Тема: Компьютерное моделирование оптических спектров плазмонных частиц

В последнее время плазмоны привлекают все большее внимание в связи со своими уникальными свойствами и возможностью широкого применения. Плазмоника - это современное направление фотоники, которое занимается изучением физического явления (плазмона), представляющего собой квазичастицу, возникающую при взаимодействии света с металлом, состоящую из свободных электронов [1]. Важным при изучении плазмонов является исследование процесса распространения света на металлические структуры. Данный процесс для двухслойных (слоистых) плазмонов во многом зависит от длины падающей световой волны и зависящих от нее коэффициентов рассеяния и поглощения; параметров внутренней и внешней оболочки частицы (в нашем случае сфероида); толщины оболочки.
Наноплазмоника - составляющая часть оптики на нанометровых диапазонах [2]. Нанооптика - раздел оптики и нанотехнологии, в котором электромагнитное поле локализовано в пространстве много меньшем длины волны А. Наноплазмоника занимается изучением явления, связанного с колебаниями электронов проводимости в металлических наноструктурах и наночастицах и взаимодействием этих колебаний с фотонами, атомами и молекулами c целью создания сложных оптических наноустройств [3-5]. Особенность наноплазмоники заключается в том, что электромагнитные колебания обладают существенной пространственной локализацией и высокой частотой в оптической области, от инфракрасного (3-1011-4-1014Гц) до ультрафиолетового (7,5-1014—3-1016 Гц) диапазона.
Плазмонные частицы возникают, когда движущиеся электрические заряды начинают вести себя как плазмоподобные частицы. На поверхности металла или в металле создается плазмон, частота колебаний которого зависит от оптических свойств двух сред.
В данной работе в качестве металла будет рассмотрено серебро, являющееся благородным металлом, плазменная частота которого лежит в ультрафиолетовой области спектра. В видимом диапазоне данный металл будет отражать свет, так как частота падающей световой волны меньше плазмонной частоты металла. Именно поэтому, в работе будет представлять интерес и значимость взаимодействие света и металла при коротких длинах волн (200-300 нм).
Благодаря своей уникальности плазмоны изучаются во многих областях, таких как: наносенсоры, квантовая оптика, медицина и многое другое. [4-5].
В последнее десятилетие для того, чтобы проводить более точные исследования и получать более качественные результаты, были разработаны инструменты теоретического и численного моделирования, позволяющие лучше понять оптические свойства плазмонных систем [6].
Актуальность темы обусловлена тем, что на сегодняшний день существует множество подходов и доступных технологий для изучения наноструктур различной геометрии. Наличие мощных вычислительных ресурсов обеспечивают возможность более точного моделирования объектов на нанометровых масштабах. В данной работе показано, что SVM-метод, основанный на разложении полей падающей и рассеянной волны по сфероидальному базису может быть применен к таким физическим объектам как плазмонов, лежащих в основе развиваемой в настоящее время наноплазмоники.
Целью выпускной квалификационной работы является компьютерное моделирование оптических спектров плазмонных частиц, имеющих форму двухслойных несофоркусных сфероидов. В работе используется программирование на языке Python.
Исходя из цели исследования, в работе решаются следующие задачи:
— Ознакомление с понятием плазмона, его видами, характеристиками и свойствами.
— Ознакомление с различными методами и подходами для рассмотрения задачи светорассеяния.
— Выбор наиболее подходящего метод для решение электростатической задачи светорассеяния двухслойными несофокусными сфероидами.
— Решение задачи с использованием сфероидального базиса.
— Определение основных параметров и используемых материалов для ядра и оболочки сфероидальной частицы.
— Компьютерное моделирование сечений рассеяния и поглощения плазмонных частиц, имеющих форму двухслойных несофокусных сфероидов.
Объектом исследования являются двухслойные неконфокальные сфероидальные плазмонные частицы. Предметом изучения является моделирование оптических свойств частиц такого вида.
Методами исследования являются численно-аналитический SVM-метод для решения задачи светорассеяния, на основе которого можно провести расчеты, задав необходимые формулы в программе и вычислительный аппарат, позволяющий быстро и с высокой точностью получить необходимые графики зависимостей, построенные на основании полученных данных.
Полученные в данной работе результаты качественно согласуются с результатами, приведенными университетом ИТМО [7].
Теоретическая значимость работы заключается в использовании наиболее подходящего метода для решения задачи возбуждения плазмонных колебаний в двухслойных несофокусных сфероидах.
Практическая значимость заключается в том, что теоретические результаты, полученные в настоящей работе, могут быть использованы для практических построений нанотехнологий.
Научной новизной является использование сфероидального базиса при описании светорассеяния и моделировании плазмонных частиц в металле.
Подводя итоги, отметим, что в данной работе опираясь на изученные понятия наноплазмоники, рассматриваются эффекты объемных плазмонов при существовании двух сред, а также описываются теоретические методы светорассеяния и решается задача моделирования с использованием сфероидального базиса для описания многослойных сфероидов.

Купить

В ходе данной выпускной квалификационной работы были рассмотрены различные подходы моделирования светорассеяния двухслойными неконфокальными (несофокусными) сфероидами, из которых был выбран метод, основанный на разложении полей падающей и рассеянной волны по сфероидальному базису и максимально учитывающий геометрию частицы.
Была разработана программа на языке программирования Python, позволяющая вычислить сечения рассеяния и поглощения для различных двухслойных сфероидов, состоящих из металлического ядра и диэлектрической оболочки, и наоборот из диэлектрического ядра и металлической оболочки. Полученные в работе зависимости (графики) демонстрируют существование плазмонных резонансов в сечениях рассеяния и поглощения при длинах волн, находящихся в ультрафиолетовой части спектра. Удалось сделать выводы о том, как зависят резонансы от толщины оболочки (диэлектрической и металлической).
Помимо этого, были получены результаты, учитывающие форму вытянутого сфероида и показывающие, как изменяется резонанс при одной и той же толщине оболочки, но разных длинах малой оси.
Таким образом задание на выполнение выпускной квалификационной работы по направлению «Прикладная информатика» (09.03.03) выполнено полностью.

Купить