Метаматериалы и плазмоника аспирантка Игнатьева Дарья Олеговна

МЕТАМАТЕРИАЛЫ – ИСКУССТВЕННЫЕ СРЕДЫ Кристаллы Свойства определяются внутренним строением атомов, молекул и т.д. и их упорядочиванием Метаматериалы - искусственные структуры размер элементов много меньше длины волны оптические свойства определяются геометрией

УНИКАЛЬНЫЕ СВОЙСТВА МЕТАМАТЕРИАЛОВ Путем конструирования искусственных сред (метаматериалов) можно достичь свойств, которых не имеют природные материалы Метаматериал с отрицательным показателем преломления суперлинзы, микрорезонаторы и др. Метаматериал, искривляющий ход лучей плащ-невидимка

ОТРИЦАТЕЛЬНОЕ ПРЕЛОМЛЕНИЕ Закон Снеллиуса: Если показатель преломления отрицательный, то луч преломляется в другую сторону пустой cтакан стакан с водой, n=1.3 стакан с «мета- водой», n=-1.3

ФАЗОВАЯ И ГРУППОВАЯ СКОРОСТЬ ВОЛНЫ Отрицательный показатель преломления: Фазовая и групповая скорости противоположно направлены Групповая и фазовая скорости волны

Необходимо, чтобы элементы метаматериала имели размер нм (много меньше длины волны). ОПТИЧЕСКИЕ МЕТАМАТЕРИАЛЫ

Плоская пластина из метаматериала с отрицательным показателем преломления ведет себя как линза: В отличие от линзы, она фокусирует и усиливает не только компоненты «дальнего», но и «ближнего» поля источника. Сверхразрешение (объекты менее длины волны) СУПЕРЛИНЗА И СВЕРХРАЗРЕШЕНИЕ

Воплощение идеи плаща-невидимки: создаем неоднородный метаматериал, так, чтобы при распространении в нем луч искривлялся, на выходе сохраняя свое первоначальное направление ПЛАЩ - НЕВИДИМКА

Набор плоских пластин из метаматериала – волновод ВОЛНОВОД С МЕТАМАТЕРИАЛОМ Гауссов пучок

Набор плоских пластин из метаматериала – волновод ВОЛНОВОД С МЕТАМАТЕРИАЛОМ Оптический вихрь (оптические ловушки, индуцированные волноводы)

РЕЗОНАТОР С МЕТАМАТЕРИАЛОМ Метаматериал: субволновые размеры (микрорезонаторы) контроль устойчивости контроль формы и ширины пучка появление волноводных мод в резонаторе с двумя выпуклыми и двумя плоскими зеркалами возможность мод с произвольным профилем

ПЛАЗМОНИКА Плазмоны – волны, возбуждающиеся на поверхности металлов Оптика поверхностей (проверка качества зеркал) Нелинейная оптика (генерация гармоник) Оптические элементы (фильтры, переключатели) Оптические микросхемы Компактные измерительные приборы (показатель преломления)

ВОЗБУЖДЕНИЕ ПЛАЗМОНОВ Схемы возбуждения плазмонных волн: НПВОдифракция

FDTD – ЧИСЛЕННЫЙ МЕТОД В ПЛАЗМОНИКЕ Удобно решать уравнения Максвелла, но для этого требуются значительные вычислительные мощности: 1 мм x 1 мм x 1 мм 1 мкм, 3 фс Вычисления: 10 точек на каждую длину волны (10 · 10 3 ) 3 точек в области в каждой точке – вектора э/м поля E, D, B, H (3 · 4 компонент) 10 точек на период – 10 4 временных шагов размер типа double – 8 байт --- Итог: для расчета задачи требуется сделать 10 4 расчетов точек (100 Тб данных) ~ 3 пс

ПОГЛОЩАЮЩИЙ БЕЗОТРАЖАТЕЛЬНЫЙ СЛОЙ Если моделируемый процесс происходит в ограниченной области, остальное «пространство» можно не рассчитывать, а заменить слоем, который будет поглощать все падающее на него излучение не будет вызывать отражений от своих границ

МОДЕЛИРОВАНИЕ ВОЗБУЖДЕНИЯ ПЛАЗМОНОВ (FDTD) Плазмоны могут возбуждаться только при определенном соотношении показателей преломления, угле падения и поляризации света На анимации: «неправильное» соотношение показателей преломления

МОДЕЛИРОВАНИЕ ВОЗБУЖДЕНИЯ ПЛАЗМОНОВ (FDTD) Плазмоны могут возбуждаться только при определенном соотношении показателей преломления, угле падения и поляризации света На анимации: «неправильная» поляризация

МОДЕЛИРОВАНИЕ ВОЗБУЖДЕНИЯ ПЛАЗМОНОВ (FDTD) Плазмоны могут возбуждаться только при определенном соотношении показателей преломления, угле падения и поляризации света На анимации: возбуждение плазмонов

МОДЕЛИРОВАНИЕ ВОЗБУЖДЕНИЯ ПЛАЗМОНОВ (FDTD) Если слой металла достаточно тонкий, то в нем могут возбуждаться два типа плазмонов: «симметричные» и «антисимметричные» с разной длиной волны

ДИФРАКЦИЯ ПЛАЗМОНОВ Плазмоны возбуждаются узкими лазерными пучками, для минитюаризации должны иметь небольшие размеры => происходит дифракция (уширение) плазмонов

ПЛАЗМОНЫ В ГИРОТРОПНЫХ СРЕДАХ Рассматриваются среды с естественной оптической активностью и магнитные среды. Изменение свойств плазмонов в таких средах (поляризация, длина волны, глубина проникновения в диэлектрик) могут найти широкое практическое применение. Пример: измерение оптической активности

УПРАВЛЕНИЕ РАСПРОСТРАНЕНИЕМ ПЛАЗМОНОВ При распространении мощных пучков показатель преломления может изменяться за счет различных механизмов. Таким образом, можно управлять распространением плазмонов при помощи объемного лазерного излучения или других плазмонов. ω2ω2 ω1ω1 x y