Компьютерное моделирование оптических свойств нанообъектов и фотонных кристаллов

• Автор: Колесников, Антон Александрович
• Шифр специальности: 01.04.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2010
• Место защиты: Москва - Троицк
• Количество страниц: 130 с. : ил.

Содержание
Введение
Глава 1. Обзор литературы. Методика решения уравнений Максвелла во временной форме
в конечных разностях. РОТБ
1.1 ГОТО —основные положения
1.2 Диэлектрическая проницаемость
1.3 Граничные условия
1.3.1 Поглощающие граничные условия
1.3.2 Периодические граничные условия
1.4 Моделирование объектов конечного размера. Субпиксельнос сглаживание
1.5 Контурный подход к дискретизации уравнений Максвелла
Глава 2. Моделирование системы наносфер
2.1 Теоретическая оценка распределения поля в системе наносфер
2.2 Методика моделирования системы наносфер
2.3 Результаты моделирования системы наносфер

2.3.1 Одиночная наносфера
2.3.2 Димер
2.3.3 Тример
Глава 3. Моделирование ближних полей вблизи иглы сканирующего туннельного микроскопа
3.1 Методика проведения компьютерного моделирования
3.3 Результаты компьютерного моделирования
3.4 Сравнение результатов компьютерного моделирования с результатами реального эксперимента. Возможное использование сильных полей вблизи иглы сканирующего зондового микроскопа
Глава 4. Исследование ближних полей вблизи сканирующего микроскопа ближнего поля. Высокочувствительная лазерная микроскопия ближнего поля
4.1 Описание метода
4.2 Методика компьютерного моделирования и анализ полученных результатов
Глава 5. Исследование оптических свойств фотонных кристаллов
5.1 Исследование сегнетоэлектрических фотонных кристаллов
5.1.1 Описание исследуемой структуры и физического эксперимента
5.1.2 Методика компьютерного моделирования
5.1.3 Обсуждение результатов и выводы

5.2 Исследование спектра прохождения излучения через систему наноотверстий
5.3 Исследование оптических свойств инвертированного никелевого опала
5.4 Графеновый фотонный кристалл
5.5 Пленка сверхпроводника в магнитном поле как элемент фотоники
5.5.1 Щель в спектре поверхностных плазмонных поляритонов
5.5.2 Компьютерное моделирование и обсуждение результатов
Заключение
Список литературы
Введение.
Нанооптика (нанофотоника) - наука о распределении и взаимодействии света с веществом на наномасштабах (расстояниях порядка 10-9 м), в системах с характерными размерами а много меньше длины волны в оптическом диапазоне (а«А) или в объеме У<зсА3 (см. [1]). В рамках нанооптики изучаются линейные и нелинейные взаимодействия света с веществом (твердым телом, молекулами, атомами, наноструктурами и нанообъектами).
Предпосылкой к развитию нанофотоники стала попытка решения задачи о преодолении фундаментального ограничения разрешающей способноеги оптических приборов, связанного с дифракционным критерием Рэлея [2]. Суть этого критерия состоит в том, что свет из-за дифракции может быть сфокусирован в пятно с диаметром порядка Л, так что, и наилучшее пространственное разрешение, которое можно получить с помощью дальних (оптических) полей, также соответствует величине порядка Я (здесь мы не касаемся использования методов, развитых в работах [3]). Обычная оптическая микроскопия не позволяет преодолеть это ограничение. Важным шагом в решении данной проблемы стала разработка сканирующей микроскопии ближнего поля [4]. Ближнеполевая микроскопия основывается на взаимодействии света с наноструктурами в ближнем поле (поле, локализованном на расстоянии меньше, либо порядка длины волны от исследуемого объекта) (см. [5], [6], [7], [8]).
Развитие нанооптики имеет огромные перспективы в различных областях науки и техники. Исследование свойств света на наномасштабах позволяет исследовать и модифицировать свойства поверхности (что важно в наноэлек>ронике), изучать биологические объекты со сверхвысоким разрешением без их повреждения, создавать наноструктуры и материалы с заданными оптическими свойствами.
Наиболее динамично развивающиеся области нанофотоники в настоящее время -наноплазмоника, ближнеполевая оптическая микроскопия и исследование свойств фотонных кристаллов,
1. Наноплазмоника - подраздел нанофотоники, в котором преимущественно рассматривается взаимодействие света с веществом на наномасштабах, основанное на распространении и локализации поверхностных плазмонов [9], [10]. Плазмон — это квазичастица, соответствующая коллективным колебаниям свободного электронного газа в металлах и полупроводниках. Законы дисперсии плазмонов могут быть описаны с помощью обычной электродинамики. Плазмонные резонансы определяются частотно-
~ І иікії +1АШ = ЕсІЇ

-1 еЕс/Я+1МЁ = $ Нс/
Будем рассматривать контур, ограниченный многоугольником (Рис. 9). Поверхностный и контурный интегралы аппроксимируются в (63) следующим образом:
—єЕ + / -аЕ45 = V Н I, ді ) ,
^рТ+М‘ -о-'£І5 = -££/,

Рис. 9 //-контур, служащий для обновления поля Е
В общем виде (64) может быть записано как
(Э —>с —с — с ^ , —•/ —
perm^■,F^,2+J],2—lossl2F.2 |.У = ±7 ^2,іI, (65)
где регтх 2=|^ j, Іояя, 2 = , |. Поля F^,

в (65) находятся по разные стороны от
знака равенства: поле Е и ток J , измеряемые в центре контура и умножаемые на его площадь 5 находятся слева, а поле Г , измеряемые в центральных точках сторон контура и скалярно умножаемые на вектора I, находится справа.
Используя для поля в левой части (65) центральное разностное отношение для производной по времени и линейную интерполяцию по соседним временным слоям