НанофотоникаНанофотоника- нанооптика (англ. nanophotonics) — раздел фотоники, занимающийся изучением физических явлений, возникающих при взаимодействии фотонов с объектами нанометровых размеров, и практическим применением указанных явлений. Нанофотоника - область фотоники, связанная с разработкой архитектур и технологий производства наноструктурированных устройств генерации, усиления, модуляции, передачи и детектирования электромагнитного излучения и приборов на основе таких устройств, а также с изучением физических явлений, определяющих функционирование наноструктурированных устройств и протекающих при взаимодействии фотонов с наноразмерными объектами.
Цели и материалы/устройства нанофотоники. Цель нанофотоники - разработка материалов, имеющих нанометровые размеры (1-100 нм.) с новейшими оптическими свойствами и создание на их основе фотонных устройств. В настоящее время нанофотоника рассматривается как альтернатива современной электроники. Использование фотонов при передаче и обработки информации позволит добиться существенных преимуществ, благодаря высокому быстродействию и устойчивости фотонных каналов связи к помехам. К нанофотонным устройствам относятся устройства, использующие структуры размерами 100 нм и менее. Такие устройства решают проблемы миниатюризации многих оптических систем. Нанофотонные устройства не только значительно превосходят электронные аналоги, но и позволяют успешно решать проблемы, связанные с тепловыделением и электропитанием. Слабым местом и источником постоянного беспокойства при использовании приборов на основе нанофотоники остается обеспечение надежности электрооптических переключателей, позволяющие преобразовывать электрические сигналы в оптические и наоборот. Изделия кремниевой нанофотоники исключительно малы, поэтому многие из них легко вводятся в электронные чипы. В настоящее время многие оптические наноустройства можно изготавливать на основе стандартных материалов полупроводниковой электроники, так что нанофотоника развивается главным образом за счет сочетания электронных и фотонных компонентов, позволяющего использовать все преимущества и того и другого. Возможность использования в нанофотоники кристаллических пластин из кремния на изоляторе имеет огромное значение, если вспомнить о технологии кремниевой электроники. Созданные на основе таких материалов фотонные наноустройства могут быть легко интегрированы в существующие системы на кристаллах и быстром их внедрении в производство.
Направления нанофотоники К направлениям нанофотоники можно отнести: -Исследования физических основ генерации и поглощения излучения в оптическом спектре в гетероструктурах с квантовыми слоями, нитями и точками. -Разработку полупроводниковых и сверхпроводниковых источников и детекторов электромагнитного излучения. -Разработку светодиодов на основе полупроводниковых гетероструктур и на органической основе. -Разработку твердотельных и органических лазеров. -Разработку элементов солнечной энергетики. -Разработку наноструктурированных оптических волокон и устройств на их основе. -Разработку элементов фотоники и коротковолновой нелинейной оптики. К перспективным направлениям миниатюризации фотонных устройств и их интеграции в сложные системы относится использование фотонных кристаллов. Изготовление и исследование свойств наноразмерных оптических резонаторов сейчас является одним из самых интересных направлений развития нанофотоники, представляющих большую практическую и научную ценность.
Предметом изучения нанофотоники является распространение, преобразование, испускание и поглощение оптического излучения и сигналов в наноструктурах, с целью использования особенностей процессов взаимодействия излучения с веществом при таких масштабах для создания различных функциональных устройств. Нанофотоника возникла на стыке оптики, лазерной физики, квантовой электроники, физики и химии твердого тела, материаловедения, физической химии. Основная задача нанофотоники — разработка наноматериалов с улучшенными или принципиально новыми оптическими, электрооптическими и оптоэлектронными свойствами для создания на их основе фотонных функциональных устройств нового поколения. К таким устройствам относятся в частности следующие: -эффективные источники когерентного и некогорентного излучения с управляемыми характеристиками; -устройства отображения информации, включая дисплеи портативных приборов и большие цветные экраны; -приемники излучения и детекторы нового поколения; -оптоэлектронные (фотоэлектронные) преобразователи, в том числе компактные фотоэлектрические источники питания и солнечные батареи повышенной эффективности; -фотонная (оптическая) оперативная и долговременная память; -устройства оптической обработки сигналов, в том числе оптические регенераторы; -оптические переключатели и коммутаторы, в том числе для оптической коммутации пакетов; -оптические соединения между элементами электронных вычислительных машин (между блоками, платами, чипами и элементами чипов); -оптические вычислительные устройства, в том числе квантовые; -интегрированные сенсорно-диагностические системы для контроля окружающей среды и состояния человека; К новым перспективным материалам нанофотоники относятся следующие: -полупроводниковые квантово-размерные материалы, в том числе материалы с квантовыми ямами, квантовыми нитями и квантовыми точками; -фотонные кристалы, фотонно-кристаллические пленки и волокна; метаматериалы с отрицательным показателем преломления и металл-диэлектрические плазмонные наноматериалы. Важными средствами исследования материалов в нанофотонике являются ближнепольная сканирующая оптическая микроскопия, сканирующая туннельная микроскопия с применением возбуждающих фотонов (PASTM, photon-assisted scanning tunnel microscopy) и плазмонная оптика поверхности [2]. Нанотехнологии, которые наиболее широко применяются в фотонике и оптоинформатике: Формирование периодических наноструктур в диэлектрических и полупроводниковых средах с различной размерностью путем воздействия на них потоками атомов, фотонов, ускоренных заряженных частиц. В основном используются- Методы молекулярно-пучковой эпитаксии. Электронно-лучевой литографии Изготовление элементов фотонных схем лазеров, волноводов, СВЧ-оптических фильтров.
Источники Möschwitzer J., Müller R.H. Drug Nanocrystals – The Universal Formulation Approach for Poorly Soluble Drugs // Nanoparticulate Drug Delivery Systems. Drugs And The Pharmaceutical Sciences, v. 166 / Ed. by D. Thassu, M. Deleers, Y. Pathak. — Informa Healthcare, 2007. P. 71-88. Nanophotonics // Wikipedia, the free Encyclopedia. — http://en.wikipedia.org/wiki/Nanophotonics (дата обращения: 27.06.2010).
МЕТАМАТЕРИАЛЫ метаматериал (англ. metamaterial) — искусственный композитный структурированный материал, электромагнитные свойства которого существенно отличаются от свойств компонентов, входящих в его состав, и определяются особым упорядочением и структурой компонентов (кольцеподобной, рулонной, проводной и т. д.). Метаматериалы выделены в отдельный класс материалов, так как их свойства зависят от структуры компонентов, упорядоченных особым образом, и могут кардинально отличаться от свойств составляющих их компонентов. К метаматериалам такого типа относятся, например, синтетические дихроичные материалы, состоящие из изотропных компонентов: именно асимметричная структура композитного материала, приводит к появлению анизотропии формы. Существуют метаматериалы с многократно увеличенными электрической проницаемостью и магнитной восприимчивостью, метаматериалы, эффективность нелинейных эффектов в которых увеличивается на много порядков по сравнению с обычными веществами. Например, эффективность гигантского комбинационного рассеяния может возрастать в Хотя возможность управления структурой компонентов материала дает новую степень свободы в конструировании их свойств, однако настоящую революцию произвели работы, продемонстрировавшие возможность создания метаматериалов со свойствами, которые не встречаются в природных материалах. Термин «метаматериалы» особенно часто применяют по отношению именно к таким материалам. Один из наиболее известных классов метаматериалов — метаматериалы с отрицательным коэффициентом преломления, у которых одновременно отрицательны диэлектрическая и магнитная проницаемость. Существование веществ с одновременно отрицательными диэлектрической и магнитной проницаемостями было теоретически обоснована в работе В. Г. Веселаго, вышедшей еще в 1967 г. [1]. Как показал автор, такие вещества характеризуются отрицательными значениями показателя преломления, а многие оптические свойства существенно отличаются от свойств традиционных материалов. Природных материалов с такими свойствами пока не обнаружено. Экспериментально вещества с отрицательным показателем преломления в радиодиапазоне электромагнитных волн были созданы в 1999 г. [2]. В настоящее время широким фронтом ведутся работы по созданию и исследованию метаматериалов с отрицательным показателем преломления в оптическом диапазоне. Все созданные искусственно материалы с одновременно отрицательными диэлектрической и магнитной проницаемостями в оптическом диапазоне являются композитами, содержащими металлические и диэлектрические компоненты. Весьма перспективным классом метаматериалов являются фотонные кристаллы, в частности резонансные фотонные кристаллы [3]. Литература Веселаго В. Г. Электродинамика веществ с одновременно отрицательными значениями ε и μ // УФН. 1967. Т. 92. С. 517. Pendry J. B., Schurig D., Smith D. R. // Science. 2006. V. 312. P. 1780. Манцызов Б.И. Когерентная и нелинейная оптика фотонных кристаллов. — М.: Физматлит, 2009. — 206 с.
Вопросы по нанофотонике. 1.Основныепонятия: электромагнитная волна уравнение волны волновойвектор фазовая и групповая скорость. Уравнения Максвелла Уравнение волны в комплексной форме УравненияМаксвелла в комплексной форме. Классификация волн. 2. Волновая функция и уравнение Шредингера. Уравнение Шредингера. Волновая функция, ее физический смысл. Частица в бесконечно глубокой потенциальной яме (решение уравнения Шредингера). Разрешенные уровни энергии для частицы в бесконечно глубокой потенциальной яме. Квантовый конфайнмент. 3. Размерное квантование и квантово–размерные структуры. Уравнение Шредингера. Энергетический спектр кантово-размерных структур. Квантовые ямы. Квантовые нити. Квантовые точки. Квантовый конфайнмент. Плотность состояний. 4. Фотонные кристаллы. Одномерные фотонные кристаллы. Методы матрицы преобразования для слоисто-периодических структур. Получение дисперсионного Уравнения для одномерного фотонного кристалла. 5. Тензор диэлектрической проницаемости. Тензор магнитной проницаемости. Дисперсионное уравнение для полупроводникового одномерного фотонного кристалла. 6. Расчет зонной структуры одномерного фотонного кристалла (по Sakoda). 7. Плазмоны. Плазма. Волны в плазме. Плазменная частота. 8. Теория металлов Друде. 9. Эффективная диэлектрическая проницаемость. Частотная дисперсия материальных параметров. Соотношения Крамерса-Кронига. 10. Теория эффективной среды. Композитная среда со сферическими включениями. Композитная среда с эллипсоидальными включениями. Формализм Максвелла Гарнета. Формула Бруггемана. 11.Плазмоны. Плазмон– поляритоны. Поверхностныеплазмоны. Дисперсионные кривые. Возбуждение поверхностных плазмонов. Плазмоный резонанс в сферических частицах. 12.Метаматериалы. 13. Построение дисперсионных кривых для одномерного фотонного кристалла 14. Расчет эффективной диэлектрической проницаемости композитной среды (включения сферическойформы) 15.Графическое нахождение запрещенных и разрешенных зон при помощи функции F 16. Построение band-gap диаграммы для одномерного фотонного кристалла.
|
раз по сравнению с вынужденным комбинационным рассеянием в компонентах, на порядки увеличивается эффективность генерации второй и третьей гармоник.
