ВВЕДЕНИЕ 3
ГЛАВА 1 ГИБРИДНЫЕ СТРУКТУРЫ В РАЗЛИЧНЫХ ПРИЛОЖЕНИЯХ. 6
1.1 Свойства гибридных плазмон-фотонных кристаллов и их применение 6
1.2 Свойства гибридных частиц и их применение 11
1.3 Метод конечных разностей во временной области 14
ГЛАВА 2. ЧИСЛЕННЫЙ РАСЧЕТ СПЕКТРОВ ПРОПУСКАНИЯ СВЕТА ЧЕРЕЗ ОДНОМЕРНЫЙ ГИБРИДНЫЙ ПЛАЗМОН-ФОТОННЫЙ КРИСТАЛЛ 20
2.1 Условия и параметры моделирования 20
2.2 Зависимость оптических свойств 20одномерного гибридного плазмон-фотонного кристалла от толщины золотого слоя 22
2.3 Зависимость оптических свойств одномерного гибридного плазмон- фотонного кристалла от толщины буферного слоя 23
2.4 Зависимость оптических свойств одномерного гибридного плазмон- фотонного кристалла от показателя преломления буферного слоя 29
2.5 Выводы 30
ГЛАВА 3. ЧИСЛЕННЫЙ РАСЧЕТ ПОРИСТОСТИ ЧАСТИЦ 31
3.1 Фотометрический метод определения пористости частиц 31
3.2 Условия и параметры моделирования 35
3.3 Зависимость пропускания света частицы от показателя преломления 37 среды
3.4 Выводы 40
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 41
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 43
Актуальность работы заключается в создании совершенно новых фотонно-кристаллических структур и полному их изучению, все это необходимо для того, чтобы в дальнейшем реализовать их в практических устройствах фотоники. За последние годы, огромное количество исследований, были заинтересованы прежде всего на изучение уникальных оптических свойств фотонно-кристаллических структур, а также взаимодействие, влияющее на их материальную структуру. В нашей работе исследуются актуальные вопросы, такие как влияние функциональных материалов при сочетании с фотонно-кристалическими структурами, и их взаимодействие в перспективных композитных фотонно-кристаллических структурах.
Большой интерес представляют пористые частицы. Поэтому наш интерес привлек пористый кремний, так как на сегодняшний день он является наиболее активно используемым материалом (наноматериалом), потому что его структура представляет собой кремний, который пронизан развитой сетью полых пор [1]. Пористый кремний обладает огромным количеством уникальных свойств, которые нехарактерны для объемной структуры Si (кремний). Одной из главных особенностей пористого кремния является то, что он является материалом не биологическим происхождения. За счет этой особенности он без проблем может взаимодействовать с биологическими системами, поэтому кристалл пористого кремния является биосовместимым материалом [2 - 3]. Таким образом, данное свойство можно применить в биомедицине для переноса лекарств и питательных веществ [4 - 5]. Одним наиболее интересным применением частиц диоксида кремния является создание фотонных кристаллов на их основе.
Фотонный кристалл — это материал с диэлектрической проницаемостью, периодически меняющейся в пространстве, и период, которого допускает брэгговскую дифракцию света. Главным отличием фотонных кристаллов является наличие у них фотонной запрещенной зоны. Одним из популярных методов создания фотонных кристаллов, на сегодняшний день является метод само-сборки. В процессе создания ФК данным методом, микрочастицы диоксида кремния образуют плотноупакованную структуру, которую часто называют синтетическим опалом. Данные структуры состоят из плотноупакованных микрочастиц. Таким образом, частицы, образующиеся в результате синтеза, имеют разное количество пор.
Огромный интерес на сегодняшний день вызывают таммовские плазмон поляритоны (ТПП). Подобного рода интерес связан с их потенциальным применением в новых типах лазеров [6] и высокочувствительных датчиках [7 - 9]. Таммовские плазмоны имеют ряд преимуществ по сравнению с другими плазмонными модами. ТПП может быть получен путем прямого оптического возбуждения и может существовать как в TE, так и в ТМ-поляризациях. ГГПП характеризуется пиком пропускания в фотонной запрещенной зоне спектра пропускания [10 - 11]. Фотонная запрещенная зона - это частотное окно, в котором распространение света через кристалл затруднено [12]. Пик ТПП появляется из-за сосредоточения электромагнитного поля в резонаторе Фабри-Перо, где фотонный кристалл и металл являются зеркалами резонатора [10].
Таммовские плазмон поляритоны были предсказаны теоретически в 2007 году [10]. Впервые экспериментально наблюдались в 2010 году в одномерном плазмон- фотонных кристаллах в виде пика пропускания в запрещенной зоне фотона[11]. Так же в 2010 году был предложен способ как можно использовать Таммовские- плазмон-экситон-поляритонные моды в экситон-поляритонных интегральных схемах [13]. ТПП находят применение в генерации второй и третьей гармоник [14 - 15], флуоресценции, рефрактометрии и в поглощение света внутри-резонаторными металлическими слоями в микрополости позволяющей возбуждение таммовских плазмонов.
Добавление буферного слоя позволяет управлять вкладом компонент в гибридную моду и тем самым, изменять оптические свойства. Таким образом, можно подобрать ГФПК с определёнными параметрами буферного слоя для решения различных задач фотоники, например, при разработке оптических интегральных фотонных схем, биосенсоров и резонаторов для сильного взаимодействия света с веществом, в спонтанном параметрическом рассеянии света[16].
Целью данной работы является разработка методов управления оптическим откликом спектральных свойств гибридных плазмон-фотонных кристаллов и пористых фотонно-кристаллических структурах.
Задачи:
1. Моделирование распространения света в одномерном ФК, покрытым слоем металла. Анализ спектральных особенностей ПФК.
2. Моделирование распространения света в одномерном ПФК, содержащего буферный слой между ФК и слоем металла.
3. Моделирование распространения света в пористой фотонно-кристаллической структуре.
Основные результаты и выводы:
1. Выполнено моделирование прохождения света через одномерный ГПФК и через пористую фотонно-кристаллическую структуру методом конечных разностей во временной области.
2. На основе результатов моделирования были выявлены зависимости длины волны и интенсивности пика пропускания в диапазон длин волн ЗЗ от показателя преломления и толщины буферного слоя.
3. Найден эффективный показатель преломления пористой фотоннокристаллической структуры n-1,417 ± 0,020.
4. Рассчитана пористость структуры: 20,3 ± 0,3 %.
С помощью варьирования показателя преломления и толщины буферного слоя, можно менять длину волны пика пропускания в пределах связанной с ним запрещенной зоны. Предполагается, что буферный слой можно использовать для управления оптическим откликом 1М ГФПК. Модель пористой структуры как эффективной среды является достоверной. Предполагается, что дальнейшим шагом является моделирование пористых ГПФК для увеличения функциональности сенсоров и активных сред.
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
