Введение к работе
Актуальность темы
Характер взаимодействия света с веществом существенно меняется в структурированных средах, таких как фотонные кристаллы [1] или метаматериалы [2]. В случае видимого или инфракрасного диапазона частот характерный размер модуляции диэлектрической проницаемости составляет десятки-сотни нанометров, и интенсивное развитие нанотехнологии в последнее десятилетие позволило перейти от теоретических исследований в данной области к экспериментальным, а также к созданию новых оптоэлектронных приборов.
На основе фотонных наноструктур могут быть созданы материалы с отрицательным эффективным показателем преломления [3] и различные оптические компоненты, такие как плоские линзы Веселаго, способные фокусировать изображение на размерах меньше длины волны [4].
Фотонные кристаллы с активными компонентами, способными излучать или поглощать свет, либо обладающими нелинейными свойствами, могут быть использованы для управления потоком света, создания нового типа источников и детекторов света, а также для создания систем оптической обработки информации. Особый интерес вызывают резонансные фотонные кристаллы, в которых имеет место резонансный оптический отклик, обусловленный взаимодействием света с экситонами или плазмонами. Взаимодействие света с экситонами в фотонном кристалле приводит к возникновению новых собственных мод системы, экситон-поляритонов которые обладают рядом интересных свойств. В частности, нелинейные эффекты в экситон-поляритонных системах могут проявляться при накачке 1 Вт/см2, что на несколько порядков ниже чем в традиционных нелинейных оптических материалах.
Резонансные фотонные наноструктуры могут быть использованы для создания поляритонного лазера [5], источников коррелированных фотонов [6] и устройств оптической логики [7].
Важным подклассом фотонных нанострутур являются металлодиэлектрические периодические структуры. Данные структуры
рассматриваются в качестве практической реализации концепции гиперболической среды - однородной одноосной анизотропной среды, в которой диагональные компоненты тензора диэлектрической проницаемости имеют противоположные знаки. Гиперболические среды могут быть использованы для передачи изображений с субволновым разрешением. Кроме того, гиперболические среды обладают плотностью состояний, стремящейся к бесконечности, что делает перспективным исследование изменения времени спонтанной эмиссии источников, помешенных в данные среды [8]. В то же время, совсем недавно было показано, что металлодиэлектрические наноструктуры обладают сильной пространственной дисперсией, обусловленной возможностью возбуждения поверхностных плазмон-поляритонов на индивидуальных границах металл-диэлектрик, что затрудняет описание данных структур в рамках общепринятой модели эффективной среды даже для длин волн, значительно превышающих период структуры [9]. Кроме того, недавно в металлодиэлектрических структурах был теоретически и экспериментально продемонстрирован новый тип локализованных состояний электромагнитного поля - Таммовские плазмоны [10].
Быстрое развитие технологии фотонных микроструктур, позволяющее экспериментально реализовать новые физические эффекты, определяет цель данной работы, которая состоит в теоретическом изучении модовой структуры и нелинейных эффектов в фотонных кристаллах и металлодиэлектрических наноструктурах.
Научная новизна работы состоит в решении конкретных задач:
Исследование преломления света на боковой границе одномерного фотонного кристалла.
Исследование отрицательного преломления света на призме, состоящей из двумерного фотонного кристалла.
Построение теории модовой структуры и оптического спектра экситонных квантовых ям, помещенных в слои одномерного фотонного кристалла.
Исследование модовой структуры поверхностных состояний, возникающих на границе двух металлодиэлектрических слоистых наноструктур.
Численный расчет и построение аналитической модели изменения времени спонтанной эмиссии диполя, помещенного в металлодиэлектрическую слоистую структуру.
Исследование изменения модовой структуры поверхностных состояний на границе фотонных кристаллов при нанесении на границу тонкого нелинейного слоя.
Исследование модовой структуры волновода на основе одномерного фотонного кристалла, заключенного между двумя проводящими плоскостями.
Практическая значимость работы состоит в том, что в работе впервые представлена простая полуаналитическая модель, описывающая преломление света на границе одномерного фотонного кристалла. Экспериментально и теоретически исследована фотоннокристаллическая призма, в которой реализуется как позитивная, так и негативная рефракция. Предложена и экспериментально реализована концепция спектрального фильтра терагерцового излучения на базе фотоннокристаллическои призмы. Развита теория, описывающая модовую структуру системы экситонных квантовых ям, помещенных в одномерный фотонный кристалл. Предсказаны рекордные значения фактора Парселла (порядка 103) для точечного диполя, помещенного в металлодиэлектрическую наноструктуру. Предложен и теоретически исследован новый тип волновода, образованного Брэгговским отражателем, ограниченным с обеих сторон металлическими плоскостями.
Основные положения, выносимые на защиту.
При падении светового пучка на боковую границу одномерного диэлектрического фотонного кристалла наблюдается как положительная, так и отрицательная рефракция света, а также пространственные осцилляции света в пучке, распространяющемся в фотонном кристалле.
Экситоны в квантовых ямах, периодически расположенных в слоях одномерного фотонного кристалла, взаимодействуют между собой посредством собственных электромагнитных мод фотонного кристалла (несмотря на то что, интеграл перекрытия волновых функций экситонов в соседних ямах практически равен нулю). Это приводит к появлению дополнительных поляритонных мод, возникающих в результате взаимодействия экситона с модами фотонного кристалла на краях фотонной запрещенной зоны, что проявляется в виде триплетной структуры в спектре отражения.
Время спонтанной эмиссии диполя, помещенного в слоистый металлодиэлектрическии метаматериал, состоящий из периодически упорядоченных слоев серебра и оксида гафния, может быть уменьшено на 3 порядка.
В одномерной периодической металлодиэлектрическои наноструктуре существуют электромагнитные моды, характеризуемые вещественным Елоховским волновым вектором, даже в случае когда нормальная компонента волнового вектора в металлическом и диэлектрическом слое является мнимой величиной. На границе металлодиэлектрических наноструктур существуют три типа поверхностных Таммовских состояний, частоты которых лежат в запрещенной зоне металлодиэлектрических структур. Одно из поверхностных состояний обладает отрицательной групповой скоростью.
Апробация работы.
Результаты работы докладывались на конференциях:
"Nanostnictures: Physics and Technology" (Санкт-Петербург, 2010),
"Optics of Excitons in Confined Systems" (Париж, Франция, 2011),
"Days of Diffraction 2011" (Санкт-Петербург, 2011)
"Physics of Light-Matter Coupling in Nanostnictures" (Куэрнавака, Мексика, 2010)
международной школе "International School on Nanophotonics and Photovoltaics" (Маратея, Италия, 2011),
а также на семинарах СПб АУ НОЦНТ РАН, ФТИ им. А.Ф. Иоффе, университета г. Дарэма (Великобритания), Дрезденского Университета (Германия) и Австралийского Национального университета (Канберра, Австралия).
Публикации.
По результатам исследований, представленных в диссертации, опубликовано 7 печатных работ, список которых приведен в конце автореферата.
Структура и объем диссертации.
Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы. Она содержит 115 страниц текста, включая 27 рисунков. Список цитируемой литературы содержит 108 наименований.
