Введение в оптику метаматериалов

Вид материала

Лекция

Подобный материал:

• Введение в оптику, 90.2kb.
• Альмира Усманова, 452.02kb.
• Отчет по интеграционному междисциплинарному проекту со ран №24 " Метаматериалы на основе, 157.65kb.
• Первый рабочий день. Рад. Учеба позади. Буду приносить пользу обществу. Сказал об этом, 589.76kb.
• Джон Р. Хикс. "Стоимость и капитал", 4314.44kb.
• Введение глава психологизм как особенность характерологии в рассказах Всеволода Иванова, 12.47kb.
• Лабунец Ольга Юрьевна мытищи 2009 г. Оглавление Введение 3 Использование видеофильмов, 263.17kb.
• Анализ и планирование трудовых показателей Аудит и контроллинг персонала Введение, 12.45kb.
• Программа курса. План семинарских занятий Методические рекомендации Новосибирск 1999, 340.75kb.
• Учебной дисциплины (модуля) Наименование дисциплины (модуля) Введение в спецфилологию:, 83.08kb.

Введение в оптику метаматериалов


А.Шипулин


Лекция 1: Вводные замечания: оптика и нанотехнологии

1. О предлагаемом курсе
   
   1. О чём этот курс?
      
   2. Содержание курса. Логика и особенности курса. Основная цель – построение электродинамики с учётом магнитного отклика среды от нано объектов
      
   3. Рекомендуемые книги
      

2. Наука и поп культура
   
   1. Что мы ожидаем от нанотехнологий?
      
   2. Нанотехнологии в Голливуде
      
   3. Как на счёт бессмертия?
      
   4. Что говорят учёные по поводу нано-поп-культуры
      

3. Нанооптика как часть нанотехнологий
   
   1. Что такое нанометр?
      
   2. Оптическая часть спектра электромагнитных волн
      
   3. Наноструктуры в природе – примеры «оптических» и «неоптических» наноструктур
      
   4. Исторические примеры исползования нано частиц – цветные стёкла, поглощение и рассеяние на нано частицах
      
   5. Технология производства нано объектов – нано структурирование и самоорганизация
      
   6. Примеры неквантовых нано-эффектов
      
   7. Фотонные кристаллы: пример классического немагнитного нано эффекта. Метаматериалы это или нет?
      
   8. Нанокристаллы: лазерные источники на кристаллическом кварце, пример квантового эффекта
      
   9. Необходимость ограничения рассматриваемых в курсе вопросов
      

4. Определение систем, рассматриваемых в данном курсе – диэлектрическая матрица с нано металлическими включениями. Среды с диполями, магнитными диполями и квадруполями как модель для рассмотрения магнитных эффектов
   

5. Появления метаматериалов
   
   1. В.Г. Веселаго - человек, 40 лет назад предложивший метаматериалы: почему показатель преломления не может быть отрицательным?
      
   2. Классификация метаматериалов
      
   3. Потенциальные приложения метаматериалов: супер линза и оптическая невидимость
      

Лекции 2, 3: Уравнения Максвелла для сплошных сред, процедура усреднения

1. Вывод уравнений Максвелла на основе принципа наименьшего действия
   

1. Электромагнитные единицы измерений
   
2. Процедура усреднений уравнений Максвелла в физике сплошных сред и в случае композитных материалов – что это такое и почему это необходимо?
   
3. Сравнение двух возможных путей вывода уравнений Максвелла
   
4. Вывод уравнений Максвелла
   
   1. Принцип минимума действия в классической механике
      
   2. Расширение на релятивистский случай
      
   3. Расширение на случай «заряды плюс поля»
      
   4. Вариация интеграла действия и получение уравнений Максвелла
      

2. Прцедура усреднения – от системы микроскопических до системы макроскопических уравнений
   

1. Уравнения Максвелла в свободном пространстве
   
2. Дипольное и мультипольное прибдижения при вычислении полей
   
3. Самосогласованная система уравнений, динамика заряда
   
4. Процедура усреднения на основе статистического рассмотрения
   
   1. Определения одно и много размерной функций распределения
      
   2. Функция распределения системы частиц
      
   3. Атомная функция распределения
      
   4. Плотности частиц, зарядов и токов
      
   5. Закон сохранения заряда
      
   6. Введение микро моментов
      
   7. Введение макро моментов
      
   8. Производные от макро моментов
      
   9. Два первых уравнений Максвелла, отсутствие приближений
      
   10. Третье и четвёртое уравнение Максвелла – необходимость приближений, появление моментов в разложении функции распределения
       
5. Процедура усреднения в курсе Ландау и Лившица
   
6. Макроскопические уравнения Максвелла в чачтотном представлении
   
7. Естественный магнетизм, физический смысл магнитной постоянной
   
8. Искуственный магнетизм нано структур как нано-атомов и нано-молекул
   
9. Волновое уравнение с диэлектрической и магнитными постоянными
   
10. Макроскопические уравнения Максвелла в дипольном приближении
    
11. Материальные уравнения в среде с мультиполями, магнитные эффекты
    
12. Макроскопические уравнения Максвелла с мультиполями
    
13. Волновое уравнение в среде с квадруполями, пространственная дисперсия
    

Лекция 4, 5 – Феноменологическая электродинамика сред с отрицательными диэлектрическими и магнитными постоянными

1. Металлические нано частицы в диэлектрической матрице – среда, способная проявлять свойства метаматериалов
   
2. Историческая ретроспектива тематики метаматериалов – от “каменного века” до наших дней
   
3. Предположим, что диэлектрическая и магнитные составляющие отрицательны. Что изменится?
   
4. Феноменологическая динамика метаматериалов
   

1. Волновое уравнение
   
2. Четыре квадранта – классификация материалов
   
3. Фазовая и групповая скорости
   
4. Диссипация в метаматериалах
   
5. Правые и левосторонние материалы
   
6. Граничные условия
   
7. Формулы для граничных эффектов
   
8. Линзы
   
9. Супер линзы
   
10. Эффект Допплера
    
11. Эффект Черенкова
    
12. Принцып причинности
    
13. Левосторонние материалы должны быть дисперсивными
    
14. Энергетические закономерности – обратимые и необратимые процессы
    
15. Диэлектрическая константа и показатель преломления металлов
    
16. Диэлектрическая и магнитные постоянные – модель гармонического осциллятора, необходимость учёта потерь
    
17. Показатель преломления – условия для возникновения отрицательных значений
    
18. Генерация второй гармоники в метаматериалах
    
19. Мета волноводы
    
20. Оптическая невидимость
    

Лекция 6 – Динамика зарядов, вывод уравнений для диэлектрической и магнитной постоянных

1. Статистическая модель. Описание на основе функции распределения
   

1. Электронный газ
   
2. Равновесное состояние электронного газа, распределение Максвелла
   
3. Функция распределения гармонического осциллятора в классическом и квантовом случае
   
4. Кинетическое уравнение для электронной плазмы
   
5. Вывод формул для проводимости и диэлектрической постоянной на основе кинетического уравнения. Интеграл столкновений, границы применения упрощённых моделей
   
6. Собственные колебания плазмы, метод Ландау
   
7. Собственные колебания плазмы в металлических нано структурах – на каких размерах электронный газ «чуствует» пространственные ограничения?
   

2. Простая модель на основе уравнения гармонического осциллятора – модель «плоской» функции распределения
   

1. Вычисление диэлектрической постоянной
   
2. Моделирование газа свободных электронов
   
3. Модель газа свободных электронов в уравнениях Максвелла
   
4. Моделирование газа связанных электронов
   
5. Модель газа связанных электронов в уравнениях Максвелла
   
6. Модель цепочки связанных гармонических осцилляторов
   
7. Вклад магнитного поля в модель Лоренца для динамики зарядов
   

3. Квантовомеханическое описание на основе матрицы плотности
   

1. Уравнение Шрёдингера и уравнения Эйнштейна
   
2. Уравнения матрицы плотности
   
3. Уравнения матрицы плотности в резонансном приближении
   
4. Система уравнений для матрицы плотности в различных приближениях
   
5. Описание релаксации плазмонных колебаний с помощью матрицы плотности
   
6. Сравнения уравнений для дисперсии диэлектрической постоянной полученных на основе модели гармонического осциллятора и на основе уравнений для матрицы плотности
   

4. Магнитный момент и магнитизм в физике твёрдого тела
   
5. Как нано структуры могут приводить к магнитному отклику в оптическом диапазоне?
   

Лекция 7, 8 – Коллективные возбуждения на границах твёрдых тел

1. Прникновение электромагнитного излучения в электронную плазму металлов в квазистатическом приближении
   
2. Коллективные колебания в электронной плазме твёрдых тел - плазмоны
   
3. Объёмные, поверхностные, и локализованные плазмон-поляритонные колебания
   
4. Поверхностные плазмон - поляритоны
   

1. TM геометрия, граничные условия
   
2. Условия существования плазмон - поляритонных мод
   
3. Затухание плазмон – поляритонных мод
   
4. Пространственный профиль поля плазмон – поляритонных мод
   
5. Отсутствие плазмон – поляритонных мод в TE геометрии
   
6. Плазмоны как предельный случай (нераспрстраняющиеся возбуждения) плазмон - поляритоном
   
7. Плазмон – поляритоны в тонких плёнках
   
8. Локализованные плазмон – поляритоны на поверхности и в частицах
   
9. Условия возбуждения плазмон – поляритонных мод
   
10. Затухание локализованных плазмонов
    
11. Возможность компенсации потерь для плазмон - поляритонов
    
12. Возможность компенсации потерь для плазмонов
    

5. Динамика электронов в случае плазмон – поляритонов и в случае “тривиального” отражения от металлической поверхности
   
6. Поверхностные фонон – поляритоны в диэлектриках и полупроводниках
   
7. Поверхностные экситон - поляритоны и проблема дополнительных граничных условий
   

Лекция 9 – Собственные моды в случаях цилиндрической и сферической симметрий

1. Собственные моды в квазистатическом и динамическом приближении
   
2. Динамическое приближение
   

1. Собственные моды в цилиндрических координатах
   

1. Функция Бесселя первого рода
   
2. Функция Бесселя второго рода
   
3. Модифицированная функция Бесселя первого рода
   
4. Модифицированная функция Бесселя второго рода
   
5. Случай комплексного показателя преломления
   

2. Собственные моды в сферических координатах
   

6. Сферические функции Бесселя первого рода
   
7. Сферические функции Бесселя второго рода
   

1. Функция Рикатти - Бесселя
   
2. Присоединённые полиномы Лежандра
   
3. Эрмитовы полиномы и Эрмит-Гауссова функция
   

8. Случай комплексного показателя преломления
   

3. Примеры собственных мод в симметричных системах
   
   1. Собственные моды диэлектрической микро/нано сферы
      
   2. Собственные моды цилиндрического оптического волновода
      

3. Статическое приближение
   

1. Металлические проволоки
   
2. Металлические нано сферы
   
3. Примеры физических эффектов
   

4. Подход на основе разложения по собственным модам (однородное уравнение Гельмгольца) и на основе теории Ми (неоднородное уравнение Гельмгольца)
   
5. Плазмонные моды в металлических нано резонаторах – результаты численных экспериментов
   

Лекция 10 – Прохождение света через субволновые отверстия

1. Формулировка проблемы
   
2. Динамическое приближение
   
3. Физическая картина эффекта
   
4. Собственные моды тонкого цилиндра
   
5. Собственные моды субволнового цилиндрического отверстия
   
6. Коэффициент прохождения через цилиндр и отверстие
   
7. Плазмонные моды в ограниченном цилиндре
   
8. Плазмонные моды в ограниченном отверстии
   

1. Решение задачи в эллипсоидальных координатах
   
2. Решения для толстой пластины
   

9. Физические механизмы затухания плазмонных колебаний
   
10. Аномально большое пропускание пластины с периодическими отверстиями
    
11. Механизм аномального пропускания, основанный на связанных поверхностных плазмонах
    

1. Роль периодичности
   
2. Зонная структура
   
3. Разложение по собственным модам
   
4. Обрезание ряда Фурье в разложении по собственным модам
   
5. Дисперсионное соотношение
   
6. Решения в металлическом и диэлектрическом слоях
   
7. Зависимость от толщины пластины
   
8. Различные физические механизмы пропускания – волноводный и поверхностно - поляритонный
   

12. Прохождение света через циркулярно симметричную структуру отверстий, экспериментальные данные
    

Лекция 11 , 12 – Метаматериалы в оптическом диапазоне

1. Определение метаматериалов: отрицательный показатель преломления, противоположно направленные групповая и фазовая скорости
   

2. Появление магнитного отклика при определ1нной структуре металлических нано частиц
   

3. “Структурный” and “хиральный” способ создания метаматериалов
   

1. Экспериментальное подтверждение в радиодиапазоне
   
2. Экспериментальное подтверждение в оптическом диапазоне
   
3. Эффект «насыщение скалирования» в оптическом диапазоне
   

4. Эквивалентная модель связанных осцилляторов для описания плазмонных мод
   

1. Собственные моды, графики Вина
   
2. Симметричные и антисимметричные моды
   
3. Возбуждение анти симметричных мод
   

5. Система уравнений Максвелла в среде с квадруполями, приближение эффективной среды
   

1. Квадрупольные и магнитодипольные моменты
   
2. Поляризация среды
   
3. Распространение плоской волны в среде с квадруполями
   
4. Дисперсионное соотношение и сравнение с численным экспериментом
   

5. Экпериментальные методы исследования метаматериалов
   

1. Измерение амплитуды и фазы проходящего и отражённого света
   
2. Процедура нахождения параметров из данных измерений
   

5. Экспериментальная реализация структуры «двойных проволок» - структура Шалаева
   

5. Экпериментальная реализация «двойной структуры», состоящей из длинных и коротких проволок
   

5. Экспериментальная реализация структуры «рыбная сеть»
   

5. Список проблем при создании метаматериалов
   

5. Нелинейность и метаматериалы
   

1. “Материальная” и “структурная” нелинейности
   
2. Усиленеи поверхностного Раман эффекта при нано структурировании поверхности
   

5. Возможность компенсации оптических потерь в метаматериалах – кванто-механические наноструктуры
   

Лекция 13 – Сканирующий оптический микроскоп ближнего поля (SNOM – Scanning Near filed Optical Microscope)

1. Недостаточность оптической микроскопии, принципы работы SNOM
   

1. Проблема разрешающей способности
   
2. Проблема поддержания расстояния до поверхности
   
3. Производство и характеристики щупов
   

2. Експериментальная реализация экпериментов с SNOM
   

1. Принципы детектирования с использованием синхронного усилителя
   
2. Принципы гомогенного детектирования
   
3. Примеры получаемых результатов
   

3. “Оптические” и “Плазмонные” щупы
   

1. Усиление поля на резких границах
   
2. Сверхфокусировка поверхностных плазмонов в конической геометрии
   
3. Щупы на основе эффекта сверхфокусировки
   
4. Оптические пинцеты
   

4. Приложения SNOM
   

1. Флуоресцентная спектроскопия
   
2. Сверхбыстрая когерентная спектроскопия
   
3. Поляризационная спектроскопия
   
4. Рамановская спектроскопия
   

Лекция 14 – Нанотехнологии для изготовления метаматериалов

1. Цель – создание серии процессов для производства метаматериалов
   

2. Методы, применяемые при создании оптических нано структур
   

1. Электронно-лучевая литография
   
2. Различные процессы «написания» нано структур
   
3. Примеры применяемых установок
   
4. Типичная последовательность процессов при литографии
   
5. Примеры получаемых нано структурированных поверхностей
   

3. Примеры нано структурированных объектов
   
   1. Рассмотрение в рамках эффективной среды – размеры структур много меньше длины волны
      
   2. Однородный и градиентный тип контроля показателя преломления
      
   3. Антиотражающее покрытие на глазах некоторых насекомых
      
   4. Оптические поляризационные решётки
      
   5. Поляризаторы на основе нано проволок
      
   6. Голограммы на фазовых пластинках