Конверсия поверхностных плазмон-поляритонов в фотоны на границе проводящей плоскости
Для получения конкретных численных результатов из общей теории использовались асимптотические методы математической теории дифракции. В основном, эти методы базировались на хорошо разработанном методе перевала. Для определённости рассматривался клин с прямоугольным краем, для которого теория Малюжинца оказывается аналитически наиболее простой. Таким образом, развитие асимптотических методов… Читать ещё >
Содержание
- Актуальность проблемы
- Цели работы
- Научная новизна
- Научная и практическая значимость результатов
- Основные положения, защищаемые автором
- Достоверность результатов
- Личный вклад автора
- Публикации и апробация работы
- Структура и объём работы
- 1. Литературный обзор
- 2. Теория конверсии ППП в фотоны на ребре проводящего клина
- 2. 1. Электромагнитные характеристики ППП
- 2. 2. Дифракция поверхностных электромагнитных волн на клине
- 2. 3. Отражение и преломление поверхностных плазмон-поляритонов
- 2. 4. Поле в волновой зоне. Геометрооптическая компонента
- 2. 5. Диффузная компонента
- 3. Конверсия тепловых ППП в фотоны
- 3. 1. Физические основы экспериментального метода
- 3. 2. Двумерный Бозе-газ поверхностных плазмон-поляритонов
- 3. 3. Экспериментальное обнаружение конверсии тепловых поверхностных электромагнитных волн
- 3. 4. Результаты эксперимента и их обсуждение
- 4. Определения оптических констант с помощью конверсии ППП
- 4. 1. Недостатки существующих методов измерения
- 4. 2. Измерение поверхностного импеданса меди традиционным методом
- 4. 3. Анализ причин больших ошибок измерений
- Основые результаты
Конверсия поверхностных плазмон-поляритонов в фотоны на границе проводящей плоскости (реферат, курсовая, диплом, контрольная)
Актуальность проблемы.
Поверхностные плазмон-поляритоны (ППП) активно исследуются в последние годы теоретически и экспериментально во многих ведущих научных лабораториях. Эти исследования сформировали новые направления в физике поверхностных явлений и оптике, часто называемые «плазмоникой». Исследования имеют технологические перспективы, связываемые, в частности, с созданием новых поколений сенсоров и с квантовыми компьютерами.
Особое значение имеет явление термического возбуждения ППП. Возбуждённые тепловыми флуктуациями вблизи поверхности проводящих тел электромагнитное поле имеет две составляющие. Одна из них связана с обычным тепловым излучением тела, тогда как другая распространяется по поверхности, рассеиваясь на неоднородностях и других дефектах поверхности. Вследствие рассеяния эта составляющая частично превращается в обычное объёмное излучение, увеличивая интенсивность первой составляющей. Исследований, связанных с этим обстоятельством проведено достаточно много. Однако поведение тепловых ППП вблизи края полоской поверхности проводящих тел не было достаточно изучено. В частности, нет прямых наблюдений срыва тепловых ППП с края металлической пластины, хотя конверсия введённого в металлическую пластину специальными методами лазерного излучения наблюдалась. В то же время, срыв тепловых ППП у края поверхности и обратный процесс (возбуждение ППП при падении объёмного излучения на край) могут проявляться во многих практически значимых случаях. Так, например, при установлении теплового баланса тел в поле высокотемпературных источников (космические конструкции, измерительные системы и приборы и т. п.) из-за срыва ППП с краёв и других элементов конструкций возможно существенное изменение их излучателыюй способности. В случае планарных металлических структур элементов электронных и оптоэлектронных систем возможно установление паразитной оптической связи между ними благодаря конверсии ППП, возникающих при прохождении сигналов. Кроме того, термические ППП должны учитываться при обработке поверхности металлов мощными лазерными потоками и при безызлучательных процессах релаксации возбуждённых поверхностных состояний.
В связи со сказанным в настоящей работе проводились теоретические исследования поведения поверхностных плазмон-поляритонов вблизи края проводящей поверхности и экспериментальное наблюдение конверсии тепловых ППП с края металлической пластины в объёмное электромагнитное излучение.
Цели работы.
Для исследования «дополнительного» теплового излучения, обусловленного конверсией ППП в фотоны на границе металлической пластины, необходимо было соответствующее развитие теории данного явления. В качестве основополагающей здесь использовалась теория Г. Д. Малюжинца [1], в которой рассматривалась трансформация поверхностных акустических волн в объёмные звуковые волны на границе клина с конечным акустическим импедансом. Таким образом, одной из целей работы являлся перенос теории Г. Д. Малюжинда для поверхностных акустических волн на клине с конечным акустическим импедансом [1] на случай поверхностных электромагнитных волн (ППП).
Для получения конкретных численных результатов из общей теории использовались асимптотические методы математической теории дифракции. В основном, эти методы базировались на хорошо разработанном методе перевала. Для определённости рассматривался клин с прямоугольным краем, для которого теория Малюжинца оказывается аналитически наиболее простой. Таким образом, развитие асимптотических методов и численный анализ общей теории конверсии ППП в фотоны на границе проводящей плоскости, имеющей прямоугольный край, также являлись целями работы.
Наконец, одной из целей работы являлось экспериментальное наблюдение конверсии ППП в фотоны на границе металлической пластины, и сравнение экспериментальных данных с теоретическими предсказаниями. Такое сравнение позволило сделать заключение о корректности теории и предложить практические применения наблюдаемого явления.
Научная новизна.
В результате развития общей теории и её асимптотического анализа было показано, что угловое распределение фотонов, излучаемых вследствие конверсии ППП на прямоугольной границе проводящей плоскости, имеет лоренцев-ский вид. Ось симметрии лоренцевского распределения является касательной к проводящей плоской поверхности, по которой распространялись ППП. Ширина лоренцевского распределения определяется мнимой частью поверхностного импеданса проводника. Ранее эти результаты не были известны.
Прямое экспериментальное наблюдение конверсии ППП в фотоны на границе проводящей плоскости впервые было проведено в научной группе А. Н. Латышева и частично изложено в диссертации Д. А. Минакова [2]. В этих экспериментах было измерено угловое распределение фотонов в диапазоне 8−9 мкм, излучаемых с прямоугольной границы нагретой медной пластины, подтвердившее теоретическое предсказание о лоренцевском харатерс этого распределения.
Согласие экспериментальных и теоретических результатов свидетельствует об удовлетворительном понимании наблюдаемого явления, что, в свою очередь, позволяет ставить вопрос о его практических применениях. В этом направлении в диссертации предложен новый метод измерения поверхностного импеданса металлов. Проведённый анализ показал, что точность предложенного метода в среднем ИК диапазоне превышает точность ряда классических методов, основанных на формулах Френеля.
Научная и практическая значимость результатов.
Научная и практическая значимость результатов заключается в развитии теории Г. Д. Малюжинца конверсии ППП в фотоны и её экспериментальной проверке, а также в предложенном новом методе измерения поверхностного импеданса проводников в среднем ИК диапазоне, обладающим более высокой точностью по сравнению с методами, основанными на формулах Френеля.
Основные положения, защищаемые автором.
Автор защищает следующие положения и результаты диссертации:
1. Лоренцевскую форму углового распределения фотонов, излучаемых с прямоугольной границы проводящей плоскости вследствие конверсии ППП.
2. Экспериментальный метод измерения углового распределения фотонов, излучаемых с прямоугольной границы проводящей плоскости вследствие конверсии ППП, и результаты измерений для меди.
3. Более высокую точность нового метода измерения поверхностного импеданса проводников в среднем ИК диапазоне, в сравнении с методами, основанными на формулах Френеля.
Достоверность результатов.
Достоверность результатов диссертационной работы подтверждается согласием теоретических и экспериментальных данных по угловому распределению фотонов, излучаемых с прямоугольной границы проводящей плоскости вследствие конверсии ППП. Значение поверхностного импеданса меди, полученное классическим методом, совпадает со значением, полученным новым методом, хотя классический метод имеет меньшую точность.
Личный вклад автора.
Работа выполнена на кафедре оптики и спектроскопии Воронежского госуниверситета под руководством научного руководителя, заведующего кафедрой оптики и спектроскопии, физического факультета, Воронежского госуниверситета, заслуженного деятеля науки РФ, доктора физико-математических наук, профессора Латышева Анатолия Николаевича.
Автором диссертации теория Г. Д. Малюжинца, развитая для поверхностных акустических волн на клине, перенесена на электромагнитные волны. Найдено простое аналитическое выражение для углового распределения фотонов, излучаемых с прямоугольной границы проводящей плоскости вследствие конверсии ППП. Проведены обработка экспериментальных данных и сопоставление их с теорией. Проанализирована точность классических методов измерения поверхностного импеданса проводников, основанных на формулах Френеля.
Публикации и апробация работы.
Основное содержание работы опубликовано в 5 статьях, из них 4 опубликованы в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, определенных ВАК.
Материалы по теме диссертации докладывались на следующих конференциях и семинарах: Third International Conference on Surface Plasmon Photonics, Universite de Bourgogne, Dijon, France, 2007; Дни Дифракции-2007, Санкт-Петербург, 2007; NanoMeta 2007: First European Meeting on Nanophotonics and Metamaterials. Olympia Congress Centre, Seefeld, Tirol, Austria, 2007; Coherent Control of the Fundamental Processes in Optics and X-ray-Optics, Нижний Новгород — Казань, 2006, и опубликованы в работах [3−12].
Результаты по теме диссертации получены в ходе выполнения работ по проектам: РФФИ (в качестве руководителя 06−02−26 743−3 и 07−02−8 020−3 и в качестве исполнителя 08−02−744-а) и CRDF и Минобрнауки VZ 010−0.
Структура и объём работы.
Диссертация состоит из введения, четырёх основных глав, перечня результатов и выводов, списка цитированной литературы, включающего 69 наименований. Общий объём диссертации — 84 страницы, включая 16 рисунков.
Основые результаты.
Сформулируем основные результаты диссертации.
1. На основе теории Г. Д. Малюжинца для конверсии поверхностных акустических волн в фононы на ребре импедансного клина развита теория конверсии поверхностных плазмон-поляритонов в фотоны на ребре проводящего клина. Для прямоугольного клина показано, что конверсионные фотоны имеют лоренцевское угловое распределение с осью симметрии, являющейся касательной к плоской поверхности клина. Ширина распределения определяется мнимой частью поверхностного импеданса.
2. Сформулированный в п. 1 теоретический результат подтвержден экспериментально для конверсии тепловых ППП в фотоны на ребре медного клина.
3. Показано, что значения мнимой части импеданса проводников в средней области ИК спектра, получаемые путем измерения ширины углового распределения конверсионных фотонов, обладают более высокой точностью по сравнению со значениями, получаемыми на основе формул Френеля.
Список литературы
- Малюжинец, Г. Д. Возбуждение, отражение и излучение поверхностных волн на клине с заданными импеданцами граней / Г. Д. Малюжинец // ДАН СССР. — 1958. — Т. 121. — С. 436.
- Минаков, Д. Оптические свойства и способы исследования адсорбированных малоатомных частиц. — Канд. дисс. — 2008. — ВорГУ, Воронеж.
- Тепловое излучение при срыве поверхностной волны вблизи края медной пластины / Д. А. Минаков, В. Н. Селиванов, В. Б. Зон и др. // Конденсированные границы и межфазные границы. — 2006. — Т. 8, № 2. — С. 131−136.
- Zon, V. В. Reflection, refraction, and transformation into photons of surface plasmons on a metal wedge / V. B. Zon // J. Opt. Soc. Am. B. — 2007. — Vol. 24. Pp. 1960−1967.
- Zon, V. B. Surface plasmons on a right angle metal wedge / V. B. Zon //J. Opt. A: Pure Appl. Opt. Vol. 9. — Pp. S476-S480.
- Thermal radiation of two-dimensional bose-einstein gas of surface plasmons /
- A. N. Latyshev, D. A. Minakov, О. V. Ovchinnikov et al. //J. Opt. Soc. Am.
- B. 2009. — Vol. 26. — Pp. 397−399.
- Новый способ измерения поверхностного импеданса металлов в ИК области / В. Б. Зон, Б. А. Зон, В. Г. Клюев и др. // Оптика и спектроскопия. 2010. — Т. 108, № 4.
- Zon, V. В. Surface plasmon refraction, reflection and radiation at a right angled boundary / V. B. Zon // Photonics North 2006. — International Conference on Application of Photonic technology, Quebec, Qc, Canada: 2006.
- Zon, V. B. Reflection, refraction and transformation into photons of surface plasmons on metal wedge / V. B. Zon // Days on Diffraction. — St. Petersburg, Russia: 2007. — P. 12.
- Zon, V. B. Reflection, refraction and transformation into photons of surface plasmons on metal wedge / V. B. Zon // 13th International Conference on Solid Films and Surfaces. — San Carlos de Bariloche, Patagonia, Argentina: 2006. — P. 246.
- Zon, V. B. Surface plasmon refraction, reflection and radiation at a right-angled boundary / V. B. Zon // Coherent Control of the Fundamental Processes in Optics and X-ray-Optics. — Nizhny Novgorod Kazan — Nizhny Novgorod, Russia: 2006. — P. 42.
- Кролл, H. Основы физики плазмы / H. Кролл, А. Трайвелпис. — Москва: Мир, 1975.
- Zenneck, J. Breeding of even electromagnetic waves along an even conductingsurface and its relation to radiotelegraphy / J. Zenneck // Ann. d. Physik.— 1907. SEP. — Vol. 23, no. 10. — Pp. 846−866.
- Борн, M. Основы оптики / M. Борн, Э. Вольф. — Москва: Наука, 1973.
- Вайнштпейн, Л. А. Электромагнитные волны / JT. А. Вайнштейн.— Москва: Радио и связь, 1988. — С. 440.
- Sommerfeld, A. The broadening of the waves and the wireless telegraph / A. Sommerfeld // Ann. d. Phys. — 1909. — Vol. 28, no. 4. — Pp. 665−736.
- Sommerfeld, A. The dispersion of waves in wireless telegraphy / A. Sommerfeld // Ann. d. Phys. — 1926. — Vol. 81, no. 25. — Pp. 1135−1153.
- Hansen, P. Measurements of basic transmission loss for hf ground wave-propagation overseawater / P. Hansen // Radio Sci. — 1977. — Vol. 12, no. 3. — Pp. 397−404.
- Байбаков, В. И. Экспериментальное обнаружение поверхностных электромагнитных волн ценнека. / В. И. Байбаков, В. Н. Дацко, Ю. В. Ки-стович // УФН. — 1989. Т. 157, № 4. — С. 722−724.
- Electromagnetic surface modes. / Ed. by A. D. Boardman. — Wiley, 1982.
- Поверхностные поляритоны: Электромагнитные волны на поверхностях и границах раздела сред / Под ред. В. М. Агранович, Д. JI. Миллс. Современные проблемы науки о конденсированных средах. — Москва: Наука, 1985.—С. 528.
- Barnes, W. Surface plasmon subwavelength optics / W. Barnes, A. Dereux, T. Ebbesen // Nature. 2003.-AUG 14, — Vol. 424, no. 6950.- Pp. 824 830.
- Maier, S. A. Plasmonics: fundamentals and applications / S. A. Maier. — Springer, 2007. P. 223.
- Surface Plasmon Nanophotonics / Ed. by M. L. Brongersma, P. G. Kik. — Springer, 2007. — Vol. 131 of Springer Series in Optical Sciences. — P. 271.
- Малюжинец, Г. Д. Некоторые обобщения метода отражений в теории дифракции синусоидальных волн. — Докт. дисс. — 1950. — ФИАН, М.
- Старовойтова, Р. П. Дифракция поверхностной волны на изломе импе-дансной плоскости / Р. П. Старовойтова, М. С. Бобровников, В. Н. Кис-лицина // Радиотехника и электроника. — 1962. — Т. 2.
- Тренев, Н. Г. Дифракция поверхностных электромагнитных волн на им-педансной ступеньке / Н. Г. Тренев // Радиотехника и электроника. — 1958. Т. 3, № 1. — С. 27−37.
- Тренев, Н. Г. Дифракция поверхностных электромагнитных волн на полубесконечной импедансной плоскости / Н. Г. Тренев // Радиотехника и электроника. — 1958. — Т. 3, № 2.—С. 163−171.
- Таланов, В. И. О дифракции электромагнитных волн на уступе иовверх-ностного импеданса в волноводе / В. И. Таланов // Изв. вузов МВО СССР (Радиофизика). 1957. — Т. 1, № 3. — С. 64−72.
- Otto, A. Excitation of nonradiative surface plasma waves in silver by the method of frustrated total reflection / A. Otto // Z. Phys.— 1968.— Vol. 216. Pp. 398−410.
- Kretschmann, E. Radiative decay of non radiative surface plasmons excited by light / E. Kretschmann, H. Raether // Z. Naturf.— 1968. — Vol. A 23.— P. 2135.
- Coherent emission of light by thermal sources / J.-J. Greffet, R. Carminati, K. Joulain et al. // Nature. — 2002. — Vol. 416. — Pp. 61−64.
- Near-field spectral effects due to electromagnetic surface excitations / A. Shchegrov, K. Joulain, R. Carminati, J. Greffet // Phys. Rev. Lett.—2000. Vol. 85, no. 7. — Pp. 1548−1551.
- Carminati, R. Near-field effects in spatial coherence of thermal sources / R. Carminati, J.-J. Greffet 11 Phys. Rev. Lett. — 1999.— Vol. 82, no. 8, — Pp. 1660−1663.
- Леонтпович, M. А. О дифференциальном законе для интенсивности электрических флуктуации и о влиянии на них скин-эффекта / М. А. Леон-тович, С. М. Рытов // ЖЭТФ. 1952. — Т. 23. — С. 246.
- Moreland, J. Efficiency of light emission from surface plasmons / J. Moreland, A. Adams, P. K. Hansma // Phys. Rev. В.- 1982.- Vol. 25, no. 4, — Pp. 2297−2300.
- Kirtley, J. R. Diffraction-grating-enhanced light emission from tunnel junctions / J. R. Kirtley, T. N. Theis, J. C. Tsang // Appl. Phys. Lett — 1980. — Vol. 37, no. 5. Pp. 435−437.
- Worthing, P. T. Efficient coupling of surface plasmon polaritons to radiation using a bi-grating / P. T. Worthing, W. L. Barnes // Appl. Phys. Lett.—2001.- Vol. 79, no. 19.- Pp. 3035−3037.
- Strong resonant coupling of surface plasmon polaritons to radiation modes through a thin metal slab with dielectric gratings / S. Shen, E. Forsberg, Z. Han, S. He // J. Opt. Soc. Am. A. 2007.- Vol. 24, no. 1.— Pp. 225 230.
- Chen, X.-W. Highly efficient interfacing of guided plasmons and photons in nanowires / X.-W. Chen, V. Sandoghdar, M. Agio // Nano Lett. — 2009.— Vol. 9, no. 11.-Pp. 3756−3761.
- Generation of traveling surface plasmon waves by free-electron impact / M. V. Bashevoy, F. Jonsson, A. V. Krasavin et al. // Nano Lett. — 2006. — Vol. 6, no. 6.-Pp. 1113−1115.
- Beversluis, M. R. Continuum generation from single gold nanostructures through near-field mediated intraband transitions / M. R. Beversluis, A. Bouhelier, L. Novotny // Phys. Rev. B.— 2003.— Vol. 68, no. 11.— Pp. 115 433−1-115 433−10.
- Surface plasmon propagation in microscale metal stripes / B. Lamprecht, J. Krenn, G. Schider at al. // Appl. Phys. Lett. — 2001.— Vol. 79, no. 1.— Pp. 51−53.
- Stuart, H. R. Enhanced dipole-dipole interaction between elementary radiators near a surface / H. R. Stuart, D. G. Hall // Phys. Rev. Lett.— 1998. Vol. 80, no. 25. — Pp. 5663−5666.
- Drexhage, K. Progress in Optics / K. Drexhage- Ed. by E. Wolf. — Amsterdam: North-Holland, 1974. Vol. 12. — Pp. 163−232.
- Morawitz, H. Coupling of an excited molecule to surface plasmons / H. Morawitz, M. R. Philpott // Phys. Rev. B. 1974. — Vol. 10, no. 12. — Pp. 4863−4868.
- Chance, R. Advances in Chemical Physics / R. Chance, A. Prock, R. Silbey- Ed. by I. Prigogine, S. Rice. — New York: Wiley, 1978. Vol. 37. — Pp. 1−65.
- Philpott, M. R. Effect of surface plasmons on transitions in molecules / M. R. Philpott 11 J. Chem. Phys. 1975. — Vol. 62, no. 5.- Pp. 1812−1817.
- Abdulhalim, I. Surface plasmon te and tm waves at the anisotropic film-metal interface / I. Abdulhalim // J. Opt. A: Pure Appl. Opt. — 2009. — Vol. 11. — Pp. 15 002−1-15 002−5.
- Stegeman, G. Excitation of surface polaritons by end-fire coupling /
- G. Stegeman, E. Wallis, A. Maradudin // Opt. Lett. — 1983. — Vol. 8, no. 7. — Pp. 386−388.
- Waveguiding in surface plasmon polariton band gap structures / S. I. Bozhevolnyi, J. Erland, K. Leosson et al. // Phys. Rev. Lett. — 2001.— Vol. 86, no. 14, — Pp. 3008−3011.
- Bend loss in surface plasmon polariton band-gap structures / S. I. Bozhevolnyi, V. S. Volkov, K. Le0sson, A. Boltasseva // Appl. Phys. Lett. 2001. — Vol. 79, no. 8. — Pp. 1076−1078.
- Local detection of electromagnetic energy transport below the diffraction limit in metal nanoparticle plasmon waveguides / S. A. Maier, P. G. Kik,
- H. A. Atwater et al. // Nature Mater. — 2003. — Vol. 2, no. 4. — Pp. 229−232.
- Two-dimensional optics with surface plasmon polaritons. / H. Ditlbacher, J. R. Krenn, G. Schider et al. // Appl. Phys. Lett — 2002. — Vol. 81, no. 10. — Pp. 1762−1764.
- Extraordinary optical transmission through sub-wavelength hole arrays / T. W. Ebbesen, H. J. Lezec, H. F. Ghaemi et al. // Nature. — 1998.— Vol. 391.- Pp. 667−669.
- Wallis, R. F. Surface polariton reflection and radiation at end faces / R. F. Wallis, A. A. Maradudin, G. I. Stegeman // Appl. Phys. Lett.— 1983.— Vol. 42, no. 9. Pp. 764−766.
- Hasegawa, К. Surface plasmon polariton propagation around bends at a metal-dielectric interface / K. Hasegawa, J. Nockel, M. Deutsch // Appl. Phys. Lett. 2004. — Vol. 84, no. 11. — Pp. 1835−1837.
- Бабич, В. M. Метод Зоммерфельда-Малюжинца в теории дифракции. / В. М. Бабич, М. А. Лялинов, В. Э. Грикуров. — Санкт-Петербург: ВВМ, 2004. С. 103.
- Гинзбург, В. Л. Оптические свойства металлов. / В. Л. Гинзбург, Г. П. Мо-тулевич // УФН. 1955. — Vol. 55. — Pp. 469−535.
- Штпокман, М. И. — Частное сообщение.
- Александров, А. Ф. Основы электродинамики плазмы. / А. Ф. Александров, Л. С. Богданович, А. А. Рухадзе. — Москва: Высшая школа, 1978.
- Градштейн, И. С. Таблицы интегралов, сумм, рядов и произведений. / И. С. Градштейн, И. М. Рыжик. — Москва: Физматгиз, 1963. — С. 1100.
- Бреховских, Л. М. Волны в слоистых средах. / Л. М. Бреховских. — Москва: Наука, 1973.
- Ландау, Л. Д. Теоретическая физика. Статистическая физика. Часть 1. / Л. Д. Ландау, Е. М. Лифшиц. — Москва: Наука, 1976. — Т. V. — С. 584.
- Гуревич, М. М. Фотометрия (теория, методы и проборы). / М. М. Гуре-вич.— Москва: Энергоатомиздат., 1983.— С. 272.
- Кизель, В. А. Отражение света. Физика и техника спектрального анализа (Библиотека инженера). / В. А. Кизель. — Москва: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1973. — С. 351.
- Lynch, D. W. Handbook of Optical Constants of Solids / D. W. Lynch, W. R. Hunter // Handbook of Optical Constants of Solids / Ed. by E. Palik. — Orlando, Florida: Academic Press, 1985.
- Соколов, А. И. Оптические свойства металлов. / А. И. Соколов. — Москва: Физматгиз, 1961. — С. 464.