МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭФФЕКТОВ СУПЕР ЛОКАЛИЗАЦИИ ОПТИЧЕСКОГО ПОЛЯ (ЭФФЕКТ ФОТОННЫХ НАНОСТРУЙ) В ЭЛЕМЕНТАХ НАНОФОТОНИКИ
|
РЕФЕРАТ 3
ВВЕДЕНИЕ 5
1 Современное состояние исследований пространственно-локализованных
световых структур - фотонных наноструй, формирующихся в ближнем поле рассеяния оптической волны на прозрачных микрочастицах с размерами порядка длины волны излучения 8
2 Методы и подходы, вычислительные ресурсы для моделирования эффекта
фотонных наноструй 11
3 Моделирование эффектов супер локализации оптического поля (эффект
фотонных наноструй) в элементах нанофотоники 12
3.1 Особенности формирования фотонной наноструи от однородных и
многослойных сферических микрочастиц 12
3.2 Характеристики «фотонных наноструй» формирующихся при рассеянии
лазерного излучения на метаповерхности в форме однослойной упорядоченной сборки диэлектрических микрочастиц (сфер, конусов), внедренных в прозрачную матрицу (силиконовую пленку) 27
3.3 Параметры «фотонных наноструй», формирующихся в ближнем поле рассеяния оптического излучения на упорядоченных однослойных массивах
диэлектрических микросфер 37
3.4 Особенности формирования «фотонных наноструй» матрицей диэлектрических микротороидов 40
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 50
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 53
ПРИЛОЖЕНИЕ А. Отчет о патентных исследованиях 56
ВВЕДЕНИЕ 5
1 Современное состояние исследований пространственно-локализованных
световых структур - фотонных наноструй, формирующихся в ближнем поле рассеяния оптической волны на прозрачных микрочастицах с размерами порядка длины волны излучения 8
2 Методы и подходы, вычислительные ресурсы для моделирования эффекта
фотонных наноструй 11
3 Моделирование эффектов супер локализации оптического поля (эффект
фотонных наноструй) в элементах нанофотоники 12
3.1 Особенности формирования фотонной наноструи от однородных и
многослойных сферических микрочастиц 12
3.2 Характеристики «фотонных наноструй» формирующихся при рассеянии
лазерного излучения на метаповерхности в форме однослойной упорядоченной сборки диэлектрических микрочастиц (сфер, конусов), внедренных в прозрачную матрицу (силиконовую пленку) 27
3.3 Параметры «фотонных наноструй», формирующихся в ближнем поле рассеяния оптического излучения на упорядоченных однослойных массивах
диэлектрических микросфер 37
3.4 Особенности формирования «фотонных наноструй» матрицей диэлектрических микротороидов 40
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 50
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 53
ПРИЛОЖЕНИЕ А. Отчет о патентных исследованиях 56
Актуальность проблемы.
Совершенствование устройств нанофотоники с целью повышения их быстродействия и компактности, ориентация на энерго- и ресурсосберегающие технологии выдвигают в настоящее время дисперсную среду в качестве удобного объекта реализации миниатюрных устройств на основе как одиночных, так и пространственных сборок прозрачных микро- и наночастиц.
В последнее десятилетие активно развивается научное направление, связанное с изучением возможности управления оптическими нанополями, возникающими вблизи или на поверхности материальных сред (эффект фотонных наноструй (ФНС)).
Основной трудностью при интерпретации экспериментальных результатов является высокая изменчивость формы фотонной струи, что требует комплексной оценки всех ее основных параметров. Кроме того, на практике, как правило, используются не одиночные микросферы, а сборки частиц, помещенных на прозрачную матрицу. При этом формируется целый массив ФНС. Отдельные частицы, объединенные в кластер, начинают влиять на соседние частицы вследствие чего меняются параметры отдельных наноструй. Следовательно, возникает необходимость всестороннего исследования характеристик ФНС при варьировании расстояния между отдельными частицами в кластере, их размера и пространственной конфигурации размещения в матрице.
Целью научно-исследовательской работы является разработка моделей новых элементов устройств нанооптики на основе однослойного кластера микрочастиц, обеспечивающих субдифракционную ближнепольную локализацию излучения, а также динамическое управление световыми потоками в широком спектральном диапазоне.
Методы исследования.
Численный расчет структуры ближнего поля при дифракции световой волны на одиночной частице, а также на сборке идентичных микрочастиц проводился методом вычислительной электродинамики (FDTD) при помощи коммерческого программного пакета Lumerical FDTD Solutions.
Научная новизна заключается в определении “критерия качества” микросборки ансамбля фокусирующих падающее излучение микрочастиц, позволяющих модифицировать характеристики формирующихся световых потоков (наноструй) с целью оптимизации их параметров (повышение интенсивности и протяженности, уменьшение поперечного размера) по сравнению с одиночными микрочастицами.
Основные положения, выносимые на защиту.
В работе сформулированы и выносятся на защиту два научных положения:
1. Параметры фотонной наноструи (длина, ширина, максимум интенсивности) являются весьма чувствительными к пространственной конфигурации рассеивающей излучение частицы.
2. Каждый из изученных типов кластеров (микросборки из сфер, конусов, тороидов) способен формировать в ближней зоне дифракции массив фотонных струй с субволновым пространственным разрешением. Влияние соседних частиц при формировании ФНС связано с взаимной интерференцией оптических полей и, главным образом, проявляется в пульсациях интенсивности и длины фотонной струи при изменении периода кластерной решетки.
Достоверность полученных результатов и выводов настоящей работы подтверждается физической непротиворечивостью основных результатов и выводов, их согласованностью с физическими представлениями об эффекте фотонных наноструй. При численных расчетах достоверность обеспечивалась использованием различных методик решения задач и тестированием создаваемых алгоритмов на известных задачах, имеющих аналитическое решение.
Практическая ценность.
Эффект фотонных наноструй уже находит практическое применение в областях, связанных с обработкой материалов, детектированием и сортировкой наноразмерных частиц, для оптической хирургии в качестве “оптического скальпеля” или “оптического пинцета”, а также в устройствах хранения данных с ультравысокой плотностью записи.
Апробация работы.
Результаты работы представлены в 3 научных трудах.
Краткое содержание работы.
В ходе выполнения НИР проведен аналитический обзор литературы по проблеме реализации и использования эффекта фотонных наноструй в элементах нанофотоники.
Определены методы и подходы, вычислительные ресурсы для моделирования эффекта фотонных наноструй.
Проведено моделирование эффектов супер локализации оптического поля (эффект фотонных наноструй) в элементах нанофотоники.
Изучены особенности формирования фотонной наноструи от однородных и многослойных сферических микрочастиц.
Исследованы параметры фотонных наноструй, формирующихся в ближнем поле рассеяния оптического излучения на упорядоченных однослойных массивах диэлектрических микросфер и конусов при различной конфигурации сборки частиц в матрице.
Изучены особенности формирования фотонных наноструй матрицей диэлектрических микротороидов.
В первом разделе приведен обзор современного состояния исследований эффекта локализации оптического поля - фотонных наноструй, формирующихся в ближнем поле рассеяния оптической волны на прозрачных микрочастицах с размерами порядка длины волны излучения.
Во втором разделе представлено описание методов и подходов для моделирования эффекта фотонных наноструй.
В третьем разделе приведены результаты моделирования эффектов супер локализации оптического поля (эффект фотонных наноструй) в элементах нанофотоники.
Совершенствование устройств нанофотоники с целью повышения их быстродействия и компактности, ориентация на энерго- и ресурсосберегающие технологии выдвигают в настоящее время дисперсную среду в качестве удобного объекта реализации миниатюрных устройств на основе как одиночных, так и пространственных сборок прозрачных микро- и наночастиц.
В последнее десятилетие активно развивается научное направление, связанное с изучением возможности управления оптическими нанополями, возникающими вблизи или на поверхности материальных сред (эффект фотонных наноструй (ФНС)).
Основной трудностью при интерпретации экспериментальных результатов является высокая изменчивость формы фотонной струи, что требует комплексной оценки всех ее основных параметров. Кроме того, на практике, как правило, используются не одиночные микросферы, а сборки частиц, помещенных на прозрачную матрицу. При этом формируется целый массив ФНС. Отдельные частицы, объединенные в кластер, начинают влиять на соседние частицы вследствие чего меняются параметры отдельных наноструй. Следовательно, возникает необходимость всестороннего исследования характеристик ФНС при варьировании расстояния между отдельными частицами в кластере, их размера и пространственной конфигурации размещения в матрице.
Целью научно-исследовательской работы является разработка моделей новых элементов устройств нанооптики на основе однослойного кластера микрочастиц, обеспечивающих субдифракционную ближнепольную локализацию излучения, а также динамическое управление световыми потоками в широком спектральном диапазоне.
Методы исследования.
Численный расчет структуры ближнего поля при дифракции световой волны на одиночной частице, а также на сборке идентичных микрочастиц проводился методом вычислительной электродинамики (FDTD) при помощи коммерческого программного пакета Lumerical FDTD Solutions.
Научная новизна заключается в определении “критерия качества” микросборки ансамбля фокусирующих падающее излучение микрочастиц, позволяющих модифицировать характеристики формирующихся световых потоков (наноструй) с целью оптимизации их параметров (повышение интенсивности и протяженности, уменьшение поперечного размера) по сравнению с одиночными микрочастицами.
Основные положения, выносимые на защиту.
В работе сформулированы и выносятся на защиту два научных положения:
1. Параметры фотонной наноструи (длина, ширина, максимум интенсивности) являются весьма чувствительными к пространственной конфигурации рассеивающей излучение частицы.
2. Каждый из изученных типов кластеров (микросборки из сфер, конусов, тороидов) способен формировать в ближней зоне дифракции массив фотонных струй с субволновым пространственным разрешением. Влияние соседних частиц при формировании ФНС связано с взаимной интерференцией оптических полей и, главным образом, проявляется в пульсациях интенсивности и длины фотонной струи при изменении периода кластерной решетки.
Достоверность полученных результатов и выводов настоящей работы подтверждается физической непротиворечивостью основных результатов и выводов, их согласованностью с физическими представлениями об эффекте фотонных наноструй. При численных расчетах достоверность обеспечивалась использованием различных методик решения задач и тестированием создаваемых алгоритмов на известных задачах, имеющих аналитическое решение.
Практическая ценность.
Эффект фотонных наноструй уже находит практическое применение в областях, связанных с обработкой материалов, детектированием и сортировкой наноразмерных частиц, для оптической хирургии в качестве “оптического скальпеля” или “оптического пинцета”, а также в устройствах хранения данных с ультравысокой плотностью записи.
Апробация работы.
Результаты работы представлены в 3 научных трудах.
Краткое содержание работы.
В ходе выполнения НИР проведен аналитический обзор литературы по проблеме реализации и использования эффекта фотонных наноструй в элементах нанофотоники.
Определены методы и подходы, вычислительные ресурсы для моделирования эффекта фотонных наноструй.
Проведено моделирование эффектов супер локализации оптического поля (эффект фотонных наноструй) в элементах нанофотоники.
Изучены особенности формирования фотонной наноструи от однородных и многослойных сферических микрочастиц.
Исследованы параметры фотонных наноструй, формирующихся в ближнем поле рассеяния оптического излучения на упорядоченных однослойных массивах диэлектрических микросфер и конусов при различной конфигурации сборки частиц в матрице.
Изучены особенности формирования фотонных наноструй матрицей диэлектрических микротороидов.
В первом разделе приведен обзор современного состояния исследований эффекта локализации оптического поля - фотонных наноструй, формирующихся в ближнем поле рассеяния оптической волны на прозрачных микрочастицах с размерами порядка длины волны излучения.
Во втором разделе представлено описание методов и подходов для моделирования эффекта фотонных наноструй.
В третьем разделе приведены результаты моделирования эффектов супер локализации оптического поля (эффект фотонных наноструй) в элементах нанофотоники.
В ходе выполнения научно-исследовательской работы проведен аналитический обзор литературы по проблеме реализации и использования эффекта фотонных наноструй в элементах нанофотоники.
Изучены особенности формирования фотонной наноструи от однородных и многослойных сферических микрочастиц.
Обоснована научная значимость и актуальность планируемых теоретических исследований. Определены методы и подходы, оборудование для моделирования эффекта фотонных наноструй.
Исследованы параметры «фотонных наноструй», формирующихся в ближнем поле рассеяния оптического излучения на упорядоченных однослойных массивах диэлектрических микросфер.
Проведены теоретические исследования пространственно-локализованных ближнепольных световых структур («фотонных наноструй»), формирующихся при рассеянии лазерного излучения на метаповерхности в форме однослойной упорядоченной сборки диэлектрических микрочастиц (сфер, конусов), внедренных в прозрачную матрицу (силиконовую пленку). Путем решения уравнений Максвелла по методике вычислительной электродинамики (FDTD) проведен подробный анализ основных параметров локализованных световых структур (длина, ширина, пиковая интенсивность) в условиях взаимовлияния световых полей соседних микрочастиц. Установлено, что основными факторами, влияющими на исследуемые характеристики «фотонных наноструй», являются пространственная ориентация микроконусов, а также степень их заглубления в силиконовую матрицу. Показано, что ряд пространственных конфигурации конических микросборок позволяет создавать ансамбль «фотонных наноструй» со специфическими характеристиками, недостижимыми для изолированных микроконусов. Упорядоченные кластеры сферических частиц обладают преимуществом с точки зрения комплексной оценки параметров струй.
Проведены численные исследования ряда параметров фотонных наноструй, формирующихся в окрестности теневой поверхности диэлектрических сфер микронных размеров при рассеянии на них лазерного излучения. Рассмотрены продольный и поперечный размеры фотонного потока, его пиковая интенсивность в зависимости от размера частицы, поглощающей способности и оптического контраста ее материала. Проведено моделирование ФНС в композитных частицах, состоящих из ядра и оболочки с различными показателями преломления, при вариации толщины оболочки.
На основании проведенного анализа можно сделать следующие выводы с точки зрения возможных способов управления параметрами ФНС микронных частиц:
(а) при увеличении радиуса частиц в диапазоне a 0,5:10 мкм все исследуемые характеристики струи растут, причем ее радиус остается ниже дифракционного предела только для значений параметра дифракции частицы ха < 35;
(б) изменением показателя поглощения материала частицы возможно добиться уменьшения полуширины ФНС до субдифракционного значения даже для крупных частиц, однако при этом происходит существенное падение интенсивности в фотонном потоке;
(в) повышение относительного показателя преломления частицы (по отношению к окружающей среде) сопровождается сокращением характерной протяженности и ростом пиковой интенсивности фотонной струи, однако существует предельная величина оптического контраста nr & 1,7 , выше которой полуширина ФНС начинает превышать дифракционный предел по причине высокой угловой расходимости излучения после фокальной перетяжки;
(г) определенным подбором показателя преломления оболочки относительно ядра в двухслойных композитных сферических микрочастицах можно существенно удлинить формируемую ФНС (mJma > 1) или повысить ее пиковую интенсивность (mJma < 1), ширина фотонного потока при этом изменяется незначительно.
Изучены особенности формирования пространственной структуры ближнего поля рассеяния световой волны на одиночном диэлектрическом непоглощающем микротороиде, расположенном на полимерной подложке, а также на упорядоченном кластере микротороидов. Подробно исследованы характеристики «фотонных наноструй» - областей с высокой концентрацией оптического поля.
Установлено, что параметры ФНС (длина, ширина, максимум интенсивности) являются весьма чувствительными к пространственной конфигурации рассеивающей излучение частицы. Так, тороиды с радиусом внутреннего сечения R3»0.5+0.6R формируют пространственно локализованные, высокоинтенсивные световые потоки. Увеличение, либо уменьшение R3 приводит к неустойчивости исследуемых параметров, например, резкому увеличению длины ФНС, падению пиковой интенсивности.
Использование однослойного массива идентичных микротороидов меняет структуру ближнего поля рассеяния. Влияние соседних частиц при формировании ФНС связано с взаимной интерференцией оптических полей и, главным образом, проявляется в пульсациях интенсивности и длины фотонной струи, что приводит к пространственному «разрыву» ФНС на отдельные сегменты вдоль вектора распространения оптической волны при изменении периода кластерной решетки. Наиболее сильно данный эффект проявляется для плотно упакованных частиц.
Показано, что при определенном расположении частиц в кластере становится возможным реализовать ФНС с параметрами, существенно лучшими, чем для изолированного тороида. Так, дифракционное взаимодействие полей от отдельных тороидов может существенно увеличить общую протяженность струи (случай плотно упакованных частиц). Кроме того, использование кластера частиц практически всегда, за исключением отдельных случаев, приводит к формированию ФНС с более высокими значениями пиковой интенсивности, что является принципиальным моментом при реализации ряда практических задач.
Изучены особенности формирования фотонной наноструи от однородных и многослойных сферических микрочастиц.
Обоснована научная значимость и актуальность планируемых теоретических исследований. Определены методы и подходы, оборудование для моделирования эффекта фотонных наноструй.
Исследованы параметры «фотонных наноструй», формирующихся в ближнем поле рассеяния оптического излучения на упорядоченных однослойных массивах диэлектрических микросфер.
Проведены теоретические исследования пространственно-локализованных ближнепольных световых структур («фотонных наноструй»), формирующихся при рассеянии лазерного излучения на метаповерхности в форме однослойной упорядоченной сборки диэлектрических микрочастиц (сфер, конусов), внедренных в прозрачную матрицу (силиконовую пленку). Путем решения уравнений Максвелла по методике вычислительной электродинамики (FDTD) проведен подробный анализ основных параметров локализованных световых структур (длина, ширина, пиковая интенсивность) в условиях взаимовлияния световых полей соседних микрочастиц. Установлено, что основными факторами, влияющими на исследуемые характеристики «фотонных наноструй», являются пространственная ориентация микроконусов, а также степень их заглубления в силиконовую матрицу. Показано, что ряд пространственных конфигурации конических микросборок позволяет создавать ансамбль «фотонных наноструй» со специфическими характеристиками, недостижимыми для изолированных микроконусов. Упорядоченные кластеры сферических частиц обладают преимуществом с точки зрения комплексной оценки параметров струй.
Проведены численные исследования ряда параметров фотонных наноструй, формирующихся в окрестности теневой поверхности диэлектрических сфер микронных размеров при рассеянии на них лазерного излучения. Рассмотрены продольный и поперечный размеры фотонного потока, его пиковая интенсивность в зависимости от размера частицы, поглощающей способности и оптического контраста ее материала. Проведено моделирование ФНС в композитных частицах, состоящих из ядра и оболочки с различными показателями преломления, при вариации толщины оболочки.
На основании проведенного анализа можно сделать следующие выводы с точки зрения возможных способов управления параметрами ФНС микронных частиц:
(а) при увеличении радиуса частиц в диапазоне a 0,5:10 мкм все исследуемые характеристики струи растут, причем ее радиус остается ниже дифракционного предела только для значений параметра дифракции частицы ха < 35;
(б) изменением показателя поглощения материала частицы возможно добиться уменьшения полуширины ФНС до субдифракционного значения даже для крупных частиц, однако при этом происходит существенное падение интенсивности в фотонном потоке;
(в) повышение относительного показателя преломления частицы (по отношению к окружающей среде) сопровождается сокращением характерной протяженности и ростом пиковой интенсивности фотонной струи, однако существует предельная величина оптического контраста nr & 1,7 , выше которой полуширина ФНС начинает превышать дифракционный предел по причине высокой угловой расходимости излучения после фокальной перетяжки;
(г) определенным подбором показателя преломления оболочки относительно ядра в двухслойных композитных сферических микрочастицах можно существенно удлинить формируемую ФНС (mJma > 1) или повысить ее пиковую интенсивность (mJma < 1), ширина фотонного потока при этом изменяется незначительно.
Изучены особенности формирования пространственной структуры ближнего поля рассеяния световой волны на одиночном диэлектрическом непоглощающем микротороиде, расположенном на полимерной подложке, а также на упорядоченном кластере микротороидов. Подробно исследованы характеристики «фотонных наноструй» - областей с высокой концентрацией оптического поля.
Установлено, что параметры ФНС (длина, ширина, максимум интенсивности) являются весьма чувствительными к пространственной конфигурации рассеивающей излучение частицы. Так, тороиды с радиусом внутреннего сечения R3»0.5+0.6R формируют пространственно локализованные, высокоинтенсивные световые потоки. Увеличение, либо уменьшение R3 приводит к неустойчивости исследуемых параметров, например, резкому увеличению длины ФНС, падению пиковой интенсивности.
Использование однослойного массива идентичных микротороидов меняет структуру ближнего поля рассеяния. Влияние соседних частиц при формировании ФНС связано с взаимной интерференцией оптических полей и, главным образом, проявляется в пульсациях интенсивности и длины фотонной струи, что приводит к пространственному «разрыву» ФНС на отдельные сегменты вдоль вектора распространения оптической волны при изменении периода кластерной решетки. Наиболее сильно данный эффект проявляется для плотно упакованных частиц.
Показано, что при определенном расположении частиц в кластере становится возможным реализовать ФНС с параметрами, существенно лучшими, чем для изолированного тороида. Так, дифракционное взаимодействие полей от отдельных тороидов может существенно увеличить общую протяженность струи (случай плотно упакованных частиц). Кроме того, использование кластера частиц практически всегда, за исключением отдельных случаев, приводит к формированию ФНС с более высокими значениями пиковой интенсивности, что является принципиальным моментом при реализации ряда практических задач.
