Аномальное рассеяние и поглощение света малыми частицами и сопутствующие явленияНИР

Соисполнители НИР

МГТУ МИРЭА Соисполнитель
МГТУ МИРЭА Соисполнитель
МГТУ МИРЭА Соисполнитель

Источник финансирования НИР

грант РФФИ

Этапы НИР

# Сроки Название
1 16 августа 2012 г.-31 декабря 2012 г. Аномальное рассеяние и поглощение света малыми частицами и сопутствующие явления 1
Результаты этапа: Поставлена и решена проблема оптимизации лазерного нагрева микрочастиц. Показано, что вопреки интуитивным представлениям, максимальное поглощения излучения достигается в частицах с малым значением диссипативной константы. Введена новая величина – эффективный коэффициент поглощения, которая позволяет количественно сопоставить эффективность поглощения света малой частицей и массивным образцом из того же материала. Показано, что в окрестностях плазмонных резонансов эффективность поглощения излучения малой частицей намного превышает эту величину для массивного образца. Это связано с «эффектом воронки» – концентрацией в частице электромагнитного излучения, захваченного из области пространства, линейные размеры которой значительно превышают размеры частицы. Найдены области значений параметров задачи, в которых эффект воронки приводит к гигантскому увеличению эффективного коэффициента поглощения частицы. Общее рассмотрение проиллюстрировано конкретными примерами оптимизации эффективного коэффициента поглощения наночастиц из различных металлов, оптические свойства которых покрывают область от малого значения диссипативной константы (калий) до сильнопоглощающих металлов (платина). Во всех случаях полученные результаты хорошо согласуются с общим теоретическим рассмотрением. Рассмотрены резонансы Фано нового типа, возникающие при рассеянии света на малых сферических частицах. Показано, что, несмотря на малость частицы, явление не может быть описано в рамках рэлеевского приближения и требует более высокой точности рассмотрения. Выявлено качественное отличие таких резонансов от обсуждавшихся ранее в квантовой механике и оптике. Отличие состоит в том, что в рассматриваемом случае резонансы обусловлены интерференцией различных мод, обладающих одним и тем же мультипольным моментом, т.е. фактически двух резонансных мод. При этом собственные частоты таких мод отделены интервалом, ширина которого значительно больше ширины резонансных линий. Нерезонансная же мода, соответствующая дифракционному огибанию частицы падающей электромагнитной волной, не играет в таких случаях сколько-нибудь существенной роли. Подробно изучены два примера таких резонансов – резонансы в случае частицы с большим значением диэлектрической проницаемости и частицы с выраженной пространственной дисперсией диэлектрической проницаемости. Изучена сингулярная мода, соответствующая пространственному спектру интегрального оператора, описывающего процесс рассеяния электромагнитных волн трехмерным объектом конечного размера с неоднородностями и анизотропным тензором диэлектрической проницаемости. При решении задачи уравнения Максвелла преобразовываются в некоторое сингулярное интегральное уравнение. Это позволяет получить в явном виде, как соответствующий непрерывный спектр задачи, так и возникающие в задаче сингулярную моду, что дает полное решение задачи рассеяния. Разработан новый, высокоэффективный алгоритм численного решения задачи о рассеянии волн на трехмерных прозрачных структурах. Используя метод коллокации, мы сводим соответствующие интегральные уравнения к системе линейных алгебраических уравнений, матрица которой имеет специальные свойства симметрии. Умножение матрицы на вектор является наиболее трудоемкой операцией при использовании итерационных методов для численного решения. Применяя быстрое преобразование Фурье, мы конструируем быстрый алгоритм умножения.
2 5 марта 2013 г.-31 декабря 2013 г. Аномальное рассеяние и поглощение света малыми частицами и сопутствующие явления 2
Результаты этапа: В рамках развитого в настоящей работе феноменологического подхода проведено теоретическое исследование точного решения Ми, описывающего рассеяние и поглощение света сферической частицей произвольного размера. Показано, что многие свойства этого решения не являются специфическими, а следуют из общих принципов. Это позволяет воспроизвести многие важные характеристики задачи, не используя ее решение в явном виде. Такой подход позволяет получать простые аналитические результаты и в тех случаях, когда соответствующая задача не имеет замкнутого аналитического решения. В качестве примера этот подход применен для анализа резонансов Фано при рассеянии света малыми частицами. Показано, что для малых пространственно-однородных немагнитных частиц традиционные резонансы Фано оказываются невозможны. Однако, в этом случае возможно возникновение новых типов резонансов Фано, названных нами направленными резонансами Фано, свойства которых детально изучены. При таких резонансах интенсивность рассеяния света вдоль любого, наперед заданного направления может существенно подавляется – возникает своего рода «антипрожектор», который «светит темнотой». Теоретически и экспериментально изучена интерференция в плазмонных наноструктурах, состоящих из двух и более частиц (метамолекулы). Показано, что при расстоянии между взаимодействующими частицами порядка длины волны падающего излучения, возникают новые резонансные эффекты, приводящие к значительному увеличению интегрального сечения экстинкции всего комплекса. Детально изучено распределение вектора Пойнтинга в ближней волновой зоне и показано, что увеличение экстинкции связано с образованием субволновых оптических вихрей, эффективно рассеивающих электромагнитное излучение. Продемонстрировано хорошее согласие развитой теории с экспериментом. Показано, что спектру объемных сингулярных интегральных уравнений, описывающих задачи взаимодействия электромагнитных волн с диэлектрическими анизотропными структурами, принадлежит непрерывная часть спектра. В явном виде получены формулы для описания этой части спектра на комплексной плоскости. Точкам непрерывной части спектра соответствуют сингулярные моды, которые локализованы в бесконечно малой области пространства и имеют хаотический вид. Для анизотропной плазмы без затухания выведены условия, при которых эти моды могут быть физически реализованы. Объемные сингулярные интегральные уравнения являются одним из наиболее эффективных инструментов численного решения задач рассеяния электромагнитных волн на трехмерных пространственных структурах. Рассмотрены несколько новых итерационных методов решения таких уравнений и показаны их преимущества для решения различных классов задач рассеяния.
3 21 марта 2014 г.-31 декабря 2014 г. Аномальное рассеяние и поглощение света малыми частицами и сопутствующие явления 3
Результаты этапа: В рамках данного проекта были проведены следующие исследования. 1.Оптимизация лазерного нагрева микрочастиц. В результате проведенного анализа нами были получены общие выражения для оптимальных значений параметров задачи, соответствующих максимальному нагреву частицы при фиксированной плотности энергии лазерного импульса. Полученные общие выражения были проиллюстрированы численными расчетами этих параметров для реальных металлов, оптические свойства которых перекрывают широкий диапазон диссипативных констант: от слабопоглощающих (калий) до сильнопоглощающих (платина). 2.Феноменологическая теория рассеяния света частицами. Показано, что многие свойства точного решения Ми, описывающего рассеяние и поглощение света сферической частицей, не являются специфическими для этого решения, а следуют из общих принципов, таких как закон сохранения энергии, поперечность электромагнитных волн и т.п. Это позволяет воспроизвести ряд важных характеристики рассматриваемой проблемы, не используя само решение в явном виде, что важно в тех случаях, когда соответствующая задача дифракции не имеет точного решения. 3.Новые типы резонансов при рассеянии света частицами. Предсказаны два новых типа резонансов Фано, которые (в зависимости от частоты рассеиваемого света и размера частицы) могут приводить как к громадной концентрации электромагнитной энергии в ближней волновой зоне и внутри рассеивающей частицы, так и к практически полному подавлению процесса рассеяния. Теоретически и экспериментально изучена взаимодействие плазмонных наночастиц в комплексах, состоящих из двух (димер) и трех (димер-мономер) частиц (метамолекулы). Показано, что при расстояниях между взаимодействующими частицами порядка длины волны падающего излучения возникают новые резонансные эффекты, приводящие к значительному увеличению интегрального сечения экстинкции всего комплекса. 4.Рассеяние света малыми частицами с большой диэлектрической проницаемостью. Показано, что что в этом случае надлежащий выбор размера частицы и/или частоты падающего излучения позволяет формировать диаграммы рассеяния, варьируемые в весьма широких пределах, что чрезвычайно важно при создании наноантенн и других устройств субволновой оптики. 5.Сингулярные моды и итерационные методы при решении интегральных уравнений в задачах дифракции света. Показано, что спектру объемных сингулярных интегральных уравнений, описывающих задачи взаимодействия электромагнитных волн с диэлектрическими анизотропными структурами, принадлежит непрерывная часть спектра. В явном виде получены формулы для описания этой части спектра на комплексной плоскости. Разработаны эффективные численные методы решения таких уравнений. Опубликовано 18 научных работ, включаю главу в монографии (Springer), сделано 8 докладов на конференциях, из них 4 приглашенных.

Прикрепленные к НИР результаты

Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".