Οπτικές ιδιότητες σύνθετων φωτονικών συστημάτων

Abstract

We develop an extension of the layer-multiple-scattering method to photonic structures made of scatterers of arbitrary shape and report applications of the method on a variety of specific examples. We first examine the optical properties of periodic arrays of inclusions of a polar material in a dielectric matrix as well as of dielectric inclusions in a polar host medium. The transmission characteristics of finite slabs of these structures are related to the complex band structure of the corresponding infinite three-dimensional crystals and the effect of dissipative losses is examined. Our results reveal the existence of strong resonant modes, originating from the excitation of flat-surface, particle, and cavity phonon-polaritons, which may be useful in terahertz applications. We next investigate plasmonic systems of two- and three-dimensional ordered arrays of metallic nanodisks. In particular, we analyze the electromagnetic interaction of waveguide modes of a homogeneous indium tin oxide film on a quartz substrate with collective plasmon modes of a two-dimensional periodic overlayer of gold nanodisks and obtain excellent quantitative agreement with experiment. Another application concerns a proposal and analysis of a plasmonic waveguide consisting of identical dielectric nanocavities, periodically arranged along a line, in a metallic material. This type of waveguide combines strong lateral localization and no radiative losses with efficient transmission of light through sharp bends. We show how one can overcome absorptive losses by introducing optical gain media into the cavities and, also, how one can design such waveguides for single-mode operation over a given frequency range by using spheroidal cavities. In addition to exact multiple-scattering calculations, we present a consistent derivation of a tight-binding formalism, both in the frequency and in the time domain, for the analysis of electromagnetic energy transfer and derive closed-form solutions that describe the response of these waveguides under time- varying excitations by a localized light source. Finally, we present a formalism, based on a Green's function technique, to describe fluorescence emission from active centers in a photonic crystal environment, and report some preliminary results that demonstrate a strong fluorescence enhancement near a periodic layer of metallic nanospheres.

Αναπτύσσεται μια επέκταση της μεθόδου στρωματικής πολλαπλής σκέδασης σε φωτονικές δομές από σκεδαστές αυθαιρέτου σχήματος και παρουσιάζονται εφαρμογές της μεθόδου σε συγκεκριμένα παραδείγματα. Αρχικά εξετάζονται οι οπτικές ιδιότητες περιοδικών διατάξεων από εγκλείσματα ετεροπολικού υλικού σε διηλεκτρική μήτρα καθώς και διηλεκτρικά εγκλείσματα σε ετεροπολικό περιβάλλον μέσο. Τα χαρακτηριστικά διέλευσης από πεπερασμένα πλακίδια αυτών των δομών αναλύονται σε σχέση με τη μιγαδική δομή ζωνών των αντίστοιχων άπειρων τρισδιάστατων κρυστάλλων και εξετάζεται η επίδραση των απωλειών. Τα αποτελέσματά μας αναδεικνύουν την ύπαρξη ισχυρών καταστάσεων συντονισμού που προέρχονται από τη διέγερση φωνοπολαριτονίων επίπεδης επιφάνειας, σωματιδίου και κοιλότητας, οι οποίες μπορούν να φανού χρήσιμες σε εφαρμογές στην περιοχή των terahertz. Στη συνέχεια εξετάζονται πλασμονικά συστήματα από διδιάστατες και τρισδιάστατες διατάξεις μεταλλικών νανοδίσκων. Συγκεκριμένα, αναλύεται η ηλεκτρομαγνητική αλληλεπίδραση των καταστάσεων κυματοδηγού ενός ομοιογενούς υμενίου οξειδίου του ινδιούχου κασσιτέρου σε υπόστρωμα χαλαζία με συλλογικές πλασμονικές καταστάσεις ενός διδιάστατου περιοδικού επιστρώματος από νανοδίσκους χρυσού και προκύπτει εξαιρετική ποσοτική συμφωνία με το πείραμα. Μια άλλη εφαρμογή αφορά σε μια πρόταση και μελέτη ενός πλασμονικού κυματοδηγού αποτελούμενου από πανομοιότυπες διηλεκτρικές νανοκοιλότητες, περιοδικά διατεταγμένες κατά μήκος μιας γραμμής, σε ένα μεταλλικό υλικό. Αυτός ο τύπος κυματοδηγού συνδυάζει ισχυρό πλευρικό εντοπισμού του φωτός χωρίς απώλειες ακτινοβολίας με αποτελεσματική διέλευση από απότομες κάμψεις της αλυσίδας. Παρουσιάζεται η δυνατότητα αντιστάθμισης των απωλειών απορρόφησης με εισαγωγή οπτικά ενεργών κέντρων στις κοιλότητες και, επίσης, η δυνατότητα σχεδιασμού τέτοιων κυματοδηγών για λειτουργία με μοναδικό τρόπο σε δεδομένη περιοχή συχνοτήτων χρησιμοποιώντας σφαιροειδείς κοιλότητες. Εκτός από ακριβείς υπολογισμούς πολλαπλής σκέδασης, αναπτύσσεται ένας συνεπής φορμαλισμός ισχυρής δέσμευσης, τόσο στη συχνότητα όσο και στο χρόνο, για την ανάλυση της μεταφοράς ηλεκτρομαγνητικής ενέργειας και δίδονται κλειστές λύσεις που περιγράφουν την απόκριση αυτών των κοιματοδηγών σε χρονικά μεταβαλλόμενες διεγέρσεις από μια εντοπισμένη πηγή φωτός. Τέλος, διατυπώνεται ένας φορμαλισμός, βασισμένος σε μια τεχνική συναρτήσεων Green, για την περιγραφή της εκπομπής φθορισμού από ενεργά κέντρα σε περιβάλλον φωτονικού κρυστάλλου, και παρουσιάζονται μερικά πρώτα αποτελέσματα που δείχνουν μια ισχυρή ενίσχυση του φθορισμού κοντά σε ένα περιοδικό πλέγμα σφαιρικών μεταλλικών νανοσωματιδίων.