Компьютерная технология из России для оптимизации 3D резонаторов

Российские студенты разработали технологию влияния квантовых эффектов на оптические характеристики

Учёные факультета ВМК МГУ разработали универсальную компьютерную технологию, позволяющую исследовать влияния квантовых эффектов на оптические характеристики наноразмерных структур, расположенных в активной среде на поверхности прозрачной подложки.

Эта технология успешно использовалась при оптимизации характеристик 3D резонаторов плазмонного нанолазера - SPASER (Surface Plasmon Amplification by Stimulated Emission of Radiation). В будущем исследование приблизит создание нового класса миниатюрных устройств, а также гибкой электроники.

Работа опубликована в высокорейтинговом международном журнале Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer.

Создание наноразмерных источников монохроматического излучения может осуществить революцию в большинстве современных технологий. Идея состоит в том, чтобы использовать плазмонные поля вместо фотонных, используемых в обычных оптических лазерах. Наноплазмонные устройства позволяют получать сверхвысокую концентрацию электромагнитного поля в областях, размеры которых на порядки превышают рэлеевский предел оптического оборудования.

Совершенствование схем плазмонного нанолазера (ПН) является одной из фундаментальных задач квантовой наноплазмоники. Вместе с тем непрерывная миниатюризация плазмонных элементов приводит к тому, что классической системы уравнений Максвелла оказывается недостаточным для описания функционирования схем наноплазмонных устройств, так как возникают квантовые эффекты которые, которые существенно меняют оптические характеристики устройства.

В основе реализованной компьютерной технологии лежит метод Дискретных источников (МДИ), разработанный в МГУ заслуженным научным сотрудником факультета вычислительной математики и кибернетики (ВМК) Юрием Ереминым.

В последние 25 лет МДИ широко применяется для моделирования в оптике. В частности, в задачах метрологии кремниевых подложек, используемых при создании чипов процессоров, а также применительно к калибровке микроскопа полного внутреннего отражения (Total Internal Reflection Microscope). В самые последние годы МДИ был обобщен на случай присутствия квантового эффекта нелокальности в наноплазмонных устройствах. Его отличие от других методов заключается в способности вычислять плазмонные поля вблизи структур с гарантированной точностью.

«В данной работе проведена оптимизация структуры 3D резонатора плазмонного лазера, представляющего собой слоистую наночастицу с плазмонным металлом, расположенную в активной среде на поверхности прозрачной призмы. Установлено, что коэффициент усиления (КУ) интенсивности поля вблизи резонатора растет с уменьшением толщины золотого покрытия и увеличении наклона распространения внешнего возбуждения по отношению нормали к поверхности призмы. Показано, что возбуждение подобного резонатора неизлучающей волной, распространяющейся из-под поверхности призмы, обеспечивает существенный рост КУ поля. В результате моделирования удалось добиться увеличения КУ резонатора плазмонного лазера (ПН) в 400 раз по сравнению со схемой, использованной Ногиновым М.А. с соавторами в эксперименте (Noginov M.A. et al. Nature. 2009. V.460. P.1110). При этом выяснилось, что учет эффекта нелокальности в плазмонном металле резонатора приводит к существенному снижению величины КУ резонатора, которое может достигать величины 60%»,- добавил Юрий Еремин.

Следует отметить, что развитый подход легко обобщается на широкий круг плазмонных элементов таких, как биметаллические частицы, полупроводниковые с плазмонным покрытием и магнитоплазмонные наноструктуры.

Работа выполнена в рамках международного договора о сотрудничестве между факультетом ВМК МГУ и факультетом Механики университета Бремена, Германия.