Введение к работе
Актуальность темы
Взаимодействие между атомами, молекулами или микроскопическими диэлектрическими частицами в поле оптического излучения является важной проблемой в оптике, имеющей несомненный прикладной интерес для микро-и наноэлектроники, оптической микроскопии, оптической передачи информации, квантовых вычислений.
Взаимодействие между атомами, молекулами, нанс- и микрочастицами довольно хорошо исследовано как теоретически, так и экспериментально для случая, когда расстояние между частицами намного больше длины волны, существует, однако, множество экспериментальных ситуаций, когда данное условие не выполняется Значительное развитие в последние годы получила сканирующая ближнепольная оптическая микроскопия, разрешающая способность современных оптических микроскопов достигает нескольких десятков нанометров [1] и ведутся активные теоретические и экспериментальные исследования по повышению разрешающей способности оптических приборов до субнанометровых размеров [2, 3] Размеры взаимодействующих объектов в этом случае становятся сравнимыми с межатомным расстоянием. Большой интерес также представляет получение оптических сред на основе гетеро-структур, состоящих из взаимодействующих между собой наночастиц, помещённых в матрицу [4] Такие среды обладают большим показателем преломления (п ~3-4, а при наличии усиления до 10). недостижимым для однородных сред, что позволяет осуществлять точный контроль когерентных световых пучков, повысить предельную разрешающую способность оптических систем
При рассмотрении подобных систем макроскопические уравнения Максвелла не могут быть использованы для адекватного описания перечисленных объектов Как показано в [5], введение нелокальных микроскопических уравнений электродинамики позволяет решать принципиально новые задачи, в которых учитываются внутренние свойства наноструктурных объектов.
'"'«ssaar-j
«^г*»
Цели диссертационной работы
Целью данной работы является построение на основе развитого в [5] аппарата нелокальных микроскопических уравнений теоретических моделей перечисленных выше систем. В настоящей диссертации на основании предложенного подхода рассматриваются следующие задачи'
Исследование микроскопических свойств переходного слоя на плоской однородной или неоднородной поверхности полубесконечной среды
Разработка теории беззондовой ближнепольной оптической микроскопии, позволяющей по сигналу, детектируемому в дальней зоне, получать сведения о микроскопических свойствах исследуемых объектов
Исследование оптических свойств плотных атомных ансамблей в поле внешнего излучения с учётом взаимодействия атомов ансамбля между собой.
Исследование оптических свойств метаструктурной среды, состоящей из пар взаимодействующих наночастиц, демонстрация возможности эффективного управления её оптическими параметрами.
Разработка электродинамической теории ближнепольной оптической микроскопии с разрешением порядка 10 нм
Методы исследования
Для решения поставленных задач и проверки исходных предположений был использован комплекс методов, включающий в себя аналитические методы теоретического анализа, численное моделирование, методы статистической обработки полученных результатов.
Научная новизна работы
Полученные в ходе работы результаты заключают в себе решение следующих научных проблем- исследование взаимодействия диэлектрических сред с оптическим излучением на основе микроскопического подхода, исследование оптических свойств плотных атомных ансамблей, в соответствии с этим:
Разработана микроскопическая теория переходного слоя на поверхности полубесконечной диэлектрической оптической среды с изотропными и анизотропными молекулами Показано, что учёт влияния атомов внутри сферы Лорентца на поле в точке наблюдения вблизи поверхности приводит к формированию переходного слоя, позволяющего, в свою очередь, объяснить экспериментальные данные по брюстеровскому отражению света от плоской поверхности полубесконечного диэлектрика, не имевшие ранее удовлетворительной интерпретации
Разработан новый метод беззондовой оптической ближиепольной микроскопии, позволяющий по отражённому сигналу в дальней зоне извлекать информацию о микроскопических свойствах исследуемых объектов.
Построено полуклассическое описание системы двух близкорасположенных напочастиц в поле внешнего излучения с учётом внутреннего азаимо-действия атомов внутри частицы и частиц между собой. Впервые показано существование в подобном наноструктурном объекте линейных стационарных ближнепольных оптических резонансов, частоты которых существенно отличаются от собственных частот атомов объекта Подробно исследованы свойства ближнепольных резонансов
Исследованы оптические свойства метает руктурной системы, состоящей из ориентированных пар активированных наношаров. Показана возможность эффективного управления оптическими свойствами данной среды при помощи небольшого числа параметров.
На основе теории линейных ближнепольных оптических резонансов разработана электродинамическая теория ближиепольной оптической микроскопии с разрешением порядка 10 нм, позволившая удовлетворительно объяснить существующие экспериментальные зависимости
Практическая ценность исследования
Содержащиеся в работе теоретические положения могут служить основанием для разработки новых методов исследования наноструктурных объектов на поверхности твердых тел, неразрушающего контроля и исследования
микроскопических объектов, стать базой для разработки новых систем ближнепольной микроскопии
Достоверность и обоснованность
Достоверность и обоснованность полученных результатов обеспечивается стандартными методами численных расчётов, а также совпадением полученных теоретических результатов с существующими экспериментальными данными.
Положения, выносимые на защиту:
1. Представленная теория переходного слоя на поверхности диэлектриков
объясняет многочисленные эксперименты по брюстеровскому отражению
света от поверхности непоглощающих диэлектриков с изотропными и ани
зотропными молекулами, в которых наблюдаются аномалии в формулах
і'рспелгі.
2. Предложенный метод беззондовой оптической ближнепольной микроско
пии на основе брюстеровского отражения света позволяет извлекать мик
роскопическую информацию об исследуемой поверхности из отражённого
сигнала в дальней зоне
З В системе из двух взаимодействующих наночастиц, содержащих примес-\ ные двухуровневые атомы, возникают оптические ближнепольные резонан-4 сы
-
Оптические свойства полубесконечной метаструктурной среды из ориентированных пар взаимодействующих наночастиц, содержащих примесные двухуровневые атомы, сильно зависят от параметров этих наночастиц.
-
Представленная электродинамическая теория зондовой оптической ближнепольной микроскопии с пространственным разрешением порядка 10 нм удовлетворительно объясняет эксперименты по наблюдению островковых плёнок на поверхности диэлектрика.
Апробация и внедрение результатов исследования
Основные результаты работы были доложены и обсуждались на различных конференциях, таких как Четвёртая всероссийская молодёжная научная школа «Когерентная оптика и оптическая спектроскопия» (Казань, 2000), Школа-семинар «Актуальные проблемы физической и функциональной электроники» (Ульяновск, 2000), Международная конференция «Оптика, оптоэлектроника и технологии» (Ульяновск, 2001), Седьмая всероссийская молодёжная научная школа «Когерентная оптика и оптическая спектроскопия» (Казань, 2003), Восьмая международная молодёжная научная школа «Когерентная оптика и оптическая спектроскопия» (Казань, 2004).
Личное участие автора
Основные теоретические положения разработаны совместно с профессором О.Н. Гадомским. Численные расчеты выполнены автором самостоятельно.
Публикации
Основные результаты диссертации опубликованы в 10 печатных работах, список которых приведён в конце автореферата
Структура и объём диссертации
Диссертационная работа состоит из введения, трёх глав, заключения, списка литературы и приложения Материал изложен на 120 страницах, содержит 18 рисунков, 2 таблицы и библиографический список из 106 наименований.
Похожие диссертации на Ближнепольное взаимодействие атомных ансамблей в методах ближнепольной оптической микроскопии
