WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 |
МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ им М.В. ЛОМОНОСОВА ФИЗИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ

На правах рукописи

УДК 535.13:535.36 ЖУРАВЛЕВ АНТОН ВИКТОРОВИЧ РЕЗОНАНСНОЕ РАССЕЯНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН СФЕРИЧЕСКИМИ ЧАСТИЦАМИ Специальность 01.04.03 – радиофизика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва 2009

Работа выполнена на физическом факультете Московского государственного университета им. М. В. Ломоносова.

Научный консультант: кандидат физико-математических наук, доцент Геннадий Васильевич Белокопытов Официальные оппонен- доктор физико-математических наук, ты: профессор Виктор Александрович Алешкевич доктор физико-математических наук, профессор Александр Анатольевич Землянов

Ведущая организация: Институт общей физики им. А.М. Прохорова РАН

Защита состоится 19 февраля 2009 г. в 16.00 часоов на заседании диссертационного совета Д 501.001.67 при Московском государственном университете им. М. В. Ломоносова по адресу 119992, г. Москва, ГСП-2, Ленинские горы, МГУ, физический факультет, аудитория им. Р. В. Хохлова.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультета МГУ им. М. В. Ломоносова.

Автореферат разослан 16 января 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, Д 501.001.67 кандидат физико-математических наук, доцент А. Ф. Королев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования:

Исследование резонансного рассеяния света сферическими частицами является важным в многочисленных задачах как фундаментального, так и прикладного характера. Общая постановка задачи о дифракции электромагнитной волны на шаре была исследована в работах Ми [1] и Дебая [2]. Эти работы легли в основу оптики коллоидных сред и капельного аэрозоля. Кроме того, в биологии, медицине, радиофизике, ближнепольной микроскопии и других областях науки и техники широко развиты приложения теории Ми, связанные с применением металлических наночастиц и диэлектрических частиц микронных размеров.

По отношению к падающей электромагнитной волне сферические диэлектрические частицы являются объемными открытыми резонаторами, в которых возбуждаются вынужденные колебания.

Последние эксперименты показывают, что добротность таких резонаторов, изготовленных из диэлектрика с низкими потерями, может достигать 1010 [3]. Высокие добротности таких частиц явились стимулом для развития целого ряда как научных направлений, так и технических приложений. Среди них можно отметить такие, как нелинейная оптика, квантовая электродинамика резонатора, резонаторно-улучшенная спектроскопия, а также создание на базе сферических диэлектрических частиц твердотельных лазеров, датчиков смещений и ускорений, сенсоров поверхностного слоя, биосенсоров, стабилизаторов частоты лазеров и СВЧ генераторов.

В металлических наночастицах на оптических частотах тоже возбуждаются вынужденные колебания, правда меньшей добротности. Это коллективные колебания электронов проводимости, вызванные действием электромагнитного излучения. Такие резонансы называют локализованными плазмон-поляритонными, или кратко – плазмонными. Они могут существовать в металлических наночастицах, когда действительная часть диэлектрической проницаемости вещества шара меньше нуля, что соблюдается для частот, меньших плазменной. Резонансные свойства наночастиц легли в основу развития целого ряда научных направлений и технических приложений.

Среди них можно отметить такие, как поверхностно-усиленная спектроскопия, оптическая микроскопия ближнего поля, визуализация биологических тканей, фототермическая терапия, доставка лекарственных препаратов. Широкое распространение получили также биосенсоры и маркеры биоспецифических взаимодействий на металлических наночастицах.

Широта различных применений сферических частиц обусловлена не только их уникальными свойствами, но и универсальностью оптических методов. Оптические методики регистрации и исследования наночастиц и диэлектрических частиц микронных размеров а также поверхностных слоев на них являются наиболее удобными, быстрыми по сравнению с другими и неразрушающими. В связи с этим первая цель настоящей диссертационной работы состоит в исследовании рассеяния света на сферических частицах и оценке перспектив применения обнаруженных закономерностей в оптическом диапазоне.

В ряде приложений остро стоит задача дистанционной диагностики поверхностного слоя, толщина которого в зависимости от системы варьируется от субмикронных до мономолекулярных размеров (10-7 – 10-10). Существует широкое разнообразие датчиков и методик детектирования вещества поверхностного слоя.

К ним можно отнести эллипсометрию, датчики на поверхностных плазмон-поляритонных волнах, интегрально-оптические интерферометры Маха-Цендера, дисковые резонаторы, а также сферические микрорезонаторы с различными элементами связи.

Все эти устройства являются весьма чувствительными и широко используемыми в различных областях науки и техники. Датчики, в которых используются резонансные эффекты, являются наиболее чувствительными среди них, однако, они требуют элементов связи для подвода лазерного излучения. Это могут быть растянутые и срезанные оптические волокна, призмы, планарные волноводы. Элементы связи должны находиться вплотную к резонансным датчикам. Такие конструктивные особенности требуют специального аппарата для ввода и вывода исследуемого вещества в сенсоры, что во многих аспектах применения является желательным свойством. Однако есть задачи в которых нет возможности обеспечить подвод вещества в сенсор, например, когда требуется удаленно и непрерывно (не разово, путем взятия пробы) контролировать показатель преломления жидкости или газа в потоке или когда объект исследования находится в герметичной камере с прозрачным окном, в которую подвод дополнительных коммуникаций затруднен. Примером последней задачи может быть проблема контроля толщины слоя в вакуумной камере установки по ионному осаждению. Во всех этих случаях востребован датчик, который позволяет удаленно регистрировать состояние поверхностного слоя. Причем желательно, чтобы датчик не требовал внешнего электропитания и работал автономно. Всем этим требованиям удовлетворяет сферический диэлектрический микрорезонатор, который возбуждается плоской волной или гауссовым пучком. Кроме того, часто требуется заменить регистрирующую часть сенсора в результате того что на ней адсорбировалось или хемисорбировалось вещество, которое затруднительно удалить. Сферический диэлектрический резонатор не дорог в изготовлении и легко может быть заменен, при этом регистрирующее оборудование остается неизменным. В связи с этим вторая цель настоящей диссертационной работы состоит в исследовании возможности улучшения характеристик сенсоров поверхностного слоя на диэлектрических резонаторах высокой добротности.

Еще одной актуальной задачей можно считать контроль качества металлических наночастиц. В настоящее время оптические методики уже нашли широкое применение в производстве композитных материалов, содержащих наночастицы. В частности, по частотной зависимости плазмонного резонанса осуществляется регистрация размеров металлических наночастиц, оценивается степень разброса их размеров. Для широкого круга приложений интересны металлодиэлектрические наночастицы, представляющие собой диэлектрические наночастицы, покрытые тонким поверхностным слоем металла. Требуют решения вопросы оптической диагностики однородности слоя, оценки дисперсии толщин слоев в таких частицах. Оценка распределения толщин слоев и их неоднородности важна в связи с тем, что толщина слоя влияет на поглощающие свойства частиц, а однородность – на усиление напряженности электрического поля. В связи с этим третья цель настоящей диссертационной работы состоит в развитии оптических методов диагностики коллоидных сред, состоящих из металлодиэлектрических частиц, в частности методов оценки параметров распределения толщин металлических слоев.

Основными задачами

диссертационной работы являются:

• Исследование структуры спектра поглощения и резонансного накопления энергии в прозрачных сферических частицах в широком диапазоне параметров дифракции, выявление закономерностей, связанных с резонансным возбуждением.

• Создание математической модели рассеяния плоской электромагнитной волны на сферической частице с анизотропным и (или) гиротропным поверхностным слоем и оценка возможности определения параметров анизотропного поверхностного слоя по характеристикам рассеяния.

• Исследование рассеяния света коллоидными средами, состоящими из диэлектрических наночастиц, покрытых тонким металлическим слоем. Оценка возможности определения параметров слоев статистического ансамбля частиц по угловым индикатрисам рассеяния.

• Исследование электромагнитных резонансов газовых пузырьков в жидкости. Оценка возможности регистрации размеров пузырьков по характеристикам рассеяния.

• Получение аналитических выражений электрической и магнитной дипольных поляризуемостей через парциальные амплитуды рассеяния теории Ми. Сопоставление этих выражений с квазистатическими и выявление границ применимости подхода представления сферической частицы парой эквивалентных точечных диполей.

Научная новизна работы заключается в следующем:

• Установлено, что резонансные пики на зависимостях эффективности поглощения и накопленной энергии от параметра дифракции в диэлектрических шарах с низкими потерями сгруппированы в отдельные серии мод с одинаковым радиальным индексом, причем огибающие серий имеют подобный вид.

• Впервые получено аналитическое решение задачи рассеяния плоской электромагнитной волны на сферической частице с тонким анизотропным и (или) гиротропным поверхностным слоем.

При этом свойства слоя учитываются в граничных условиях путем введения тензора поверхностной поляризуемости.

• Предложен способ определения компонент тензора поверхностной поляризуемости тонкого анизотропного поверхностного слоя сферического кварцевого микрорезонатора. Метод основан на регистрации вызванных появлением слоя изменения параметров пары близких по частотам ТЕ и ТМ мод: сдвигов собственных частот и изменению добротностей.

• Исследовано влияние размерного эффекта, приводящего к анизотропии тонкого металлического слоя, на угловые индикатрисы рассеяния металлодиэлектрических наночастиц.

• Предложена модель, которая позволяет находить индикатрисы рассеяния коллоидных сред, состоящих из двухслойных наночастиц с анизотропным поверхностным слоем. При этом возможен учет статистического распределения частиц по размерам, слоев по толщинам и анизотропии слоев, вызванной размерным эффектом проводимости.

• В рамках предложенной модели решена обратная задача нахождения статистических параметров слоев (средней толщины и дисперсии) методом минимизации функционала среднеквадратичного уклонения теоретических угловых индикатрис рассеяния от экспериментальных.

• Исследованы условия представления рассеянного поля сферической частицы в виде поля двух точечных диполей. Показано, что границы применения дипольного приближения можно существенно (в 3–9 раз) расширить за пределы, установленные условием квазистационарности, при условии расчета поляризуемости с использованием формул парциальных амплитуд рассеяния теории Ми. Найдено, что для частиц с высокой диэлектрической проницаемостью дипольное представление является приближенно верным не только в дальней, но и в ближней зоне.

Практическая значимость работы:

Результаты работы могут быть использованы для улучшения характеристик сенсоров поверхностного слоя на основе сферических диэлектрических микрорезонаторов, в частности для регистрации анизотропных и гиротропных слоев.

Разработана методика определения статистических параметров металлических слоев (средней толщины и дисперсии) ансамбля металлодиэлектрических наночастиц по угловым индикатрисам рассеяния. При этом размеры частиц могут быть меньше длины волны падающего излучения.

Положения, выносимые на защиту:

• Показано, что возможно определение всех компонент тензора поверхностной поляризуемости тонкого анизотропного поверхностного слоя сферического диэлектрического микрорезонатора путем регистрации вызванных появлением слоя изменений параметров пары близких по частотам ТЕ и ТМ мод: сдвигов собственных частот и изменению добротностей.

• Индикатрисы рассеяния коллоидных сред, состоящих из покрытых тонким металлическим слоем диэлектрических наночастиц, являются физическими характеристиками, по которым возможно определение статистических параметров поверхностных слоев (средней толщины и дисперсии).

• Максимальные размеры сферических частиц, при которых справедливо их представление парой эквивалентных точечных диполей, от трех до девяти раз больше (в зависимости от параметра дифракции и вещества шара), когда поляризуемость определена через точные формулы теории Ми, чем в случае использования квазистатических выражений поляризуемости.

Апробация работы и публикации:

Результаты диссертационной работы докладывались на Всероссийской конференции “Физика и применение микроволн” (Звенигород, 2005); Международной конференции “Компьютерное моделирование электромагнитных процессов в физических, химических и технических системах” (Воронеж, 2005); Международной конференции “Materials for Advanced Technology / Advanced Materials” (Singapore, 2005); Международной конференции “ICONO/LAT 2005” (Санкт-Петербург, 2005); Всероссийской конференции “Волновые явления в неоднородных средах” (Звенигород, 2006); Всероссийской конференции “Физика и применение микроволн” (Звенигород, 2007), а также на семинарах кафедры физики колебаний физического факультета МГУ.

Основные результаты диссертации опубликованы в 6 тезисах конференций [A1–A6], 5 статьях [A7–A11] и одном препринте [A12].

Личный вклад соискателя:

Результаты, представленные в диссертации, получены лично соискателем или в соавторстве при его определяющем участии.

Структура и объем диссертации:

Диссертация состоит из введения, 7 глав, заключения, списка литературы. Общий объем работы составляет 178 страниц, в том числе 153 страниц текста, 39 рисунков, 4 таблицы. Библиография содержит 246 наименований.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ Во введении содержится описание области научных исследований, к которой относится данная работа. Кратко изложено содержание представленных в литературе работ по данному направлению и обоснована актуальность темы исследований. Изложены цели диссертационной работы и ее наиболее важные результаты вместе с описанием их новизны и практической значимости.

Pages:     || 2 | 3 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»