Ing; N. Quieffin; S. Catheline; M. Fink Appl. Phys. Lett., 87 (2005) no. 20 (Art. No. 204104)

[17] A. Derode; P. Roux; M. Fink Phys. Rev. Lett., 75 (1995) no. 23, pp. 4206-4209

[18] A. Derode; A. Tourin; M. Fink Phys. Rev. E, 64 (2001) no. 3, p. 36606

[19] P. Blomgren; G. Papanicolaou; H. Zhao J. Acoust. Soc. Am., 111 (2002) no. 1, pp. 230-248

[20] R. Carminati; R. Pierrat; J. de Rosny; M. Fink Opt. Lett., 32 (2007), pp. 3107-3109

[21] G. Lerosey; J. de Rosny; A. Tourin; M. Fink Science, 315 (2007), p. 1120

[22] R. Carminati; J. Sáenz; J. Greffet; M. Nieto-Vesperinas Phys. Rev. A, 62 (2000), p. 012712

[23] X. Li; M.I. Stockman Phys. Rev. B, 77 (2008), p. 195109

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