Введение 3
1 Изучение физических свойств и явлений в фотонных кристаллах и
метаматериалах 6
1.1 Параметры и свойства фотонных кристаллов. Причины возникновения
фотонных запрещенных и разрешенных зон 6
1.2 Виды дефектов в фотонных кристаллах 10
1.3 Метаматериалы. Основные понятия 12
1.4 Модель эффективной среды в приближении Максвелла-Гарнетта 15
2 Метод матриц распространения 18
3 Результаты моделирования оптических свойств одномерных фотонных
кристаллов 21
Заключение 31
Список литературы
Нанооптика - наука о распределении и взаимодействии света с веществом нанометровых размеров, которые во много раз меньше длины световой волны X. Нанооптика изучает линейные и нелинейные взаимодействия света с атомами, молекулами и наноструктурами [1]. Наиболее динамично развивающиеся области нанооптики - наноплазмоника, ближнеполевая оптическая микроскопия и исследование свойств фотонных кристаллов.
Фотонные кристаллы, впервые описанные в работе Э. Яблоновича [2], благодаря их уникальным свойствам, уже несколько десятилетий являются одними из особо изучаемых оптических наноструктур.
Фотонный кристалл - это упорядоченная система, в которой осуществляется периодическая модуляция диэлектрической проницаемости в одном, двух или трех направлениях на масштабах, сопоставимых с длиной волны света. Фотоны распространяются в фотонном кристалле аналогично тому, как распространяются электроны в обыкновенном кристалле.
К фотонным кристаллам применимо понятие фотонной запрещенной зоны - области, в которой запрещено распространение электромагнитного излучения с длиной волны, сравнимой с периодом структуры. Область возникает вследствие брэгговской дифракции электромагнитных волн на периодической структуре [3]. Фотонную запрещенную зону можно контролировать, меняя параметры в фотонном кристалле, описанные в разделе 1 главы 1.
Фотонные кристаллы - это в основном искусственно созданные материалы. Природные же не столь разнообразны и имеют малую научную ценность: драгоценные камни опалы [4], крылья африканских бабочек-парусников [5], перламутровое покрытие раковин моллюсков, морской мыши и щетинки многощетинкового червя.
Фотонные кристаллы благодаря своим свойствам широко применяются в качестве элементов для управления светом и в квантовых технологиях:
• оптические фильтры сигналов и поляризаторы;
• фотонно-кристаллических волокна, позволяющие локализовать свет в сердцевине волокна, на несколько порядков увеличить мощность вводимого излучения, создавать одномодовые волокна, а также уменьшить потери и нелинейные эффекты;
• фотонно-кристаллические линзы, обеспечивающие фокусировку излучения;
• среды с отрицательным показателем преломления;
• оптически запоминающих устройства [6, 7];
• фотонные сверхпроводники [8, 9], которые могут быть использованы в качестве оптических датчиков температуры и др.
Для практических и фундаментальных исследований, например, подавление спонтанной эмиссии [10], усиление эффектов квантовой интерференции [11], эффект изменения массы электрона [12], необходимы фотонные кристаллы с большим оптическим контрастом. В качестве такой среды можно использовать метаматериалы с ультравысоким показателем преломления [13, 14].
Интересны фотонные кристаллы с дефектами решетки, которые приводят к нарушению периодичности структуры, а также к высокой степени локализации электромагнитных волны на дефектах, что позволяет использовать нелинейные оптические эффекты [15-17].
Так как создание фотонных кристаллов сложная задача, сначала необходимо теоретически исследовать влияние изменения тех или иных параметров на фотонный кристалл.
Таким образом, целью данной работы является построение теоретической модели прохождения оптического излучения через одномерные фотонные кристаллы, содержащие различные дефекты.
В связи с этим ставятся следующие задачи:
• Построение спектров прохождения одномерных фотонных кристаллов, содержащих дефект инверсии;
• Построение спектров прохождения одномерных фотонных кристаллов, содержащих дефект инверсии и дефект внедрения - слой диэлектрика;
• Построение спектров прохождения одномерных фотонных кристаллов, содержащих дефект инверсии и дефект внедрения - слой нанокомпозита с металлическими наночастицами.
В данной работе методом матриц распространения была построена теоретическая модель прохождения оптического излучения через одномерные фотонные кристаллы, содержащие различные дефекты.
На основе этой модели были решены следующие задачи:
• Построены и изучены спектры прохождения одномерных фотонных кристаллов, содержащих дефект инверсии;
• Построены и изучены спектры прохождения одномерных фотонных кристаллов, содержащих дефект инверсии и дефект внедрения - слой диэлектрика;
• Построены и изучены спектры прохождения одномерных фотонных кристаллов, содержащих дефект инверсии и дефект внедрения - слой нанокомпозита с металлическими наночастицами.
Исходя из полученных данных могут быть даны рекомендации к изготовлению светофильтров и других оптических элементов на основе одномерных фотонных кристаллов.
