📄Работа №33501

Тема: Гибридные плазмон-фотонные кристаллы

📝
Тип работы Контрольные работы
📚
Предмет физика
📄
Объем: 40 листов
📅
Год: 2019
👁️
Просмотров: 726
Не подходит эта работа?
Закажите новую по вашим требованиям
Узнать цену на написание
ℹ️ Настоящий учебно-методический информационный материал размещён в ознакомительных и исследовательских целях и представляет собой пример учебного исследования. Не является готовым научным трудом и требует самостоятельной переработки.

📋 Содержание

Введение 2
1. Обзор литературы 5
1.1 Фотонные кристаллы 5
1.2 Гибридные плазмон-фотонные кристаллы (ГПФК) 9
1.3 Метод конечных разностей (FDTD) 18
2. Расчетная часть 21
2.1 Изучение спектральных характеристик традиционных оптических
состояний в одномерных гибридных плазмон-фотонных кристаллов 21
2.2 Исследование возможности возбуждения в трехмерных опалоподобных
ГПФК традиционных оптических таммовских состояний - таммовских плазмонов. 30
Результаты и выводы 33
Список литературы 34

📖 Введение

Идея фотонного кристалла возникла еще в работе лорда Рэлея опубликованной в 1888 году [1], однако свое развитие она получила только в 20 веке. В 1946 году американский физик Эдуард Миллс Парселл показал, что вероятность испускания света в резонаторе гораздо больше скорости спонтанного излучения в свободном пространстве[2].
Оптический резонатор, рассмотренный Парселлем представляет собой полость, имеющую размеры, сопоставимые с длинной волны света. А материал стенок, окружающих полость, почти полностью отражает падающее на него излучение (запрещает распространение излучения), в определенном диапазоне длин волн. Излучение, частоты которого принадлежат, этой области спектра, оказывается как бы заключенным внутри полости резонатора. Важной характеристикой данной модели является добротность - эта величина, показывающая отношение энергии сохраненной внутри полости, относительно энергии потерь, за одно прохождение света в резонаторе. От этого зависит величина интенсивности излучения. С этой статьи фактически и началось развитие идеи управления спонтанным излучением атомов.
В 1972 году российским физиком В.П. Быковым была предложена структура резонатора, в которой стенки, ограничивающие полость состояли из многослойных пленок с периодическим изменением показателя преломления [3] - в сущности одномерный фотонный кристалл. Однако в такой структуре свет запирается лишь при нормальном его падении относительно поверхности пленок. Если направление падения электромагнитной волны будет под другим углом, то и внутри структуры она будет распространяться наклонно. В следствие чего частота излучения, попадающая в запрещенный диапазон при нормальном падении сможет проходить по кристаллу. Если свет не оказывается заперт внутри по всем
направлениям, то спонтанное излучение атома возможна на любой частоте.
2
Дальнейшее развитие эта тема получила в работах [4] Э. Яблоновича и
[5] С.Джона, в них были предложены структуры, ограничивающие свет в двух и трех направлениях пространства. Именно тогда и появился, ныне общеупотребительный термин “фотонный кристалл”.
На сегодняшний день фотонные кристаллы (ФК), то есть оптические материалы с периодической структурой диэлектрической проницаемости в масштабе длины волны, а также наноструктуры благородных металлов с плазмонной функциональностью, приобретают все больший интерес. Периодичность структуры фотонного кристалла приводит к сильной модификации электромагнитного поля, которая проявляется в новых квантовых электродинамических эффектах [6-8] Гибридные плазмон- фотонные кристаллы имеют различные функции и являются одной из передовых фотонных структур, позволяют возбуждать локализованные, поверхностные и таммоновские плазмоны. Гибридные плазмон-фотонные кристаллы используются в интегральных фотонных схемах [9,10], для усиления флуоресценции [11], и для усиления комбинационного рассеяния света [12], а также в инновационных технологических приложениях, в оптоэлектронике, использующей усиление и ограничение ближнего поля - например в датчиках [13], биосенсорах [14], в микрорезонаторах с электрической накачкой, поляритонных лазерах [15], органических светодиодах белого света [16], оптических фильтрах [17], органических солнечных элементах.

Возникли сложности?

Нужна качественная помощь преподавателя?

👨‍🎓 Помощь в написании

✅ Заключение

Проведено моделирование прохождения света через 1D
гибридный фотон-плазмонный кристалл методом FDTD
2. Получена зависимость пика пропускания спектров пропускания
1D ГФПК от углах падения света и толщины буферного слоя.
3. Проведено моделирование прохождения света через 3D
гибридный фотон-плазмонный кристалл методом FDTD
4. Получены спектры пропускания 3D ГФПК с наличием пика
пропускания, как следствие возбуждения таммовского состояния при sи p-поляризациях
Из результатов проделанной работы можно заключить следующие
выводы:
❖ Оптические свойства 1D ГФПК качественно не зависят от
материала буферного слоя, что позволит при моделировании
трехмерных структур в первом приближении пренебречь материалом
буферного слоя. Добавление буферного слоя к 3D структурам
увеличивает интенсивность пика пропускания оптического
таммовского состояния.
❖ Традиционную таммовскую плазмонную моду можно возбудить
в трехмерных ГПФК на основе опалоподобных ФК. Главное условие
возбуждения – ровная поверхность металла. Такие структуры могут
быть использованы в сенсорах.Сохраняется пористость структуры, а
ширина диапазона длин волн пика уменьшается в четыре раза, таким
образом, может быть повышена чувствительность сенсора. Так же
ровная поверхность позволяет наносить структуры на ГФПК.
Нужна своя уникальная работа?
Срочная разработка под ваши требования
Рассчитать стоимость
ИЛИ

📕 Список литературы

Rayleigh L. XXVI. On the remarkable phenomenon of crystalline
reflexion described by Prof. Stokes //The London, Edinburgh, and
Dublin Philosophical Magazine and Journal of Science. – 1888. – Т.
26. – №. 160. – С. 256-265.
2. Purcell E. M. Spontaneous emission probabilities at radio frequencies
//Confined Electrons and Photons. – Springer, Boston, MA, 1995. –
С. 839-839.
3. Быков В. П. Спонтанное излучение в периодической структуре
//ЖЭТФ. – 1972. – Т. 62. – №. 2. – С. 505.
4. Yablonovitch, E. Inhibited spontaneous emission in solid-state
physics and Electronics / E. Yablonovitch // Phys. Rev. Lett. - 1987. -
V. 58, N. 20. - P. 2059- 2062.
5. John, S. Strong localization of photons in certain disordered dielectric
superlattices / S. John // Phys. Rev. Lett. - 1987. - V. 58, N. 23. - P.
2486-2489.
6. Gainutdinov R. K., Khamadeev M. A., Salakhov M. K. Electron rest
mass and energy levels of atoms in the photonic crystal medium
//Physical Review A. – 2012. – Т. 85. – №. 5. – С. 053836.
7. Gainutdinov R. K., Khamadeev M. A., Salakhov M. K. Electron rest
mass and line spectrum of atoms in the photonic crystal medium
//Journal of Physics: Conference Series. – IOP Publishing, 2013. – Т.
478. – №. 1. – С. 012017.
8. Akhmadeev A. A. et al. Energy shift experiment in photonic crystal
medium //Journal of Physics: Conference Series. – IOP Publishing,
2015. – Т. 613. – №. 1. – С. 012005.35
9. Ding B. et al. Three-dimensional photonic crystals with an active
surface: Gold film terminated opals //Physical Review B. – 2010. – Т.
82. – №. 3. – С. 035119.
10. Korovin A. V., Romanov S. G. Unconventional optical Tamm states
in metal-terminated three-dimensional photonic crystals //Physical
Review B. – 2016. – Т. 93. – №. 11. – С. 115440.
11. Chen G. et al. Fluorescence Enhancement on Large Area Self‐
Assembled Plasmonic‐ 3D Photonic Crystals //Small. – 2017. – Т. 13.
– №. 9. – С. 1602612
12. Tsvetkov M. Y. et al. SERS substrates formed by gold nanorods
deposited on colloidal silica films //Nanoscale research letters. –
2013. – Т. 8. – №. 1. – С. 250.
13. Escorcia-Garcia, J. Optical properties of cantor nanostructures made
from porous silicon: A sensing application / J. Escorcia-Garcia, L.M.
Gaggero-Sager, A.G. Palestino-Escobedo, V. Agarwal // Photonics
and Nanostructures - Fundamentals and Applications. - 2012. - V. 10.
- P. 452-458.
14. Threm, D. Photonic crystal biosensors towards on-chip integration /
D. Threm, Y. Nazirizadeh, M. Gerken // J. Biophotonics. - 2012. - P.
1-16.
15. Khanal, S. Terahertz plasmonic laser radiating in an ultra-narrow
beam / S. Khanal // Optica. - 2016. - V. 3, N. 7. - P. 734-740.
16. Brückner R. et al. Hybrid optical Tamm states in a planar dielectric
microcavity //Physical Review B. – 2011. – Т. 83. – №. 3. – С.
033405.
17. Tibulea, S. Reflection and transmission guided-mode resonance filters
/ S. Tibulea, R. Magnusson // J. Opt. Soc. Am. A. - 1997. - V. 14, N.
7. - P. 1617-1626.36
18. Zhang, X.-L. Optical Tamm state enhanced broad-band absorption of
organic solar cells / X.-L. Zhang, J.-F. Song, X.-B. Li, J. Feng, H.-B.
Sun // Appl. Phys. Lett. - 2012. - V. 101. - P. 243901-(1-5).
19. Wu L. et al. Optical functional materials inspired by biology
//Advanced Optical Materials. – 2016. – Т. 4. – №. 2. – С. 195-224.
20. Соловьев В. Г. Оптические свойства фотонных кристаллов и
гибридных металлодиэлектрических структур на основе опалов.
– 2016.
21. Woldeyohannes M., John S. Coherent control of spontaneous
emission near a photonic band edge //Journal of Optics B: Quantum
and Semiclassical Optics. – 2003. – Т. 5. – №. 2. – С. R43.
22. López C. Materials aspects of photonic crystals //Advanced Materials.
– 2003. – Т. 15. – №. 20. – С. 1679-1704.
23. Joannopoulos J. D. et al. Molding the flow of light //Princeton Univ.
Press, Princeton, NJ [ua]. – 2008.
24. Sanders J. V., Murray M. J. Ordered arrangements of spheres of two
different sizes in opal //Nature. – 1978. – Т. 275. – №. 5677. – С. 201.
25. Белотелов, В.И. / В.И. Белотелов, А.К. Звездин. - Фотонные
кристаллы и другие метаматериалы.- М.: Бюро Квантум, 2006. -
144 с.
26. Arshak K. et al. Negative resist image by dry etching as a surface
imaging process using focused ion beams //Journal of Vacuum
Science & Technology B: Microelectronics and Nanometer Structures
Processing, Measurement, and Phenomena. – 2004. – Т. 22. – №. 1. –
С. 189-195.
27. Jugessur A. S., Pottier P., De La Rue R. M. Engineering the filter
response of photonic crystal microcavity filters //Optics Express. –
2004. – Т. 12. – №. 7. – С. 1304-1312.37
28. Lutkenhaus J. et al. Holographic formation of compound photonic
crystal and nano-antenna templates through laser interference
//Journal of Applied Physics. – 2013. – Т. 113. – №. 10. – С. 103103.
29. Vlasov Y. A. et al. On-chip natural assembly of silicon photonic
bandgap crystals //Nature. – 2001. – Т. 414. – №. 6861. – С. 289.
30. Joannopoulos J. D., Villeneuve P. R., Fan S. Photonic crystals:
putting a new twist on light //Nature. – 1997. – Т. 386. – №. 6621. –
С. 143.
31. Khokhar A. Z., De La Rue R. M., Johnson N. P. Modified emission of
semiconductor nano-dots in three-dimensional photonic crystals //IET
Circuits, Devices & Systems. – 2007. – Т. 1. – №. 3. – С. 210-214.
32. Ozin G. A., Arsenault A. Nanochemistry: a chemical approach to
nanomaterials. – Royal Society of Chemistry, 2015.
33. Smith D. R., Pendry J. B., Wiltshire M. C. K. Metamaterials and
negative refractive index //Science. – 2004. – Т. 305. – №. 5685. – С.
788-792.
34. Stein A., Wilson B. E., Rudisill S. G. Design and functionality of
colloidal-crystal-templated materials—chemical applications of
inverse opals //Chemical Society Reviews. – 2013. – Т. 42. – №. 7. –
С. 2763-2803.
35. Romanov S. G. et al. Hybrid Colloidal Plasmonic‐ Photonic Crystals
//Advanced Materials. – 2011. – Т. 23. – №. 22‐ 23. – С. 2515-2533.
36. Zhou W., Gao H., Odom T. W. Toward broadband plasmonics: tuning
dispersion in rhombic plasmonic crystals //Acs Nano. – 2010. – Т. 4.
– №. 2. – С. 1241-1247.
37. Tao A. R. et al. Self-organized silver nanoparticles for threedimensional plasmonic crystals //Nano letters. – 2008. – Т. 8. – №.
11. – С. 4033-4038.38
38. Kaliteevski M. et al. Tamm plasmon-polaritons: Possible
electromagnetic states at the interface of a metal and a dielectric
Bragg mirror //Physical Review B. – 2007. – Т. 76. – №. 16. – С.
165415.
39. Sasin M. E. et al. Tamm plasmon-polaritons: First experimental
observation //Superlattices and Microstructures. – 2010. – Т. 47. – №.
1. – С. 44-49.
40. Landau L. D. et al. Electrodynamics of continuous media. – elsevier,
2013. – Т. 8.
41. Yeh P., Yariv A., Cho A. Y. Optical surface waves in periodic layered
media //Applied Physics Letters. – 1978. – Т. 32. – №. 2. – С. 104-
105.
42. Wang Z. B. et al. Visible transmission through metal-coated colloidal
crystals //Applied Physics A. – 2009. – Т. 97. – №. 1. – С. 225-228.
43. Ohno H. et al. Observation of ‘‘Tamm states’’in superlattices
//Physical review letters. – 1990. – Т. 64. – №. 21. – С. 2555.
44. Vinogradov A. P. et al. Surface states in photonic crystals //PhysicsUspekhi. – 2010. – Т. 53. – №. 3. – С. 243.
45. Chestnov I. Y. et al. One-dimensional Tamm plasmons: Spatial
confinement, propagation, and polarization properties //Physical
Review B. – 2017. – Т. 96. – №. 24. – С. 245309.
46. Symonds C. et al. Confined Tamm plasmon lasers //Nano letters. –
2013. – Т. 13. – №. 7. – С. 3179-3184.
47. Gwo S., Shih C. K. Semiconductor plasmonic nanolasers: current
status and perspectives //Reports on Progress in Physics. – 2016. – Т.
79. – №. 8. – С. 086501.
48. Скубачевский А. А., Хохлов Н. И. Численное решение уравнений
Максвелла для моделирования распространения39
электромагнитных волн //Труды Московского физикотехнического института. – 2016. – Т. 8. – №. 3 (31).

🛒 Оформить заказ

Работу высылаем в течении 5 минут после оплаты.

©2026 Cервис помощи студентам в выполнении работ