Дисперсионные свойства многослойных периодических наноструктур и цепочек кремниевых наночастиц

• Автор: Савельев, Роман Сергеевич
• Шифр специальности: 01.04.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2014
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 124 с. : ил.

Оглавление
Введение
1 Обзор методов уменьшения или компенсации поглощения излучения в оптических наноструктурах

1.1 Компенсация поглощения усилением в периодических слоистых структурах

1.2 Оптические волноводы с субволновым поперечным сечением на основе связанных резонаторов
1.3 Изгибы и дефекты в диэлектрических волноводах на основе массивов диэлектрических частиц

2 Широкополосная компенсация поглощения усилением в одномерных фотонных кристаллах

2.1 Постановка задачи

2.2 Теоретическая модель: матрица переноса

2.3 Численные расчеты

2.3.1 Нормальное падение

2.3.2 Наклонное падение, распространяющиеся и эванес-центные волны
2.3.3 Компенсация и неустойчивости
2.4 Краткие итоги
3 Компенсация поглощения усилением в слоистых металлодиэлектрических метаматериалах
3.1 Постановка задачи
3.2 Результаты расчетов и обсуждения

3.3 Рассеяние оптического излучения на структурах конечного
размера
3.4 Влияние эффекта Пёрселла на компенсацию потерь усилением в режиме непрерывной накачки
3.5 Краткие итоги
4 Дисперсионные свойства цепочек кремниевых наночастиц
4.1 Оптические волноводы с поперечным сечением субволно-
вых размеров на основе сферических кремниевых наночастиц
4.1.1 Теоретическая модель
4.1.2 Результаты численного моделирования
4.1.3 Прототипирование в микроволновой области спектра
4.2 Периодические волноводы на основе кремниевых наночастиц с 90° изгибами
4.2.1 Модель и параметры волновода
4.2.2 Экспериментальная демонстрация в микроволновой области частот
4.2.3 Моделирование в оптическом диапазоне спектра . .
4.3 Дефекты в цепочках кремниевых наночастиц
4.3.1 Постановка задачи и метод расчета
4.3.2 Результаты и обсуждение
4.4 Краткие итоги
Заключение
Список литературы

Введение
В последние годы наблюдается заметный рост интереса к физике искусственно создаваемых материалов, периодических в одном или нескольких направлениях, таких как фотонные кристаллы, плазмонные метаматериалы, волноводы на основе связанных резонаторов. В таких структурах распространение электромагнитных волн принципиально отличается от распространения в однородной среде. Одним из основных отличий является появление разрешенных и запрещенных для распространения волн зон в области параметров «частота - волновой вектор» [1,2]. В плазмон-ных наноструктурах важную роль играют плазмонные резонансы на металлических включениях — металлических наночастицах, слоях металла и т.д. Они позволяют достичь в метаматериалах таких эффектов как суб-волновая локализация света, передача изображений со сверхразрешением, отрицательное преломление и широкополосный эффект Пёрселла [3-8]. Приложения таких искусственно создаваемых оптических наноструктур включают в себя суперлинзы с субволновым разрешением [3,5,6], гиперлинзы [9], маскирующие покрытия [10], нанолитографию [11], волноводы с субволновым поперечным сечением [12-14] и пр.
Основная часть исследований в этом направлении проводится для прозрачных сред, однако для оптики весьма важен учет поглощения и/или усиления в периодических средах. Особо следует выделить структуры, содержащие в себе металлические включения, которые характеризуются существенным поглощением электромагнитного излучения (особенно в оптическом диапазоне спектра). Это является одним из главных препятствий к эффективному функционированию вышеупомянутых практиче-

1 ^41т 1- г| = 8/9 Т V":I и Т • ▼ Т] = 8/9 т V?*: I т Т I 1г| =
1 ;|тг| = 1/2 • • • • • *Т :|тл = 1/2 Т :|1л=8/25 • • • • 1 14 Ь л = 8^25 т :|т п=4/9 • • • • • Т • 1т ц = 4/
1 1_л = 16/25 I- : |Т л = 8/25 Т Т л = 1/4 Т • л = 1/2 Т Т Г| = 4/9 Т *|Тл=4/
Рис. 1.10: Численно рассчитанный коэффициент передачи мощности Г) для цепочек металлических наночастиц и Т-структур с 90° изгибами. Стрелками показано направление потока энергии продольно-поляризованных (С) и поперечно-поляризованных (Г) волн. Значение Г| — 1 соответствует 100% пропусканию. Из работы [62].
была выявлена сильная зависимость потерь на изгибе от радиуса изгиба и высоты цилиндрических частиц [ 121 ]; в работах [14,104] эффективность распространения оптического излучения по изогнутым цепочкам составляла от 60% до 90% в зависимости от угла поворота и типа рассматриваемой структуры. Экспериментально структура на основе периодических диэлектрических волноводов была реализована в работе [110]. Область пересечения двух одномодовых кремниевых волноводов была заменена массивом кремниевых цилиндров (см. рис. 1.11). Перекрестные помехи при этом уменьшились с 15 дБ до 40 дБ, что указывает на то, что передача сигналов по периодическому диэлектрическому волноводу с резкими изгибами может быть затруднительна.
Одной из причин таких результатов является то, что в случае сферических частиц (в частности) поперечно поляризованные моды (т.е. когда магнитные и электрические дипольные моменты ориентированы перпендику-