Моделирование условий синтеза оптических волноводов из плазмонных наночастиц и исследование их трансмиссионных и дисперсионных свойств

• Автор: Рассказов, Илья Леонидович
• Шифр специальности: 01.04.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2015
• Место защиты: Красноярск
• Количество страниц: 114 с. : ил.

Аннотация
Работа посвящена разработке способов получения оптических плазмонньтх волноводов (01ТВ) в виде одномерных цепочек ограниченной длины из периодически расположенных плазмонньгх наночастиц методом численного моделирования, а также исследованию их волноводных свойств в задачах применения этих объектов в качестве перспективных функциональных элементов оптических интегральных микросхем.
Представлен оригинальный метод синтеза ОГГВ в форме упорядоченных цепочечных структур из металлических наночастиц па диэлектрической подложке, снабженной металлическим наношаблоном. На основе метода броуновской динамики разработана физическая модель осаждения ианочастиц из объёма гидрозоля в заданной области электростатически фупкциопализироваииой подложки. Исследовано влияние различных параметров системы «напоколлоидыюдложка» на степень дефектности синтезируемых цепочечных ОПВ. Предложены методы, позволяющие минимизировать дефектность таких цепочек.
Получены сведения о спектральных, трансмиссионных и дисперсионных свойствах относительно коротких, технологически востребованных ОПВ из па-почастиц серебра, синтезируемых предложенным методом. Установлены закономерности распространения поверхностного плазмоп-поляритона (ППП) в коротких ОПВ, характерной особенностью которых являются паразитные отражения импульсов от границ цепочки. Предложена модель оптических ловушек, подавляющих отраженные паразитные импульсы.
Исследованы волноводные свойства длинных ОПВ с различной геометрией. Обращено внимание на важность использования несфернческих наночастнц (в форме вытянутых или сплюснутых сфероидов) для существенного улучшения трансмиссионных свойств ОПВ. Продемонстрирована возможность использования кривых ОПВ в качестве функциональных элементов оптических микросхем, управляющих световыми потоками и поляризацией распространяющегося оптического излучения. Получены сведения о влиянии диэлектрической технологической подложки на трансмиссионные свойства ОПВ, располагающихся на ней.

Содержание
Аннотация
Введение

1 Обзор литературы

2 Разработка и анализ методов получения упорядоченных структур

с заданными свойствами из малых коллоидных частиц на технологических подложках
2.1 Модель
2.1.1 Метод броуновской динамики
2.1.2 Метод электрических изображений
2.2 Закономерности формирования цепочечных структур на технологической подложке
2.3 Методы минимизации степени дефектности синтезируемых структур
2.4 Заключение к главе
3 Оптические плазменные волноводы (ОПВ) в виде цепочек из ме-
таллических наночастиц. Особенности волноводных свойств коротких (Ь < А) цепочек
3.1 Модель
3.1.1 Электромагнитное взаимодействие наночастиц
3.1.2 Поляризуемость наносферы и напосфероида
3.1.3 Диэлектрическая проницаемость серебряных наночастиц
3.1.4 Спектры экстинкции цепочек наночастиц
3.1.5 Трансмиссионные свойства ОПВ
3.1.6 Дискретные дисперсионные соотношения линейных ОПВ .
3.1.7 Распространение волновых пакетов в линейных ОПВ

3.2 Результаты и их обсуждение
3.2.1 Спектральные и трансмиссионные характеристики корот-
ких ОПВ с различной геометрией из сферических наиоча-стиц
3.2.2 Дисперсионные соотношения коротких линейных ОПВ.
Влияние формы наночастиц на волноводные свойства ОПВ
3.2.3 Распространение волновых пакетов в коротких линейных
ОПВ из наносфер и наносфероидов
3.2.4 Использование оптических ловушек для подавления паразитных отраженных сигналов в ОПВ
3.3 Заключение к главе 3
4 ОПВ в виде цепочек из металлических наночастиц. Особенности
волноводных свойств длинных {Ь >> Л) цепочек
4.1 Модель
4.1.1 Геометрия цепочек
4.1.2 Волноводные свойства
4.1.3 Учёт влияния диэлектрической подложки на волноводные
свойства ОПВ
4.2 Результаты и их обсуждение
4.2.1 Улучшение трансмиссионных свойств длинных линейных ОПВ при использовании сфероидальных наночастиц
4.2.2 ОПВ с различной геометрией. Влияние степени кривизны
цепочек на их трансмиссионные свойстпа
4.2.3 Поляризационные эффекты в кривых цепочках
4.2.4 Локализация электрического поля вблизи ОПВ различных
конфшураций
4.2.5 Влияние технологической подложки на волноводные свойства ОПВ
4.3 Заключение к главе
Заключение
Литература

Здесь Ь < а (равенство выполняется в случае сферических наночастиц).
Тензор поляризуемости п-ного паносфероида может быть записан в виде:
Оіп. СУ I
+(«и - од)ипI
(3.7)
где Л - единичный тензор; а± и «ц - главные значения тензора ап для поляризаций, направленных ортогонально и коллииеарно оси симметрии сфероида; и„ -единичный вектор, коллинеарный оси симметрии сфероида.
Первой ненулевой излучательной поправки к мнимой частиц обратной ква-зистатической поляризуемости (см. формулу (3.4)) может быть недостаточно для адекватного описания поляризуемости несферичсских наночастиц. В этом случае необходимо использовать динамические поправки второго порядка 0(к2) [147], вклад которых имеет существенную роль в описании оптических свойств сфероидальных наночастиц. Таким образом, главные значения тензора поляризуемости будут определяться следующими известными выражениями:
«II, ±

к2 2гкА
- ТРи -
(3.8)
где Р = 1 ДЛЯ вытянутых сфероидов, р = 2 для сплюснутых сфероидов, 1/11Д -статические деполяризующие факторы, к2/3^±/Ь - динамические поправки второго порядка (по к) к обратной поляризуемости [147]. Обратим внимание на то, что поправки первого порядка О(к) отсутствуют в (3.8).
Статические деполяризующие факторы определяются следующими выражениями в случае вытянутых сфероидов:
П = и для сплюснутых сфероидов:

1 . 1 + е

2е 1-е

(3.9)

агс1^(<у(е))

щ = 1 - 2п|
Здесь
д{е) = чДТ^Т =
(3.10)
(3.11)