Оптические явления в металло-диэлектрических фотонных кристаллах
Диссертация
Проанализировано перераспределение плотности энергии электромагнитного поля в элементарной ячейке трехмерного металло-диэлектрического фотонного кристалла при изменении угла падения света па фотонный кристалл на фиксированной длине волны. Найдены и проанализированы диапазоны изменения длины волны и угла падения света, при которых резко изменяется коэффициент поглощения металло-диэлектрического… Читать ещё >
Содержание
- 1. Фотонные кристаллы: свойства и применение
- 1. 1. Электродинамика сплошных сред: основные понятия
- 1. 2. Оптические свойства фотонных кристаллов
- 1. 3. Использование фотонных кристаллов в оптоэлектронике
- 1. 3. 1. Антиотражающие покрытия
- 1. 3. 2. Оптические химические сенсоры
- 1. 3. 3. Источники света
- 1. 4. Результаты главы
- 2. Численные методы для расчета оптических свойств металло-диэлектрического фотонного кристалла
- 2. 1. Метод разложения, но плоским волнам
- 2. 2. Расчет плотности фотонных состояний в методе плоских волн
- 2. 3. Слоевой метод Корринга-Кона-Ростокера
- 2. 4. Метод конечных разностей для уравнений Максвелла во временной форме
- 2. 5. Результаты главы
- 3. Расчет зонной структуры металлических фотонных кристаллов: модифицированный метод разложения по плоским волнам
- 3. 1. Метод разложения, но плоским волнам. Формула Друде-Лоренца
- 3. 2. Метод решения уравнения на собственные значения
- 3. 3. Результаты расчетов
- 3. 4. Результаты главы
- 4. Формирование спектра поглощения металло-диэлектрических трехмерных фотонных кристаллов
- 4. 1. Исследуемая структура
- 4. 2. Результаты и анализ численных расчетов
- 4. 3. Результаты главы
- 5. Оптический аналог эффекта Бормана в фотонных кристаллах
- 5. 1. Эффект Бормана в рентгеноскопии
- 5. 2. Эффект Бормана в фотонном кристалле
- 5. 3. Результаты главы
Список литературы
- Sakoda К. Optical Properties of Photonic Crystals. — Springer, 2001.
- Yablonovitch E. Inhibited spontaneous emission in solid-state physics and electronics // Phys. Rev. Lett. 1987. — Vol. 58.- Pp. 2059−2062.
- Joarmopoulos J. D., G. Johnson S., Winn J. N., Meade R. D. Photonic Crystals: Molding the Flow of Light. — Princeton Univ. Press, 2008.
- Lin S.-Y., Fleming J. G. Chow E. Bur J. Choi К. K., Goldberg A. Enhancement and suppression of thermal emission by a three-dimensional photonic crystal / / Phys. Rev. B. 2000. — Vol. 62. — Pp. R2243—R2246.
- Lalanne P. Morris G. M. Antireflection behavior of silicon subwavelength periodic structures for visible light // Nanotechnology. — 1997. — Vol. 8. — Pp. 53−56.
- Zhang W., Ganesh N., Block I. D., Cunningham В. T. High sensitivity photonic crystal biosensor incorporating nanorod structures for enhanced surface area // Sens. Actuators B: Chem. — 2008. — Vol. 131. — Pp. 279 284.
- Богданова M., Лозовик Ю., Колесников А. Аномальное оптическое прохождение через систему вихрей в пленке сверхпроводника II рода // Uzhhorod University Scientific Herald. Series Physics. — 2009.— Vol. 24. Pp. 32−38.
- Alfimov М. V. Nanotechnologies: The role of computer simulation // Российские нанотехнологии. — 2007. — Т. 2. — С. 1−5.
- Van Tiggelen В., Kogan Е. Analogies between light and electrons: Density of states and friedel’s identity // Phys. Rev. A. — 1994, — Vol. 48.— Pp. 708−713.
- Беликов А. В. Богданова M. В., Лозовик Ю. Е. Расчет зонной структуры металлических фотонных кристаллов: модифицированный метод разложения по плоским волнам // Математическое моделирование. — 2007. — Т. 19. — С. 19−26.
- Bogdanova М. V., Eiderman S. L., Lozovik Y. Е., Willander М. Absorption spectra versus field distribution for metal-dielectric three-dimensional photonic crystals // Laser Physics. — 2008. — Vol. 18. — Pp. 417−423.
- Эйдерман С., Богданова M., Лозовик Ю., Белоусов С., Дейнега А., Валуев И. Формирование спектра поглощения металл о-диэлектрических трехмерных фотонных кристаллов / / Математическое моделирование. — 2009. — Т. 21. — С. 21−40.
- Богданова М., Лозовик Ю., Эйдерман С. Оптический аналог эффекта
- Бормана в фотонных кристаллах // ЖЭТФ. — 2010. — Т. 137. — С. 685−694.
- Богданова М., Лозовик Ю., Эйдерман С. Оптический аналог эффекта Бормана в фотонных кристаллах // Uzhhorod University Scientific Herald. Series Physics. — 2009. — Vol. 24, — Pp. 22−31.
- Бореп КХафмен Д. Поглощение и рассеяние света малыми частицами. — М.: Мир, 1986.
- Drude P. Zur ionentheorie der metalle // Physik.Z.— 1900.— Vol. 1.— P. 161.
- Drude P. The Theory of Optics. — New York: Longmans, Green and Company, 1902. — 361 pp.
- Roberts S. Optical properties of nickel and tungsten and their interpretation according to drude’s formula // Phys. Rev. — 1959.— Vol. 114. — Pp. 104−115.
- Ярив А., Юх П. Оптические волны в кристаллах.— Москва: Мир, 1987.- 169−195 с.
- Yeh P., Yariv A., Hong C.-S. Electromagnetic propagation in periodic stratified media. I. general theory. // J. Opt. Soc. Amer.— 1977.— Vol. 67. Pp. 423−437.
- Yeh P., Yariv A. Electromagnetic propagation in periodic stratified media. II. birefringence, phase matching, and X-ray lasers. //J. Opt. Soc. Amer. 1977. — Vol. 67. — Pp. 438−448.
- Емелин В., Классен H. Осипъян Ю. Дифракция и аномальное прохождение света в пластически деформированном сульфиде кадмия // Письма ЖЭТФ. 1981. — Т. 33. — С. 329−332.
- Li Z., Zhang Z. Fragility of photonic band gaps in inverse-opal photonic crystals // Phys. Rev. B. 2000. — Vol. 62. — Pp. 1516−1519.
- Park S., Xia Y. Assembly of mesoscale particles over large areas and it’s application in fabricating tunable optical filters // Langmuir. — 1999. — Vol. 23. Pp. 266−273.
- Park S. H., Gates В., Xia Y. A three-dimensional photonic crystal operating in the visible region, advanced materials // Advanced Materials. — 1999. Vol. 11. — Pp. 466−469.
- Van Blaaderen A., Ruel R., Wiltzius P. Template-directed colloidal crystallization // Nature. — 1997. — Vol. 385. — Pp. 321—324.
- Subramania G., K. Constant, Biswas R., Sigalas M., Ho K. Optical photonic crystals synthesized from colloidal systems of polystyrene spheres and nanocrystalline titania // IEEE Journal of Lightwave Technology. — 1999,-Vol. 17. — P. 1970.
- Jiang P., Bertone J. F., Hwang K. S., Colvin V. L. Single-crystal colloidal multilayers of controlled thickness // Chew,. Mater. — 1999. — Vol. 11.— Pp. 2132—2140.
- Romanato F., Cojoc D., Fabrizio E. D., Galli M., Bajoni D. X-ray and electron-beam lithography of three-dimensional array structures for photonics // J. Vac. Sci. Technol. B. 2003, — Vol. 21, — Pp. 2912—2917.
- Займан Д. Принципы теории твердого тела. — Москва: Мир, 1966.
- Monkhorst Н., Pack J. Special points for Brillouin-zone integrations // Phys. Rev. B. — 1976. — Vol. 13, — Pp. 5188−5192.
- Sprik R., van Tiggelen В., Lagendijk A. Optical emission in periodic dielectrics // Europhys. Lett. 1996. — Vol. 35. — Pp. 265−270.
- Johnson S. G., Fan S., Villeneuve P. R., Joannopoulos J. D., Kolodziejs-ki L. A. Guided modes 111 photonic crystal slabs // Phys. Rev. В.— 1999, — Vol. 60.- Pp. 5751—5758.
- Johnson S. G., Villeneuve P. R., Fan S., Joannopoulos J. D. Linear waveguides in photonic-crystal slabs f / Phys. Rev. B. — 2000. — Vol. 62. — Pp. 8212—8222.
- Chutinan A., Noda S. Waveguides and waveguide bends in two-dimensional photonic crystal slabs // Phys. Rev. B. — 2000. — Vol. 62. — Pp. 4488—4492.
- Sigalas M. M., Biswas R., По К. M., Soukoulis С. M., Crouch D. D. Waveguides in 3-d metallic photonic band gap materials // Phys. Rev. B. 60. — Vol. 1999. — P. 4426.
- Bertoni H., Cheo L.-FL., Tamir T. Frequency-selective reflection and transmission by a periodic dielectric layer // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. — 37. — Vol. 1989. — Pp. 78—83.
- Ho K.-M., Chan С. Т., Soukoulis С. M. Existence of a photonic gap in periodic dielectric structures // Phys. Rev. Lett. ~ 1990. — Vol. 65. — P. 3152.
- Large-scale synthesis of a silicon photonic crystal with a complete three-dimensional bandgap near 1.5micrometres / A. Blanco, E. Chomski, S. Grabtchak, M. Ibisate, S. Jolm, S. W. Leonard, C. Lopez et al. // Nature. 2000. — Vol. 405. — Pp. 437−440.
- Lin S. Y., Fleming J. G. A. Three-dimensional optical photonic crystal // IEEE J. Lightwave Technol. 1999. — Vol. 17. — Pp. 1944−1947.
- Noda S., Yamamoto N., Imada M., Kobayashi H., Okano M. Alignment and stacking of semiconductor photonic bandgaps by wafer-fusion // IEEE J. Lightwave Technol. 1999. — Vol. 17. — Pp. 1948−1955.
- Photonic crystal properties of packed submicrometric SiC>2 spheres / H. Migucz, C. Lopez, F. M. A. Blanco, L. Vazquez, R. Mayoral, M. Ocana, V. Fornes, A. Mifsud // Appl. Phys. Lett. 1997. — Vol. 71. — Pp. 11 481 150.
- Moroz A. Metallo-dielectric diamond and zinc-blende photonic crystals // Phys.Rev.B. 2002. — Vol. 66. — P. 115 109.
- Moroz A., Sотiriers C. Photonic band gaps of three-dimensional face-centred cubic lattices // J. Phys.: Condens. Matter. — 1999. — Vol. 11. — Pp. 997−1008.
- Moroz A. A simple formula for the L-gap width of a face-centred cubic photonic crystal // J. Opt. A: Pure Appl. Opt. — 1999.— Vol. 1.— Pp. 471−475.
- Russell P. Photonic band gaps // Phys. World. — 1992. — Vol. 45. — Pp. 37−42.
- John S. Localization of light // Physics Today. 1991. — Vol. 44. — P. 32.
- Yaimopapas V., Modinos A., Stefanou N. Optical properties of metallodi-electric photonic crystals // Phys. Rev. B. 1999. — Vol. 60. — Pp. 53 595 365.
- El-Kady /., S’igalas M. M.- Biswas R., Но К. M., Soukoulis С. M. Metallic photonic crystals at optical wavelengths // Phys. Rev. В. — 2000.— Vol. 62.-Pp. 15 299−15 302.
- Moroz A., Tip A., Combes J. Absorption in periodic layered structures // Synth. Met. 2001. — Vol. 116. — P. 481.
- Stefanou N., Yannopapas V., Modinos A. Heterostructures of photonic crystals: frequency bands and transmission coefficients // Сотр. Phys. Comm. 1998. — Vol. 113. — Pp. 49−77.
- Borrmann G. Uber extinktionsdiagramme der rontgenstrahlen von quarz // Physik Z. — 1941. Vol. 42. — Pp. 157−162.
- Lane M. V. Die absorption der r? ntgenstrahlen in kristallen im interferen-zfall // Acta Crystallogr. 1949. — Vol. 2, — Pp. 106−113.
- Minot M. J. Single-layer, gradient refractive index antireflection films effective from 0.35 to 2.5 mkm // J. Opt. Soc. Am. — 1976, — Vol. 66, — Pp. 515−519.
- Lowdermilk W. II. Milam D. Graded-index antireflection surfaces for high-power laser applications // Appl. Phys. Lett. — 36.— Vol. 891.— P. 1980.
- Jacobson R. «Inhomogeneous and coevaporated homogeneous films for optical applications, // Physics of Thin Films / Ed. by G. Hass, M. H. Francombe, R. W. Hoffman. — New York: Academic, 1975, — Vol. 8.— Pp. 51−98.
- Sankur H., Southwell W. H. Broadband gradient-index antireflection coating for znse // Appl. Opt. 1984. — Vol. 23. — Pp. 2770−2773.
- Campbell P. Green M. A. Light trapping properties of pyramidally textured surfaces // J. Appl. Physics. 1987. — Vol. 62. — Pp. 243−249.
- Lalanne P., Lemercier-Lalanne D. On the effective medium theory of subwavelength periodic structure // J. Mod. Opt. — 1994. — Vol. 43. — Pp. 7875−7882.
- Tao R., Chen Z.- Sheng P. First-principles fourier approach for the calculation of the effective dielectric constant of periodic composites // Phys. Rev. B. 1990. — Vol. 41. — Pp. 2417−2420.
- Smith A. W., Rohatgi A., Neel S. C. Texture: a ray tracing program for the photovoltaic community // Photovoltaic Specialists Conference, 1990., Conference Record of the Twenty First IEEE. — 1990. — Vol. 1. — Pp. 426−431.
- Thorp D., Wenham S. R. Ray-tracing of arbitrary surface textures for light-trapping in thin silicon solar cells // Solar Energy Materials and Solar Cells. 1997. — Vol. 48. — Pp. 295−301.
- Green M. A., Keevers M. Optical properties of intrinsic silicon at 300 к // Progress in Photovoltaics. — 1995, — Vol. 3, no. 3, — Pp. 189−192.
- Park J., Moon J., Shin H., Wang D., Park M. Dircct-write fabrication of colloidal photonic crystal microarrays by ink-jet printing // Journal of Colloid and Interface Science. — 2006. Vol. 298. — Pp. 713−719.
- Fluorescence amplification using colloidal photonic crystal platform in sensing dye-labeled deoxyribonucleic acids / H. Kim, S. Kim, H. Jeon, J. Ma, S. Choi, S. Lee, С. Ко, W. Park // Sens. Actuators B: Chem.— 2007. Vol. 124. — P. 147.
- Пекар С. О влиянии деформации решеток электронами на оптические и электрические свойства кристаллов // УФН.— 1953.— Т. 50, — С. 197.
- Megens М., Wijnhoven J., Lagendijk A., Vos W. Fluorescence lifetimes and linewidths of dye in photonic crystals // Phys. Rev. A. — 1999. — Vol. 59. P. 4727.
- Lin S. Y., Fleming J. G., Li Z. Y., El-Kady I., Biswas R., Но К. M. Origin of absorption enhancement in a tungsten, three-dimensional photonic crystal // J. Opt. Soc. Am. B. — 2003. Vol. 40. — P. 1538.
- Fleming J. G., Lin S. Y. El-Kady I., Biswas R., Но К. M. All-metallic three-dimensional photonic, crystals with a large infrared bandgap // Nature. — 2002. — Vol. 417. P. 52.
- Plihal M., Shambrook A. Maradudin A. A., Sheng P. Two-dimensional photonic band structures // Opt. Commun. — 1991. — Vol. 80. — Pp. 199 204.
- Maradudin A. A., McGurn A. R. Photonic band structure of a truncated, two-dimensional, periodic dielectric medium // J. Opt. Soc. Am. B. — 1993. Vol. 10. — Pp. 307−313.
- Kuzmiak V., Maradudin A. A. Pincemin F. Photonic band structures of two-dimensional systems containing metallic components // Phys. Rev. B. 1994. — Vol. 50. — Pp. 16 835−16 844.
- Kuzmiak V., Maradudin A. A. Photonic band structures of one- and two-dimensional periodic systems with metallic components in the presence of dissipation // Phys. Rev. Я — 1997.-Vol. 55.
- Kuzmiak V., Maradudin A. A., McGurn A. R. Photonic band structures of two-dimensional systems fabricated from rods of a cubic polar crystal // Phys. Rev. B. 1997. — Vol. 55. — Pp. 4298−4311.
- Kuzmiak V., Maradudin A. A. Distribution of electromagnetic field and group velocities in two-dimensional periodic systems with dissipative metallic components // Phys. Rev. B. 1998, — Vol. 58. — P. 7230.
- Peters G., Wilkinson J. H. Ax = XBx and the generalized eigenprob-lem // SI AM J. Numer. Anal 1970. — Vol. 7. — Pp. 479−492.
- Busch K., John S. Photonic band gap formation in certain self-organizing systems // Phys. Rev.E. 1998. — Vol. 58.- Pp. 3896−3908.
- Meade R., Rappe A., Brommer K., Joannopoulos J., Alerhand O. Accurate theoretical analysis of photonic band-gap materials // Phys. Rev. B. 1993. — Vol. 48. — Pp. 8434−8437.
- Villeneuve P. R., Piche M. Photonic bandgaps in periodic dielectric structures // Prog. Quantum Electron. — 1994. — Vol. 18. Pp. 153−200.
- Hama J., Watanabe M.- Kato T. Correctly weighted tetrahedron method for fc-space integration // J. Phys.: Condens. Matter. — 1990. — Vol. 2.— P. 7445.
- Lehmann G., Taut M. Calculation of the density of states // Phys. Status Solidi B. 1972. — Vol. 54. — Pp. 469−477.
- Наша J., Watanabe M., Kato T. Correctly weighted tetrahedron method for k-space integration //J. Phys. Condens. Matter. — 1990, —Vol. 2.— P. 7445.
- Stefanou NModinos A. Scattering of light from a two-dimensional array of spherical particles on a substrate // J. Phys.: Condens. Matter.— 1991. Vol. 3. — Pp. 8135−8148.
- Stefanou N. Karathanos V., Modinos A. Scattering of electromagnetic waves by periodic structures //J. Phys.: Condens. Matter.— 1992.— Vol. 4. Pp. 7389−7400.
- Qiu Г. Leung К. M. Carin L. Kralj D. Dispersion curves and transmission spectra of a two-dimensional photonic band-gap crystal: Theory and experiment // J. Appl Phys.- 1995 Vol. 77. — P. 3631.
- Pendry J. B. Photonic band structures // J. Mod. Opt. — 1994. — Vol. 41.-Pp. 209−229.
- Modinos A. Scattering of electromagnetic waves by a plane of spheres—formalism // Physica A. — 1987.— Vol. 141. — Pp. 575—588.
- Jackson J. D. Classical Electrodynamics. — Wiley, New York: Academic Press, 1975.
- Pendry J. B. Low Energy Electron Diffraction. — London: Academic Press, 1974.
- Taflove A., Hagness S. C. Computational Electrodynamics.— Boston, MA: Artech House, 2000.
- Yee K. S. Numerical solution of inital boundary value problems involving maxwell’s equations in isotropic media // IEEE Trans. Antennas and Propagation. 1966. — Vol. 14. — P. 32.
- Valuev I., Deinega A., Belousov S. Iterative technique for analysis of periodic structures at oblique incidence in the finite-difference time-domain method // Opt. Lett. 2008. — Vol. 33.-Pp. 1491−1493.
- Valuev L, Deinega A., Knizhnik A. Potapkm B. Creating numerically efficient fdtd simulations using generic С++ programming // Lecture Notes in Computer Science. 2007. — Vol. 4707. — Pp. 213−226.
- Deinega A., Valuev I. Subpixel smoothing for conductive and dispersive media in the fdtd method // Optics Letters.— 2007.— Vol. 32, — Pp. 3429−3431.
- Sacks Z. S., Kingsland D. M. Lee R., Lee J. F. A perfectly matched anisotropic absorber for use as an absorbing boundary condition // IEEE Trans. Anten. and Prop. — 1995. Vol. 43. — Pp. 1460−1463.
- Sullivan D. M. An unsplit step 3D PML for use with the FDTD method // IEEE Microwave and Guided Wave Letters.— 1997. — Vol. 7. — Pp. 184 186.
- Berenger J. P. A perfectly matched layer for the absorption of electromagnetic waves // J. Comput. Phys. — 1994, —Vol. 114. — Pp. 185−200.
- Bohren C. F., Huffman D. R. Absorption and Scattering of Light by Small Particles. — New York: Wiley-Interscience, 1983.
- Kunz K. S., Luebbers R. J. The Finite Difference Time Domain Method for Electromagnetics. — Boca, Raton, FL: CRC Press, 1993.
- Pendry J. B. Calculating photonic band structure // J. Phys.: Condens. Matter.- 1996. — Vol. 8, — Pp. 1085−1108.
- Batterman В., Cole H. Dynamical diffraction of x rays by perfect crystals // Rev. Mod. Phys. 1964, — Vol. 36. — Pp. 681−717.
- Wang W. Asher S. A. Photochemical incorporation of silver quantum dots in monodisperse silica colloids for photonic crystal applications //J. Am. Chem. Soc. 2001. — Vol. 123. — Pp. 12 528−12 535.
- Inverse Borrmann effect in photonic crystals / A. P. Vinogradov, Y. E. Lozovik, A. M. Merzlikin, A. V. Dorofeenko, I. Vitebskiy, A. Figotin, A. B. Granovsky, A. A. Lisyansky // Phys.Rev.В. — 2009, — Vol. 80.— P. 235 106.
- Раздолъский И. Э., Мурзина Т. В., Акципетров О. А.- Иноуэ М. Эффект Боррманна в фотонных кристаллах: нелинейно-оптические следствия // Письма ЖЭТФ.- 2008, — Т. 87.- С. 461−464.
- Hardikara V. V., Matijevic Е. Coating of nanosize silver particles with silica // J. Colloid Interface Sci. 2000. — Vol. 221. — Pp. 133−136.
- Carcia-Santamaria F., Lopez C., Meseguer F., Lopez-Tejeira F. Sanchez-Dehesa J., Miyazaki H. Opal-like photonic crystal with diamond lattice // Appl, Phys. Lett, 2001. — Vol. 79. — P. 2309.
- Jiang Y, Whitehouse C., Li J., Tarn W. Y., Chan С. Т., Sheng P. Optical properties of metallo-dielectric microspheres in opal structures // J. Phys.: Condens. Matter. 2003. — Vol. 15. — Pp. 5871—5879.
- Hsiao F., Chan C., Chen C. Optical properties of metallodielectric opals 11 Appl. Phys. Let. 2006. — Vol. 89. — P. 253 123.
- Романов С. Г. Анизотропия распространения света в тонких пленках опалов // ФТТ. 2007. — Т. 49. — С. 512−522.15 W
- Pavarini E., Andreani L. C., Soci C., Galli M., Marabelli F., Comoret-to D. Band structure and optical properties of opal photonic crystals // Phys. Rev. B. 2005. — Vol. 72. — P. 45 102.