Полуклассическая и квантовая теории спазера

• Автор: Андрианов, Евгений Сергеевич
• Шифр специальности: 01.04.13
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2015
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 116 с. : ил.

Оглавление
Введение

Глава 1. Обзор существующих результатов и некоторые вспомогательные результаты

теоретическая модель для описания взаимодействия металлической наночастицы и молекулы активной среды

1.1.1. Моды поверхностного плазмона

1.1.2. Взаимодействие электрического поля наночастицы и двухуровневого атома

1.1.3. Учёт диссипации и шумов, уравнения Максвелла-Блоха

1.1.4. Стационарный режим генерации спазера

1.2. Экспериментальные результаты по созданию спазера

Глава 2. Полуклассическая теория спазера

2.1. Введение

2.2. Динамика установления стационарного режима генерации спазера, осцилляции Раби
2.3. Спазер в поле внешней оптической волны, синхронизация спазера
2.4. Отклик дипольного момента наночастицы на внешнее поле, компенсация потерь ниже порога генерации спазер
2.5. Выводы
Глава 3. Коллективные эффекты в структурах на основе спазсров
3.1. Введение
3.2. Гармоническая плазмонная автоволна в одномерном массиве спазеров
3.3. Оптическая бистабильность цепочки спазеров: волны переключения и образование структур
3.4. Выводы
Глава 4. Квантовая теория спазера
4.1. Введение
4.2. Спектр поверхностных плазмонов, возбуждаемых спонтанными переходами квантовой точки
4.3. Спектр резонансной флуоресценции двухуровневой системы в ближнем поле плазмонной наночастицы
4.4. Выводы

Заключение
Список цитируемой литературы

Введение
Актуальность темы
В последнее время получила развитие новая область оптики — плазмоника, [1-8]. Хотя плазмоника имеет дело с волновыми явлениями, она оперирует с масштабами, много меньшими длины волны в вакууме. Это наделяет плазмонику многими чертами ближнеполыгой оптики и делает ее востребованной современными нанотехнологиями. Здесь можно, прежде всего, упомянуть микроскопию на основе поверхностных плазмонов [9], SERS [10], концентраторы энергии [11]. Стремительный прогресс плазмоиики может увеличить быстродействие будущих компьютеров благодаря созданию наноразмерных аналогов элементов электрических цепей, работающих в ближнем ИК диапазоне [12], и устройств на основе метаматериалов, производящих аналоговые вычисления [13].
Работа плазмонных устройств предполагает использование плазмонного резонанса металлических наноструктур. При плазмонном резонансе в металле наблюдаются довольно высокие джоулевы потери. Для компенсации этих потерь можно использовать активные среды [14]. В результате взаимодействия мод плазмонных наноструктур и молекул активной среды происходит образование положительной обратной связи. Это ведет к образованию спазера [15] — аналога лазера, в котором роль моды резонатора играет мода плазмонной наноструктуры. Разновидностями спазера [15] являются дипольный нанолазер [16], нанолазер на магнитной моде [17]. Об экспериментальной реализации спазера сообщается в работе [18]. В качестве возможных приложений спазера можно указать усилитель в оптических устройствах [19], усилитель плазмоной спектроскопии [20], источник света, преобразующий ближние поля в дальние [21-23], компенсация потерь в наноплазмонных устройствах. Малые размеры спазеров делают необходимым учёт квантовых эффектов.
В эксперименте, как правило, используют не одиночный спазер, а целые структуры, составленные из упорядоченных линеек или решеток спазеров [21, 23]. Поэтому для развития теории спазера представляет интерес рассмотрение плазмонов, распространяющихся вдоль таких одномерных объектов, как проволока, цепочка наночастиц или канавка в металле [24-26]. В этом случае коллективное взаимодействие между спазерами может существенно изменять свойства автономных колебаний спазеров, и даже приводить в этих структурах к новым явлениям [27].

2гХ2д {а'а - а’а) + 2Ю2 (<т - <т*) - ——— = 0,

{ІЗ )<т + іС1каО + г'С22£> = 0,

(/А ——)д - іС1яа - іС11 = 0.

Эту систему можно свести к одному уравнению на переменную В

. п*.
(оа + о;)+А+і_ке
Тп Тл

ч П* /у

и А +4—
(п^+П^ЯеГ/^1^ + 20-, / 21т (аа) — 2Яе (ПА) +
^ ’ 1 ад, у к 1 пк ) {П2ПК ^
т Ґ п,п п
Іш 1 а
С12СІК у

Ч|О.Г"

2 А) І

1 ПаС!^
т1> П)<
~2^-(п„+п;)

п^Фкл

+ 4—^-Іш СІ

А> АА
ъ п2я
где С1а=——/А, П„= — -(У. На рис. 11 изображена зависимость стационарного Г т
* а * <т
значения В от амплитуды внешнего поля при нулевой расстройке, А = 0 .
Видно, что при определённых значениях амплитуды внешнего поля существуют три решения. Устойчивость данных решений исследовалась путём замены а-ая ~ еь, <т-ая ~ еи, 2? - ВЛ1 ~ еи и нахождения знака Яе Я. Линейный анализ устойчивости показал, что устойчивыми (Яе Я < 0 ) будут решения, расположенные на нижней ветке графика на рис. 11. Приведём этот анализ.