WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 || 3 |

Первая глава является обзором литературы. В связи с широтой проблемы и из-за большого количества публикаций было признано целесообразным ограничиться освещением круга вопросов, посвященных применению сферических микро- и нано- резонаторов в задачах оптической диагностики. Такой подход позволяет не только ограничить общее количество обозреваемых работ, но и коснуться практически всех существенных вопросов физики резонансного взаимодействия света со сферическими частицами. Некоторые вопросы, вошедшие в данный обзор, еще не нашли достаточного освещения в обзорной литературе. Обзор разбит на три части, ниже приведены названия параграфов для отражения его содержания.

• Диэлектрические резонаторы микронных размеров в оптическом диапазоне (§1.1.). Сенсоры поверхностного слоя (§1.1.1.).

Датчики смещений и ускорений (§1.1.2.). Резонаторноулучшенная спектроскопия (§1.1.3.). Квантовая электродинамика резонатора (§1.1.4.).

• Оптические менее плотные частицы (§1.2).

• Металлические наночастицы (§1.3.). Поверхностноусиленная спектроскопия (§1.3.1.). Визуализация тканей и фототермическая терапия (§1.3.2.). Оптическая микроскопия ближнего поля (§1.3.3.). Биосенсоры на металлических наночастицах (§1.3.4.).

Во второй главе описаны особенности резонансного возбуждения сферических частиц. При этом собраны сведения из различных источников, которые облегчают восприятие дальнейшего материала. Представлены классические модели, которые дополнены иллюстрациями, рассчитанными автором. Приведены аналитические выражения оптических полей в сферических частицах, коэффициенты разложения теории Ми. Кратко описан один из методов вычисления последних, который в дальнейшем применяется в диссертации.

Далее глава разделена на три раздела, соответствующих физически разным особенностям резонансного возбуждения:

• Собственные колебательные моды в прозрачных частицах (§2.1). Описаны особенности резонансного и не резонансного возбуждения сферических частиц из диэлектрика с малыми потерями. Описано отличие мод шепчущей галереи и морфологических резонансов. Приведены численные расчеты распределения полей, соответствующие обоим случаям. Расчеты сопоставлены с экспериментальными фотографиями.

• Электромагтинтые поля в оптически менее плотных частицах (§2.2). Приведена дисперсионная формула показателя преломления воды. Приведен расчет электромагнитного поля внутри пузырька и снаружи. Показано, что ни при каких условиях в пузырьках и вне их не наблюдаются высокие напряженности электромагнитного поля по отношению к падающей волне. Это важно для определения возможных причин эффекта сонолюминесценции [4].

• Особенности рассеяния света металлическими частицами (§2.2). Описаны следующие аспекты: понятие плазмонного резонанса в наночастицах; отличие его частоты от плазмонной частоты в объемных металлах; модель Друде-Лоренца, и ее параметры согласно различным источникам; влияние конечного размера наночастиц на их оптические характеристики; особенности рассеяния диэлектрических частиц, покрытых тонким металлическим слоем. Приведены оценки минимальных размеров наночастиц, при которых существенную роль начинают играть квантовые эффекты.

В третьей главе приведены качественные закономерности поглощения и накопленной в резонаторе и за его пределами (вытекающих полей) энергии, которые являются общими для сферических резонаторов с невысоким показателем преломления при различных уровнях потерь. Спектры поглощения и накопленной энергии состоРис. 1. Эффективность поглощения водяной капли Cabs. Внизу указаны номера мод n, соответствующие резонансам указанных серий.

m1 = 1.323 + 9.74 · 10-6i, m2 = ят из нерезонансного “пьедестала”, и резонансных пиков, соответствующих возбуждению высокодобротных “мод шепчущей галереи” (см. рис. 1). При этом резонансные пики группируются в отдельные серии, соответствующие модам различных порядков, а огибающие серий качественно подобны.

Описанные выше закономерности группировки резонансов в серии и вид огибающих серий становятся очевидными при рассмотрении спектров поглощения и накопленной энергии в широком интервале параметров дифракции и при учете конечного поглощения в диэлектрике. Сделанное при этом усовершенствование методики расчета панорамных спектров на неравномерной сетке будет также полезным при решении смежных задач теории Ми.

В четвертой главе получено аналитическое решение задачи рассеяния на сферической частице, учитывающие влияние тонкого анизотропного и (или) гиротропного слоя на ее поверхности. В качестве материальной электромагнитной характеристики слоя введен тензор поверхностной поляризуемости по методу, описанному в работе [5].

Были произведены исследования в рамках полученной модели, которые позволяют сделать ряд выводов. Так анизотропный поверхностный слой не нарушает сферическую симметрию задачи и не приводит к изменению набора возбуждаемых сферических гармоник по сравнению со стандартной теорией Ми, если компоненты тензора не зависят от угловых координат. Если слой обладает оптической активностью (гиротропией), возбуждаются моды, соответствующие ортогональной поляризации падающего излучения. При этом ТЕ (ТМ) моды исходной поляризации оказываются связанными с ТМ (ТЕ) модами ортогональной поляризации. Следствием возбуждения мод ортогональной поляризации может быть, в частности, изменение диаграммы направленности рассеянного излучения.

Итоговые соотношения модели поверхностной поляризуемости оказываются относительно простыми, сопоставимыми по сложности с формулами стандартной задачи Ми. Они допускают применение и для решения обратной задачи, то есть нахождения компонент тензора поверхностной поляризуемости тонкого анизотропного слоя.

Предложен метод нахождения, который основан на регистрации вызванных появлением слоя изменений параметров пары близких по частотам ТЕ и ТМ мод: сдвигов собственных частот и изменению добротностей.

Обратная задача актуальна в связи с экспериментами по возбуждению оптических микрорезонаторов из кварца с высокой добротностью (106 – 1010). Одна из таких работ [3] указывает на то, что после отжига резонаторов, на их поверхности образуется мономолекулярный слой из адсорбированных молекул воды, который обладает аномальными для воды высокими потерями. Вместе с тем, в указанной работе регистрировались сдвиги частот и изменения добротностей только ТМ мод. Обработка результатов экспериментов с регистрацией пары близких по частотам ТЕ и ТМ мод и использованием результатов данной работы дает возможность диагностики свойств тонких анизотропных поверхностных слоев с извлечением детальной информации о нормальных и тангенциальных компонентах тензора поверхностной поляризуемости.

В пятой главе исследованы особенности резонансного рассеяния света металлическими и металлодиэлектрическими наночастицами. Глава разбита на две части.

Рассеяние света металлическими частицами (§5.1). Параграф посвящен некоторым аспектам, которые не нашли места в известной диссертанту литературе, вместе с тем представляющим научный интерес. Показано, что формулы эффективности экстинкции в длинноволновом (дипольном) приближении становятся неприменимыми для золотых наночастиц, больших 25-30 нм во всем диапазоне длин волн видимого, ультрафиолетового и ближнего ИК излучений.

Эта граница существенно меньше оценки, используемой в литературе по общей физике, в которой часто полагают, что квазистатическое приближение справедливо, когда диаметр наночастиц в 15 раз меньше длины волны падающего света. Также была исследована зависимость частоты плазмонного резонанса от диаметров наночастиц в широком диапазоне параметров дифракции и представлены обзорные иллюстрации эффективности рассеяния и поглощения наночастиц из золота, серебра и алюминия, позволяющие находить оптимальные параметры наночастиц для создания эффективных поглотителей или рассеивателей. Обзорные иллюстрации построены с учетом размерного эффекта.

Рис. 2. Фотографии металлодиэлектрических наночастиц, сделанные на электронном микроскопе в ЦКП МГУ. Указаны диаметры наночастиц и толщины золотого покрытия, все наночастицы в одинаковом масштабе. Фотографии предоставлены Т. В. Лаптинской Рис. 3. Индикатрисы рассеяния металлодиэлектрических частиц.

Точки – эксперимент. Непрерывные кривые – расчет с учетом распределения частиц по размерам и в предположении гауссова распределения слоев по толщинам. Параметры гауссова распределения (d0 нм, нм): кривая 1 – (10, 0); 2 – в минимуме функционала среднеквадратичного уклонения теоретических кривых от экспериментальных – (28, 0), (20, 3.6), (10, 8.0) и 3) – (40, 0).

Рассеяние света диэлектрическими наночастицами, покрытыми тонким металлическим слоем (§5.2). Было произведено сравнение теоретических моделей с экспериментом по рассеянию на металлодиэлектрических наночастицах, где в качестве металла и диэлектрика были выбраны золото и кремнезем (SiO2). Раствор таких частиц был приготовлен А. С. Синицким (факультет наук о матералах МГУ), метод его получения подробно описан в [6], он состоит из металлодиэлектрических частиц со средним диаметром около нм (см рис. 2). Упругое (или "статическое") и квазиупругое (или "динамическое") рассеяние света раствором с наночастицами исследовалось экспериментально на автоматизированной установке ALVCGS-6010 (производство Германия, Ланген, лаборатория Т. В. Лаптинской, кафедра полимеров и кристаллов физического факультета МГУ), метод измерения описан в [7]. Результаты измерения угловых индикатрис рассеяния представлены на рис. 3.

Предложена модель, которая позволяет находить индикатрисы рассеяния коллоидных сред, состоящих из металлодиэлектрических наночастциц, которая учитывает статистическое распределение частиц по размерам, слоев по толщинам, и анизотропию слоев, вызванную размерным эффектом проводимости. Расчеты в рамках модели дали результаты, хорошо согласующиеся с полученными в эксперименте, см. рис. рис. 3.

В шестой главе диссертации установлено, что газовый пузырек в жидкости обладает электромагнитными резонансами, имеющими, при достаточно больших размерах пузырька, заметную добротность (Q 102). Это означает, что большая часть электромагнитной энергии пузырька накапливается в виде волн, обладающих большой пространственной неоднородностью. Ввиду того, что в пузырьках больших размеров происходит одновременное возбуждение многих мод, наличие резонансов оказывается скрытым и не проявляется на интегральных характеристиках рассеяния. Однако резонансы могут проявляться на зависимостях дифференциального сечения света, рассеянного на большие углы.

Рассчитана сила светового давления, действующая на газовый пузырек в жидкости. Рассмотрены условия оптического погружения, при которых освещаемый газовый пузырек находится в жидкости в условиях устойчивого равновесия. Обсуждаются особенности и возможные приложения эффекта оптического погружения.

В седьмой главе диссертации получены формулы, позволяющие выразить электрическую и магнитную дипольные поляризуемости через парциальные амплитуды рассеяния теории Ми:

e = -i(eB1)/k2, (1) m = -i(mB1)/k2.

Формулы (1) учитывают как потери энергии в диэлектрике, так и потери на излучение и пригодны для сферических частиц с любыми размерами и диэлектрическими проницаемостями. В частности, они остаются верными для резонаторов, у которых потери на излучение намного больше потерь за счет поглощения в диэлектрике. В то же время известные приближенные квазистатические формулы поляризуемости, перестают быть верными для таких частиц.

Были произведены расчеты дипольных вкладов в общую энергию волны, рассеянной диэлектрическим шаром, и показано, что если радиус сферических частиц удовлетворяет условию a < 2/(4...5) (где 2 – длина волны в окружающей шар среде), то рассеянная волна в дальнем поле приближенно сводится к излучению двух осциллирующих диполей, электрического и магнитного. При этом для шаров из материала с высокой диэлектрической проницаемостью верхняя частота применимости дипольного приближения fд может быть гораздо выше частоты основного дипольного резонанTE TE са (fд/f1,1,1 = 5.3 для рутила ( = 130) и fд/f1,1,1 = 22 для ВК-( = 2700)).

Для сферических частиц с высокой проницаемостью ( > 102) дипольное приближение хорошо описывает (с относительной точностью лучше 5%) также и ближнее поле рассеянного излучения.

Это свидетельствует в пользу правомерности приближенных подходов по расчету характеристик метаматериалов, в которых рассеянные частицами поля заменяются полями эффективных дипольных излучателей [8]. Разумеется, в конкретных случаях для надежного суждения о степени точности дипольного приближения требуется дополнительный расчет. Соответствующие вычисления не представляют больших трудностей, и время, затраченное на их проведение, заведомо окупается при моделировании метаматериалов.

В заключении сформулированы основные результаты и выводы диссертационной работы:

1. Разработана и программно реализована методика расчета эффективностей поглощения, рассеяния, экстинкции, давления излучения, и других характеристик в теории Ми c неравномерным шагом по параметру дифракции, которая позволяет корректно учитывать и идентифицировать резонансы сферических частиц.

2. Проанализированы зависимости эффективности поглощения и накопленной энергии от параметра дифракции в диэлектрических шарах с низкими потерями. Показано, что резонансные пики сгруппированы в отдельные серии с одинаковым радиальным индексом, причем огибающие серий имеют подобный вид.

3. Показано, что наиболее эффективное возбуждение мод сферического оптического резонатора с низкими потерями достигается при условии, когда тепловые потери равны потерям на излучение. Это условие соблюдается, если радиус шара превышает критическое значение, которое, в частности, для кварцевого резонатора составляет 5 мкм.

4. Решение задачи Ми обобщено на случай модифицированных граничных условий, которые учитывают наличие тонкого поверхностного слоя путем введения поверхностной поляризуемости. Полученное решение применимо для учета влияния анизотропии и гиротропии поверхностного слоя на рассеяние частицы, а также для оценки параметров слоя по данным рассеяния.

5. Предложена модель, которая позволяет находить индикатрисы рассеяния коллоидных сред, состоящих из металлодиэлектрических наночастциц, которая учитывает статистическое распределение частиц по размерам, слоев по толщинам, и анизотропию слоев, вызванную размерным эффектом проводимости. Расчеты в рамках модели дали результаты, хорошо согласующиеся с полученными в эксперименте с наночастицами SiO2, покрытыми золотом.

Pages:     | 1 || 3 |






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