Вплив ефектів ближнього поля на оптичні властивості нано-систем

У випадку поперечної накачки плоскою електромагнітною хвилею, досліджено поведінку інтенсивності поверхневого плазмон-поляритону для різних концентрацій молекул барвника та часів життя молекул (Рис. 12). Зменшення концентрації молекул призводить до зменшення загальної кількості переходів, в тому числі і з вимушеним випромінюванням. А збільшення часу життя призводить до зменшення квадрату модуля матричного елементу дипольного переходу. В результаті чого, ефект підсилення зникає, як це видно на Рис. 12. Для концентрації молекул і часу життя система перебуває в експоненційному режимі, тобто підсилення за рахунок вимушених переходів переважає затухання поверхневої хвилі. Зменшення концентрації молекул до і збільшення часу життя до призводить до переходу в режим звичайного підсилення, при якому зростає довжина вільного пробігу поверхневого плазмон-поляритону. Подальше зменшення концентрації молекул веде до подавлення підсилення. Подальші обчислення були проведені для концентрації .

На Рис 13 представлено залежність інтенсивності поверхневого плазмон-поляритону від координати для різних потужностей накачки. Порівняно з кривою, яка відповідає інтенсивності поверхневої хвилі на вільній поверхні, накачка призводить до появи вимушеного випромінювання і перекачки енергії в поверхневу хвилю. Таким чином, збільшується довжина вільного пробігу плазмон-поляритону. Збільшення інтенсивності накачки призводить до поступового зростання кількості збуджених молекул, та до збільшення енергії що перекачується в хвилю. Коли енергія вимушеного випромінювання молекул починає перевищувати втрати - інтенсивність починає зростати експоненційно (Рис 13, крива 4).

Дослідимо як змінюється спектр поверхневої хвилі при взаємодії з шаром молекул. Нехай початковий спектр має форму гаусової лінії з центральною частотою, яка відповідає довжині хвилі світла у вакуумі з шириною більшою за ширину ліній поглинання і люмінесценції . На Рис. 14 представлено спектр поверхневого плазмон-поляритону на відстані від початкової точки збудження, для різних потужностей імпульсу накачки. Видно, що взаємодія поверхневої хвилі та молекул барвника призводить до суттєвого звуження спектрів поглинання. Крім того, збільшення потужності накачки призводить до подальшого звуження спектру поверхневої хвилі. Це можна пояснити тим, що більш ефективно підсилюються частоти близькі до резонансної частоти переходу.

Схема поздовжньої накачки може бути реалізована, якщо у ролі збуджуючого імпульсу молекул барвника використати іншу поверхневу хвилю. На Рис. 15 представлено залежність відносної інтенсивності поверхневої хвилі від координати для вільної поверхні та поверхні з частинками при різних інтенсивностях імпульсу поздовжньої накачки. Оскільки поздовжня накачка створює неоднорідний розподіл збуджених молекул вздовж осі х, видно, що існує дві області, в першій з яких перекачування енергії за рахунок вимушеного випромінювання переважає втрати в системі, а в другій, коли концентрація збуджених молекул зменшується, втрати виходять на перше місце і хвиля затухає. Таким чином, результуюча інтенсивність поверхневої хвилі залежить від координати немонотонно та існує критична довжина пробігу, коли підсилення максимальне.

У Висновках підсумовано основні результати роботи та:

1. Базуючись на ідеї експериментального визначення законів дисперсії, запропоновано теоретичний метод визначення власних електромагнітних збуджень в нано-системах. Цей метод основується на використанні інтегральних характеристик системи які, можуть вимірюватись експериментально, наприклад, спектрів поглинання, відбиття або пропускання. Локальне електромагнітне поле обчислюється за допомогою самоузгодженого рівняння Ліппманна-Швінгера, яке визначає розв'язок рівнянь Максвелла в методі функції Гріна. Показано, що на відстанях менших за довжину хвилі зондуючого поля, основну роль відіграє ближнє поле та ближньопольові взаємодії. Розв'язок рівняння Ліппманна-Швінгера можна записати через ефективну сприйнятливість системи, яка задає зв'язок між зовнішнім та повним локальним полем, за її допомогою можна обчислити необхідні оптичні характеристики і визначити закони дисперсії.

2. Записано ефективну сприйнятливість окремої мезо-частинки, на основі якої представлено метод отримання дисипативної функції системи. На основі розвинутого методу ефективної сприйнятливості обчислено спектри поглинання частинок у формі еліпсоїдів обертання та паралелепіпедів, а також досліджено плив взаємодії на оптичні властивості двох однакових сферичних частинок, і показано, що запропонований підхід повністю узгоджується з попередніми теоретичними та експериментальними дослідженнями оптичних властивостей нано-частинок.

3. Досліджено спектри поглинання при квантової точки взаємодії з мезочастинкою зі статичною та резонансною сприйнятливістю. В першому випадку взаємодія призводить до зсуву спектру поглинання та до зміни інтенсивності поглинання. Тоді як в резонансному випадку взаємодія призводить до розщеплення спектрів поглинання. Розщеплення залежить від різниці між частотою переходу квантової точки та резонансом мезочастинки - має мінімальне значення коли частоти однакові і збільшується при розстроюванні частот. Показано, що отриманий ефект відповідає Рабі розщепленню.

4. При дослідженні взаємодії поверхневих плазмон-поляритонів з моношаровим покриттям, що складається з нано-частинок у формі еліпсоїдів обертання на поверхні металічної підкладинки показано:

- за рахунок взаємодії з частинками в системі можливе збудження s-поляризованих поверхневих хвиль

- взаємодія р-поляризованої поверхневої хвилі з частинками призводить до розщеплення закону дисперсії поверхневого плазмон-поляритону для вільної поверхні за рахунок взаємодії з поляризованістю частинок в різних напрямках.

- закони дисперсії принципово залежать від форми, концентрації та властивостей частинок.

5. Продемонстровано можливість підсилення поверхневих плазмон-поляритонів в тришаровій планарній структурі з постійним електричним струмом. Ефект підсилення досягається за рахунок перекачування енергії від плазмових коливань, які живляться постійним електричним струмом, до плазмон-поляритонів, які мають електромагнітну природу. Показано, що точку фазового синхронізму можна перенести в область малих хвильових векторів використовуючи періодичну структуру розсіювачів.

6. Запропоновано теорію, яка дозволяє описувати підсилення поверхневих плазмон-поляритонів вимушеним випромінюванням за рахунок взаємодії з активним середовищем. Проаналізовано параметри частинок, які впливають на ефективність підсилення поверхневої хвилі.

7. На основі отриманих виразів досліджено ефект підсилення у випадку взаємодії хвилі з молекулами барвника родаміну 6Ж. Досліджено випадки поперечної та поздовжньої накачки. Розраховано залежність інтенсивності для різних концентрацій барвника та вибрано оптимальну, при якій спостерігається найбільше підсилення. Досліджено перехід між різними режимами підсилення та зміну спектру поверхневої хвилі для різних потужностей імпульсу накачки. У випадку поздовжньої накачки, показано, що, в наслідок неоднорідного розподілу збуджених молекул на поверхні, існує критична довжина пробігу поверхневої хвилі, коли підсилення буде максимальним.

Цитована література

1. Ajayan P.M., Schadler L.S., Braun P.V. Nanocomposite Science and Technology. - Weinheim: WILEY-VCH Verlag GmbH Co, 2003.

2. Willner I., Willner B. Functional nanoparticle architectures for sensoric, optoelectronic, and bioelectronic applications// Pure Appl. Chem. - 2002. - Vol. 74. - P. 1773-1783.

3. Keller O. Local Fields in Electrodynamics of Mesoscopic Media// Phys. Rep. - 1996. - Vol. 268. - P. 85-262.

4. Lozovski V. The effective susceptibility concept in the electrodynamics of nano-systems// J. Comput. Theor. Nanosci. - 2010. - Vol. 7 - P. 2077- 2093.

5. Bohren C.F. and Huffman D.R. Absorption and Scattering of Light by Small Particles - New York: Wiley, 1983.

6. Ruppin R. Optical properties of small metal spheres// Phys. Rev. B -1975. - Vol. 11. - P. 2871-2876.

7. Fuchs R. Theory of the optical properties of ionic crystal cubes// Phys. Rev. B - 1975. - Vol. 11 - P. 1732-1740.

8. Rechberger W., Hohenau A., Leitner A., Krenn J. R., Lamprecht B. and Aussenegg F. R. Optical properties of two interacting gold nanoparticles// Opt. Comm. - 2003. - Vol. 220. - P. 137-141.

9. Berman P. Cavity Quantum Electrodynamics San Diego: Academic, 1994.

10. Chegel V., Chegel Yu., Guiver M.D., Lopatynskyia A., Lopatynska O., Lozovski V. 3D-quantification of biomolecular covers using surface plasmon-polariton resonance experiment// Sensors and Actuators B - 2008. - Vol. 134. - P. 66-71.

11. Гецко О.М., Крюченко С.В., Лозовский В.З., Снитко О.В. Об усилении волноводных поляритонов при протекании постоянного электрического тока через полупроводниковую пленку // ЖТФ. - 1988. - T.58, №9. - Ст. 1775-1779.

Список опублікованих праць за матеріалами дисертації

1. Lozovski V., Tsykhonya A. Dispersion properties of nano-scale systems // International Journal of Theoretical Physics, Group Theory and Nonlinear Optics. - 2008. - Vol. 3. - P. 177 - 197.

2. Lozovski V., Rudavskyi A., Tsykhonya A. Possibility of amplification of surface plasmon-polaritons by DC in the system with 2D photonic crystal // Proceedings SPIE. - 2008. - Vol. 6988. - P. 69881M -10

3. Chegel V., Demidenko Yu., Lozovski V., Tsykhonya A. Influence of the shape of the particles covering the metal surface on the dispersion relations of surface plasmons // Surface Science. - 2008. - Vol. 602. - P. 1540-1547.

4. Schrader S., Lozovski V., Tsykhonya A. Possibility of surface plasmon-polaritons amplification by direct current in two-interface systems with 2D Bragg structure on the surface // Optics Communications. - 2009. - Vol. 282. - P. 3257- 3266.

5. Lozovski V., Tsykhonya A. Electrodynamic interactions between a mesoparticle and a quantum dot // Journal of the Optical Society of America B. - 2011. - Vol. 28. - P. 365 - 372.

6. Lozovski V., Tsykhonya A. The dispersion properties of dilute systems of nano-particles // Proceedings of 6-th International Young Scientists Conference Problems of Optics and High Techonology Material Science SPO 2005, Kyiv, Ukraine, 27-30 October, 2005, P. 48.

7. Lozovski V., Tsykhonya A. The dispersion properties of the systems os nano-particles // Proc. of the 6-th Internat. Young. Scientists Conf. on Appl. Phys. Kyiv. June, 14-16, 2006, p.114.

8. Lozovski V., Tsykhonya A. The spectral properties of nano-particles // Trends in nanoscience-2007" abstracts, Kloster Irsee, Germany, Febr. 24-28, 2007, P71.

9. Lozovski V., Rudavskyi A., Tsykhonya A. Possibility of amplification of surface plasmon-polariton by DC in the system with 2D photonic crystal // Abstracts of Photonics Europe, SPIE Europe, Strasbourg, France, 7-10 April, 2008.

10. Lozovski V., Tsykhonya A. Surface Plasmon Polariton Amplification by Active Media // Abstracts of Junior Euromat 2010, Lausanne, Switzerland, 26-30 July, 2010, 01 / P53.

11. Лозовський В.З., Цихоня А.А. Підсилення поверхневих плазмон-поляритонів за рахунок вимушеного випромінювання при взаємодії з активним середовищем // Збірник тез Конференції молодих вчених з фізики напівпровідників "ЛАШКАРЬОВСЬКІ ЧИТАННЯ - 2011" з міжнародною участю, Київ, Україна, 12-14 квітня, 2011, ст. 30-33.

Размещено на Allbest.ru