XVI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2024

Введение

Плоды научно-технического прогресса сильно влияют на мир и жизнь современных людей. Без них мы бы не смогли познать мир так глубоко как знаем сейчас. И все же в мире еще остались нераскрытые для человека тайны природы. В этом нам помогают различные приборы и вычислительные маши. Но у каждой машины есть свой предел. Для его преодоления мы желаем усовершенствовать наши инструменты, сделав их более быстрыми.

Появилась идея заменить в современных аппаратах электроны на фотоны, где последние могу двигаться со скоростью света. Это бы смогло увеличить скорость обработки информации во много раз быстрее. Но так как фотоны нельзя уменьшить до размеров несколько нанометра из-за их дифракционного предела, эта идея уходит в сторону [1].

В 2003 году M. Штокману и Д. Бергману получилось создать аналог электрического транзистора на базе плазмоники. Из-за схожести с лазером его решили назвать спазером [3]. М. Ногинов в своей работе теоретически описал успешную его реализацию [4].

Наноплазмонная частица для излучения когерентных волн

Что бы узнать в чем же сходство и различие между лазером и спазером, всмотримся в их структуру. Основную часть лазера (рис.1а) составляет усиливающая среда, окружённая резонатором (зеркалом). Под действием накачки среда переходит в состояние с инверсной заселенностью. Через некий промежуток времени один атом излучает фотон и тот, отражаясь от стенок резонатора, провоцирует другие атомы, вызывая вынужденное излучение. Вскоре фотоны начинаю покидать резонатор из-за неидеальной отражающих сторон тем самым создает поток излучения лазера. Выход фотонов связан с добротностью самого резонатора. Типичное значение добротности составляет [1]. Наличие такого резонатора не позволяет уменьшить его в половину длины генерируемой волны. Чтобы преодолеть это ограничение, была придумана другая структура.

а)	б)

Рис. Схема устройства а) лазера и б) спазера [1]

Рассмотрим данную структуру. На рис.1б изображено строение спазера. В место резонатора был взят металлический шарик, радиус которого во много раз меньше глубины скин слоя. Под воздействием электромагнитного поля в нем происходит смещение электронов, что влечет за собой омические потери. Для их компенсации, шарик окружают диэлектрической оболочкой с активными атомами. Эту среду накачивают каким-либо образом, и затем происходят действия аналогично лазеру.

Порог генерации для спазера

Мы можем решить уравнение Максвелла и определить структуру излучаемой моды. В уравнении правая часть во много раз меньше единицы. Поэтому мы можем представить электрическое поле в виде градиента, . Т. к. системе отсутствуют внешние заряды, получим

(1)

Вблизи порога генерации спазера, зависимость оператора от координаты носит тривиальный характер [2]. Поэтому уравнение (1) сводится к уравнению Лапласа, которое необходимо дополнить условием непрерывности величин Ф и на границах раздела, где - единичный вектор нормали к этим границам [2]. Решение этой задачи примет вид:

(2)

Неизвестные константы определяются из граничных условий [2]. Предлагая, что в резонансе с активными молекулами находится дипольная мода , находим, что решение существует тогда и только тогда, когда [2]

(3)

Причем,

(4)

Существование нетривиального решения означает генерацию в системе [2]. Используюя соотношение (3) и зная дисперсию диэлектрических проницаемостей остальных веществ, мы можем определить из него частоту излучения спазера для порога генерации и необходимую интенсивность накачки [2].

Выводы

В данной работе рассмотрены наночастицы, состоящие из ядра, состоящего из металла, окруженного диэлектрической оболочкой с активными атомами, которые выполняют роль усиливающей среды. Такие наночастицы получили название спазер. В результате на основе поверхностного плазмонного резонанса в спазере возникает генерация когерентного излучения. Основным отличием спазера от лазера является низкая добротность резонатора за счет омических потерь. Рассмотрено условие получения генерации излучения спазера. Результаты работы могут быть использованы для расчетов параметров наночастиц с оболочкой.

Список литературы

1. Парфеньев В. М. “Спазер в надпороговом режиме: сдвиг частоты генерации”

2. Парфеньев В. М. “Нелинейные явления в плазмонике и гидродинамике: теория спазера и генерация завихренности поверхностными волнами”

3. David J. Bergman and Mark I. Stockman. Surface plasmon amplification by stimulated emission of radiation: Quantum generation of coherent surface plasmons in nanosystems. Physical Review Letters, 90:027402, 2003.

4. M. A. Noginov, G. Zhu, A. M. Belgrave, R. Bakker, V. M. Shalaev, E. E. Narimanov, S. Stout, E. Herz, T. Suteewong, and U. Wiesner. Nature, 460:1110, 2009.

5. M.I. Stockman. The spaser as a nanoscale quantum generator and ultrafast amplifier. Journal of Optics, 12:024004, 2010.

Код для цитирования: Скопировать