VII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2015

В настоящее время пристальное внимание ученых привлекают наноструктурированные объекты, позволяющие продемонстрировать новые физические закономерности и миниатюризировать приборы, созданные на их основе. В современных устройствах фотоники используются нанотонкие слои материалов, содержащие несколько атомных плоскостей, или композитные материалы, содержащие наночастицы различной формы. Возможность усиления электромагнитного излучения в таких устройствах, содержащих включения различной природы, изучалась во многих работах [3], [4],[5], [6]. Для усиления электромагнитной волны и создания когерентного излучения в устройствах нанофотоники в 2003 г. был предложен новый источник когерентного излучения - спазер, основанный на металлической наночастице с диэлектрической оболочкой. Принципы работы спазера были описаны Бергманом и Стокманом в работе [1]. Спазер-это устройство нанофотоники, которое способно генерировать поверхностные плазмоны и усиливать нанолокализованные оптические поля. Принципиальным отличием спазера от лазера является отсутствие обратной связи в виде зеркал или других элементов, которые могли бы послужить источником дополнительного паразитного рассеяния излучения.

В данной работе рассматривается спазер на основе наночастицы, содержащей ядро из золота, и исследуется область работы спазера в режиме когерентного излучения. На рисунке 1 изображена наночастица с оболочкой, работающей в режиме спазера. Ядро из металла, в данном случае из золота, покрыто диэлектрической оболочкой. На границе раздела металл - диэлектрик могут возникать поверхностные плазмоны на частоте, зависящей как от диэлектрической проницаемости сред, так и от геометрических размеров наночастицы. Для усиления рассматриваемая наночастица с оболочкой окружена тонким слоем усиливающей среды, состоящей из нескольких слоев хромофор.

Рис.1. Геометрия спазера.

Усиление в такой наночастице осуществляется при наличии накачки, которая позволяет осуществить подвод энергии к усиливающей среде [1], [2]. Интересной особенностью наночастицы с металлическим ядром и диэлектрической оболочкой, окруженной усиливающей средой, является возможность работы в режиме спазера, в котором наблюдается усиление падающей электромагнитной волны и создается когерентное излучение, а также возможность работы в обычном режиме, когда наночастица выступает как центр рассеяния и поглощения и не приводит к усилению. Теоретические основы работы спазера подробно изложены в работах [1], [2]. В работе [1] показано, что когерентное излучение в рассматриваемой нами золотой наночастице с оболочкой возникает в случае, если выполняется условие спайзинга:

, (1)

где d₁₂ – дипольный момент спазера, n_c - плотность хромофор в усиливающей среде, Г₁₂- частота поляризационной релаксации, S()-спектральный параметр Бергмана, _m() - диэлектрическая проницаемость металла (золота). Спектральный параметр Бергмана рассчитывается по формуле:

, (2)

где _d - диэлектрическая проницаемость окружающей среды. Диэлектрическая проницаемость металла рассчитывалась в рамках модели Друде:

, (3)

где p – плазменная частота,  – столкновительная частота, _р – решеточная часть диэлектрической проницаемости.

Целью данной работы является изучение возможности работы в качестве спазера наночастицы с ядром из золота и оценка влияния затухания на коэффициент усиления спазера. Для численного расчета обозначим левую часть условия (1) за F:

и построим график зависимости функции F от частоты. Область, в которой F1, соответствует выполнению условия спайзинга. Результаты расчетов приведены на рисунке 2. Для расчетов использовались следующие параметры: d₁₂=1,510^-17 esu, плотность хромофор n_c=2,410²⁶ м^-3 , =10 мэВ, _d=1,77 [6].

Рис.2. Расчет рабочей области спазера. График зависимости функции F от частоты. В области, соответствующей выполнению условия F1, выполняется условие спайзинга. Значение, равное 1, отмечено на графике прямой пунктирной линией. Сплошная линия: столкновительная частота =0,04010¹⁴ Гц, точечная линия: =0,06010¹⁴ Гц.

Из рисунка 2 видно, что условие спайзинга F1, соответствующего усилению и генерации когерентного излучения, выполняется для ультрафиолетового диапазона в окрестностях частоты =6,05510¹⁵ рад/с. Как показали расчеты, увеличение плотности хромофор n_c влияет на величину коэффициента усиления и высоту пика функции F (см. рисунок 2), однако не меняет его положения. Как хорошо видно из рисунка 2, положение полосы, в которой выполняется условие спайзинга, зависит от затухания, в данном случае от столкновительной частоты для металлического ядра. Столкновительная частота может меняться при изменении температуры, а также радиуса наночастицы. Таким образом, проведенное исследование показывает, что можно изготовить металлическую наночастицу с оболочкой, которая работает в режиме спазера в заранее заданном частотном диапазоне. Результаты работы могу использоваться для создания усиливающих нанокомпозитных структур для устройств фотоники.

Список литературы

1. Bergman D.J., Stockman M.I. Surface Plasmon Amplification by Stimulated Emission of Radiation: Quantum Generation of Coherent Surface Plasmons in Nanosystems // Physical Review Letters. 2003. V. 90. P.027402-1-027402-8.

2. Stockman M.I. Spaser as Nanoscale Quantum Generator and Ultrafast Amplifier // Journal of Optics. 2010. V. 12. P. 024004-1-024004-13.

3. Головкина М.В., Обухович Т.Е. Усиление электромагнитной волны в композитных структурах с включениями сложной формы //Альманах современной науки и образования. 2014. № 5-6 (84). С. 53-55.

4. Golovkina M.V. Specific features of the propagation of electromagnetic waves in a waveguiding structure with superconducting film and metamaterial // Bulletin of the Russian Academy of Sciences: Physics. 2010. V. 74. № 12. P. 1669-1673.

5. Головкина М.В. Запредельный волновод со сверхпроводником // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. 2009. № 6. С. 84.

6. Головкина М.В. Магнитные свойства композита со сверхпроводящими включениями // Научно-технические ведомости Санкт-Петербургского государственного политехнического университета. Физико-математические науки. 2010. Т. 3. № 104. С. 105-109.

6. Noginov M. A. et al. Demonstration of a spaser-based nanolaser // Nature. 2009. V. 460. P. 1110-1112.