Результаты поиска:

{{RESULT.context}}

Плазмоника и нано-фотоника


В последнее время плазмон-поляритоны активно исследуются в связи с их уникальными свойствами – многократным уменьшением длины плазмон-поляритонной волны по сравнению с длиной волны оптического излучения той же частоты в воздухе или в оптическом волноводе. Внешним оптическим электромагнитным полем на границе кристалла и металла можно возбудить плазмон-поляритонную волну, которая привязана к границам металла. Плазмон-поляритонная линейная либо нелинейная волна рассеивается на неоднородностях в металлическом или диэлектрическом слое. При этом возможна ее фокусировка, дифракция, возникновение в ней вихрей, нелинейных уединенных волн и т.п., и таким образом можно управлять свойствами плазмон-поляритонной волны. Выявление новых физических явлений в металло-диэлектрических слоистых структурах при распространении в них линейных и нелинейных плазмон-поляритонных волн в оптическом диапазоне позволит глубже изучить электродинамические свойства таких структур, а также даст возможность проектировать управляемые элементы линий передач и систем обработки информации на основе применения плазмон-поляритонных эффектов.


Название структурного подразделения: кафедра экспериментальной физики .


ФИО руководителя научного направления: проф. Дзедолик Игорь Викторович.


Область знаний02. физика и астрономия.


Научная дисциплина:


  • 02-320 Когерентная и нелинейная оптика


Ключевые слованелинейная волна, солитон, фонон-поляритон, плазмон-поляритон.


Члены научного коллектива: 


  • доц. Лапаева Светлана Николаевна,
  • асп. Горишний Василий Александрович,
  • студ. 6 к. Перескоков Владислав Сергеевич.


1. Цели и задачи научного направления:


Цель – выявление и исследование новых линейных и нелинейных явлений при генерации плазмон-поляритоных волн, солитонов и плазмонных вихрей, возникающих при гибридизации электромагнитной волны с волной дипольных возбуждений на границе диэлектрической среды и металла в оптическом диапазоне.


Задачи проекта:


1) построение теоретических моделей, описывающих динамику линейных и нелинейных фонон-поляритонов и плазмон-поляритонов на границе диэлектрического кристалла и металлической пленки с уединенными, периодическими и квазипериодическими неоднородностями;


2) моделирование линейных и нелинейных явлений на границе диэлектрического кристалла и металлической пленки с помощью численных методов;


3) экспериментальное исследование процессов генерации, распространения и рассеяния на неоднородностях линейных и нелинейных плазмон-поляритонных волн, солитонов и плазмонных вихрей в слоистых структурах, состоящих из кристаллического кварца, плавленого кварца, других диэлектрических сред, с напыленным слоем металла с нано- и микроразмерными неоднородностями.


2. Предлагаемые методы и подходы.


Электромагнитная волна, проходящая через диэлектрическую или проводящую среду, генерирует в ней дипольные возбуждения – фононы, плазмоны и др. Дипольные возбуждения среды при соответствующих условиях гибридизируются с электромагнитным полем, при этом возникают квазичастицы – поляритоны и плазмон-поляритоны, которые распространяются в среде в виде волн. Внешним оптическим электромагнитным полем на границе кристалла и металла можно возбудить плазмон-поляритонную волну, которая привязана к границам металла. Плазмон-поляритонная линейная либо нелинейная волна будет рассеиваться на неоднородностях в металлическом или диэлектрическом слое. При этом возможна ее фокусировка, дифракция, возникновение в ней вихрей, нелинейных уединенных волн и т.п., таким образом можно управлять свойствами плазмон-поляритонной волны.


Основное внимание будет уделено исследованию соотношений между линейными и нелинейными явлениями при распространении плазмон-поляритонных волн в слоистых структурах, чему в настоящее время не уделяется достаточного внимания в научных публикациях. Генерация поверхностной плазмон-поляритонной волны на границе раздела диэлектрика и металла приводит к увеличению плотности энергии электромагнитного поля в тонком приграничном слое микронной толщины. При этом, для возникновения нелинейных эффектов в такой системе, достаточно использовать даже относительно низкоинтенсивное лазерное излучение при достаточной эффективности преобразования объемной электромагнитной волны в поверхностную плазмон-поляритонную волну. Область перехода между линейными и нелинейными явлениями при падении электромагнитной волны на границу диэлектрика и металла в настоящее время исследована недостаточно, поэтому предлагаемые теоретические и экспериментальные исследования в этой области будут обладать новизной.


Для анализа линейных и нелинейных физических явлений на границе раздела диэлектрических кристаллов и аморфных сред с металлом при прохождении электромагнитной волны планируется на основе методов классической и квантовой теории фонон-поляритонов и плазмон-поляритонов, применяемых в настоящее время в нелинейной оптике, фотонике и плазмонике, построить новые теоретические нелинейные модели; а также использовать численные методы моделирования для исследования новых линейных и нелинейных явлений в таких структурах.


Теоретические и численные методы моделирования, которые предполагается использовать в проекте, позволят:


1) глубже исследовать связь между линейными и нелинейными свойствами слоистых структур типа аморфная диэлектрическая среда - металл, одноосный кристалл - металл, не исследованных ранее;


2) проанализировать параметры таких слоистых структур, в которых возможно реализовать наиболее эффективную генерацию плазмон-поляритонной волны и управление этой волной.


Выявление новых физических явлений в металло-диэлектрических слоистых структурах при распространении в них линейных и нелинейных плазмон-поляритонных волн в оптическом диапазоне позволит глубже изучить электродинамические свойства таких структур, а также даст возможность проектировать управляемые элементы линий передач и систем обработки информации на основе применения исследуемых плазмон-поляритонных эффектов.


Задачи проекта и методы исследований соответствуют современному мировому уровню теоретических и экспериментальных исследований в областях нелинейной оптики, фотоники и плазмоники, и направлены на опережающее развитие исследований в этих областях.


3. Приблизительный план работ на 2015-2016гг.


 Номер этапа       Название этапа выполнения работ      

Срок выполнения

начало-конец

(месяц, год)

  
1

Разработать и проанализировать теоретические модели плазмон-поляритонных волн на границе раздела аморфной диэлектрической среды, а также одноосного диэлектрического кристалла и металлического слоя, в которых имеются уединенные, периодические и квазипериодические неоднородности.

Осуществить напыление тонких слоев различных металлов с заданными типами неоднородностей на прямоугольные призмы из плавленого кварца, кристаллического кварца, ниобата лития и других нелинейных кристаллов для проведения экспериментальных исследований.

Планируется опубликовать две статьи в журналах, индексируемых РИНЦ и Scopus, а также выступить с двумя докладами о результатах исследований на Международной конференции

The 17th International Conference «Laser Optics 2016».

сентябрь 2015

-декабрь 2016


 


4. Современное состояние исследований в данной области науки.


Исследования поляритонов, возбуждаемых в волноведущих слоистых структурах, начатые в 50-е годы 20 века [1], активно проводятся во всем мире в последнее два десятилетия. Особое место в этой области исследований занимают поверхностные поляритоны, которые характеризуются высокой степенью локализации энергии вблизи границы двух сред, приводящей к возникновению нелинейных эффектов [2]. Исследования свойств линейных и нелинейных поляритонов базируются на анализе решений дисперсионных и нелинейных дифференциальных уравнений.


Внимание исследователей всего мира к поляритонам связано с перспективами использования их в новых устройствах линий связи и обработки информации, способных существенно увеличить скорость обработки и передаваемые объемы информации. Трансформация объемных поляритонов в поверхностные поляритоны и обратно [3-7] является в настоящее время весьма актуальной задачей в связи с широкими перспективами использования линейных и нелинейных эффектов в поляритонных устройствах. В таких устройствах возникает возможность управления параметрами поляритонов при помощи внешних электромагнитных полей и неоднородностей слоев волноведущих структур заданного типа.


В настоящее время во всем мире активно исследуются свойства линейных и нелинейных плазмон-поляритонов в терагерцевом, инфракрасном и оптическом диапазонах [8]. Особое внимание к ним связано с перспективами использования плазмон-поляритонов в логических элементах существующих систем обработки информации на оптических частотах без существенной модификации этих систем, в датчиках физических величин. При этом скорость обработки информации значительно увеличится. Современные технологии изготовления микрочипов позволяют реализовывать устройства, в которых высокочастотный (оптический) импульсный сигнал может трансформироваться из объемной моды в поверхностный двумерный плазмонный импульс большой мощности, и обратно. В этом случае, в локальной области микрочипа возникают нелинейные эффекты, которые могут быть использованы для обработки и управления сигналами, а далее сигналы вновь переходят в линейный режим распространения, либо для них поддерживается нелинейный режим.


Поляритонные и плазмон-поляритонные линейные и нелинейные объемные и поверхностные волны активно исследуются в различных слоистых структурах. Системы связи и обработки информации, безопасность и неразрушающий контроль, исследование структуры сред, поверхностей образцов, медицина и другие отрасли являются перспективными областями применения поляритонных устройств различных типов. В последнее время особое внимание уделяется нанофотонике и наноплазмонике в связи исследованием новых электродинамических эффектов на оптических частотах и перспективой существенной миниатюризации плазмон-поляритонных устройств на основе использования таких эффектов [9,10].



1. Поверхностные поляритоны / Ред. Агранович В. М., Миллс Д.Л. – М.: Наука, 1985. – 525 с.

2. Agranovich V. M., Basco D. M., Boardman A. D., Kamchatnov A. M., Leskova T. A. Surface solitons due to second order cascaded nonlinearity // Opt. Com. – 1999. – V. 160. – P. 114-118.
3. Zayats A. V., Smolyaninov I. I. Near-field photonics: surface plasmon polaritons and localized surface plasmons // J. Opt. A: Pure Appl. Opt. – 2003. V. 5. P. S16-S50.
4. Maier S. A. Plasmonics: Fundamentals and Applications. – New York: Springer, 2007. – 223 p.
5. Тиходеев С. Г., Гиппиус Н. А. Плазмон-поляритонные эффекты в наноструктурированных металл-диэлектрических фотонных кристаллах и метаматериалах // УФН. – 2009. Т. 179. – № 9. – С. 1003-1007.
6. Альшиц В. И., Любимов В. Н. Резонансное возбуждение поляритонов и плазмонов у границы раздела одноосного кристалла с металлом // ЖЭТФ. – 2010. – Т. 138. – Вып. 4(10). – С. 669-686.
7. Konopsky V. N. Plasmon-polariton waves in nanofilms on one-dimensional photonic crystal surface // New J. Phys. - 2010. – V. 12. – 093006. P. 1-18.
8. Stockman M. I. Nanoplasmonics: past, present, and glimpse into future // Opt. Exp. – 2011. – V. 19. – No. 22. – P. 22029-22106.
9. Kinsey N., Ferrera M., Shalaev V. M., Boltasseva A. Examining nanophotonics for integrated hybrid systems: a review of plasmonic interconnects and modulators using traditional and alternative materials // J/ Opt. Soc. Am. B. – 2015. v. 32. – No. 1. – P. 121-142.
10. Zou C., Withayachumnankul W., Shadrivov I. V., Kivshar Y. S., Fumeaux C. Directional excitation of surface plasmons by dielectric resonators // Phys. Rev. B. – 2015. – V. 91. – 085433.



5. Ожидаемые научные результаты и их сравнение с мировым уровнем.


В 2015-2016 гг. первой задачей является построение оригинальных поляритонных и плазмон-поляритонных моделей, описывающих свойства слоистых структур различной конфигурации, на основе использования нелинейных векторных дифференциальных уравнений для электромагнитного поля и дипольных возбуждений среды. Анализ решений таких уравнений позволит выявить новые свойства исследуемых структур и прогнозировать поведение плазмон-поляритонных волн в таких структурах при различных возмущающих факторах, не исследованных ранее.


После построения и проведения теоретического анализа линейных и нелинейных поляритонных моделей, ставится вторая задача – моделирование динамики плазмон-поляритонных волн в оптическом диапазоне в слоистых структурах с различными типами неоднородностей численными методами. Будут промоделированы слоистые структуры с нано- и микроразмерными неоднородностями различных типов, не исследованных ранее, состоящими из кристаллического кварца, плавленого кварца, других диэлектрических сред, с напыленными слоями различных металлов, для анализа процессов генерации и распространения в них линейных и нелинейных плазмон-поляритонных волн. Предполагается промоделировать различные типы слоистых структур, не достаточно описанных в научной литературе. Разработанные оригинальные теоретические модели позволят описать известные эффекты в рассматриваемых структурах, а также выявить новые эффекты, не описанные в отечественных и зарубежных публикациях.


Параллельно с теоретическими исследованиями предполагается проведение экспериментальных исследований по генерации плазмон-поляритонов и рассеянию их на различных типах неоднородностей, рассмотренных теоретически, в таких структурах, как плавленый кварц, ниобат лития и др. с напыленными слоями различных металлов, в оптическом диапазоне длин волн лазерного излучения 632 нм и 550 нм. Экспериментальные исследования будут направлены на выяснение оптимальных условий генерации, распространения в различных структурах и рассеяния плазмон-поляритонов на уединенных, периодических и квазипериодических неоднородностях слоев, исследованных с помощью оригинальных теоретических моделей.


Результаты теоретических и экспериментальных исследований по проекту планируется опубликовать в ведущих российских и зарубежных физических научных журналах, таких как ЖЭТФ, ЖТФ, Письма в ЖЭТФ, Письма в ЖТФ, Journal of Optics, Applied Optics, Journal of the Optical Society of America A, B.


6. Имеющийся у коллектива задел по разрабатываемому научному направлению (список не более 10 основных публикаций коллектива за последние 5 лет; список не более 10 основных патентов коллектива за последние 5 лет).


  1. Dzedolik I. V., Lapayeva S. N. Mass of polariton in different dielectric media // J. Opt. – V. 13. – 2011. – 015204.
  2. Dzedolik I. V., Karakchieva O. S., Polaritons in nonlinear medium: generation, propagation and interaction // Proc. IEEE Catalog Num.: CFP1112P-CDR. – ISBN: 978-1-4577-0479-6. – 2011.
  3. Dzedolik I. V., Karakchieva O. S. Properties of polaritons in nonlinear dielectric medium // Proc. IEEE Catalog Num.: CFP312P-CDR 978-1-4799-1118-9/13. – 2013. – P. 27-29.
  4. Dzedolik I. V., Karakchieva O. Nonlinear vector and scalar polariton waves in dielectric medium // J. Opt. Soc. Am. B. – 2013. – V. 30. – No. 4. – P. 843–850.
  5. Dzedolik I. V., Karakchieva O. Transformation of surface plasmon-polariton pulse to the bright and dark solitons at the first and second harmonics // J. Opt. – 2013. – V. 15. – No. 4. – 044019.
  6. Dzedolik I. V., Karakchieva O. Polariton spectrum in nonlinear dielectric medium // Appl. Opt. – 2013. – V. 52. – No. 13. – P. 3073-3078.
  7. Dzedolik I. V., Karakchieva O. Control of polariton spectrum in bigyrotropic medium // Appl. Opt. – 2013. – V. 52. – No. 25. – P. 6112-6118.
  8. Dzedolik I. V., Pereskokov V. Variation of spectral properties of dielectric ionic crystal in the terahertz range due to the polariton absorption // Appl. Opt. – 2014. – V. 53. – Is. 15. – P. 3318-3327.
  9. Dzedolik I. V. Surface plasmon-polariton solitons and cnoidal waves at the boundary of dielectric crystal and metal // J. Opt. – 2014. – V. 16. – No. 12. – 125002.
  10. Dzedolik I. V. Phonon-polaritons in nonlinear dielectric medium // Contemporary Optoelectronics / Eds. O. Shulika, I. Sukhoivanov. – Springer, 2015.