Анализ рассеивающих свойств кластера наночастиц в металлической плёнке методом дискретных источников

Барышев А.В., Ерёмин Ю.А.

Аннотация:
На основе метода дискретных источников разработана и реализована математическая модель оптической антенны, состоящей из кластера наноразмерных частиц, которые располагаются в металлической плёнке на стеклянной подложке. Приведены результаты компьютерного моделирования рассеянной интенсивности, в том числе и в области неизлучающих волн. Показана возможность управления направлением излучения за счёт геометрии кластера.

Abstract:
Based on the Discrete Sources Method mathematical model of an optical antenna has been considered and realized. The considered antenna consisted of a nanoparticles cluster located inside a thin metal film which was disposed on a glass substrate. Scattered intensity obtained via computer modeling is presented, including the case of evanescent waves. It has been established that by varying the cluster geometry the scattered light could be concentrated in a wide range of directions.

Ключевые слова :
оптическая антенна, метод дискретных источников, наноразмерные частицы, эффект экстремального просачивания энергии.

Key words:
optical antenna, discrete sources method, nanoparticles, extreme transmission effect.

Литература:

  1. Sarid, D. Modern introduction to Surface Plasmons. Theory, Mathematica Modeling, and Applications / D. Sarid, W. Challener. – Cambridge, Cambridge University Press, 2010. – 386 p.
  2. Климов, В.В. Наноплазмоника / В.В. Климов – М.: Физматлит, 2010. – 480 с.
  3. Park, Q. Optical antennas and plasmonics / Q-Han Park // Contemporary physics. – 2009. – Vol. 50, N 2. – P. 407-423.
  4. Taminiau, T.H. Enhanced directional excitation and emission of single emitters by a nano-optical Yagi-Uda antenna / T.H. Taminiau, F.D. Stefani, N.F. van Hulst // Optics Express. – 2008. – Vol. 16, N 14. – P. 10858-10866.
  5. Hofmann, H.F. Design parameters for a nano-optical Yagi-Uda antenna / H.F. Hofmann, T. Kosako, Y. Kadoya // New Journal of Physics. – 2007. – Vol. 9. – P. 217.
  6. Hofmann, H.F. Directional control of light by a nano-optical Yagi-Uda antenna / H.F. Hofmann, T. Kosako, Y. Kadoya // Nature Photonics. – 2010. – Vol. 4, N 5. – P. 312-315.
  7. Ebbesen, T.W. Extraordinary optical transmission through sub-wavelength hole arrays / T.W. Ebbesen, H.J. Lerec, H.F. Ghaemi [et al.] // Nature. – 1998. – Vol. 391, N. 6668. – P. 667-669.
  8. Wannemacher, R. Plasmon-supported transmission of light through nanometric holes in metallic thin films / R. Wannemacher // Opt. Comm. – 2001. – Vol. 195. – P. 107-118.
  9. Raether, H. Surface plasmon on smooth and rough surfaces and on gratings. Ch. 2 / H. Raether. – Berlin: Springer, 1988.
  10. Гришина, Н.В. Математическая модель слоистой струк­туры с наноразмерным отверстием / Н.В. Гришина, Ю.А. Ерёмин, А.Г. Свешников // Вест. Моск. Ун-та. Сер. 15. Выч. Матем. и Киберн. – 2008. – № 4. – С. 11-16.
  11. Гришина, Н.В. Эффект экстремального просачивания энергии через проводящую плёнку с наноразмерной неоднородностью в области неизлучающих волн / Н.В. Гришина, Ю.А. Ерёмин, А.Г. Свешников // ДАН, 2009. – Т. 424, № 1. – С. 1-4.
  12. Taflove, A. Computational Electrodynamics: The Finite-Difference Time-Domain Method / A. Taflove, S. Hagness. – London: Artech House, 2005. – 1038 p.
  13. Jin, J. The Finite Element Method in Electromagnetics / J. Jin. – Chichester: John Wiley & Sons, 2002. – 780 p.
  14. Hafner, Ch. Boundary methods for optical nano structures / Ch. Hafner // Phys. Stat. Sol. B. – 2007. – Vol. 244, N 10. – P. 3435-3447.
  15. Chew, W.C. Waves and fields in inhomogeneous media / W.C. Chew. – NY.: IEEE Press, 1999. – 632 p.
  16. Ерёмин, Ю.А. Компьютерная технология анализа задач рассеяния методом дискретных источников / Ю.А. Ерёмин, А.Г. Свешников // ЖВМиМФ. – 2000. – Т. 39, № 12. – С. 1842-1856.
  17. Дмитриев, В.И. Поля в слоистых средах / В.И. Дмит­риев. – М.: Изд-во МГУ, 1963. – 131 с.
  18. Барышев, А.В. Математическая модель оптической антенны на основе метода дискретных источников / А.В. Барышев, Ю.А. Ерёмин // Вест. Моск. Ун-та. Сер. 15. Выч. Мат. и Киберн. – 2011. – № 1. – С. 25-31.
  19. Фарафонов, В.Г. Рассеяние света осесимметричными частицами: модификация метода поточечной сшивки / В.Г. Фарафонов, В.Б. Ильин // Оптика и спектроскопия. – 2006. – Т. 100, № 3. – С. 484-494.

References:

  1. Sarid, D. Modern introduction to Surface Plasmons. Theory, Mathematica Modeling, and Applications / D. Sarid, W. Challener. – Cambridge, Cambridge University Press, 2010. – 386 p.
  2. Klimov, V.V. Nanoplasmonics / V.V. Klimov. – Moscow: “Fizmatlit” Publisher, 2010. – 480 p. – (in Russian).
  3. Park, Q. Optical antennas and plasmonics / Q-Han Park // Contemporary physics. – 2009. – Vol. 50, N 2. – P. 407-423.
  4. Taminiau, T.H. Enhanced directional excitation and emission of single emitters by a nano-optical Yagi-Uda antenna / T.H. Taminiau, F.D. Stefani, N.F. van Hulst // Optics Express. – 2008. – Vol. 16, N 14. – P. 10858-10866.
  5. Hofmann, H.F. Design parameters for a nano-optical Yagi-Uda antenna / H.F. Hofmann, T. Kosako, Y. Kadoya // New Journal of Physics. – 2007. – Vol. 9. – P. 217.
  6. Hofmann, H.F. Directional control of light by a nano-optical Yagi-Uda antenna / H.F. Hofmann, T. Kosako, Y. Kadoya // Nature Photonics. – 2010. – Vol. 4, N 5. – P. 312-315.
  7. Ebbesen, T.W. Extraordinary optical transmission through sub-wavelength hole arrays / T.W. Ebbesen, H.J. Lerec, H.F. Ghaemi [et al.] // Nature. – 1998. – Vol. 391, N. 6668. – P. 667-669.
  8. Wannemacher, R. Plasmon-supported transmission of light through nanometric holes in metallic thin films / R. Wannemacher // Opt. Comm. – 2001. – Vol. 195. – P. 107-118.
  9. Raether, H. Surface plasmon on smooth and rough surfaces and on gratings. Ch. 2 / H. Raether. – Berlin: Springer, 1988.
  10. Grishina, N.V. A mathematical model of a layered structure with a nanodimensional hole / N.V. Grishina, Yu.A. Eremin, A.G. Sveshnikov // Moscow Univ. Comp. Math. And Cybern., – 2008. – Vol. 32, N 4. – P. 194-200. – (in Russian).
  11. Grishina, N.V. Extraordinary optical transmission through a conducting film with a nanometric inhomogeneity in the evanescent wave region / N.V. Grishina, Yu.A. Eremin, A.G. Sveshnikov // Doklady Mathematics. – 2009. – Vol. 79, N 1. – P. 128-131. – (in Russian).
  12. Taflove, A. Computational Electrodynamics: The Finite-Difference Time-Domain Method / A. Taflove, S. Hagness. – London: Artech House, 2005. – 1038 p.
  13. Jin, J. The Finite Element Method in Electromagnetics / J. Jin. – Chichester: John Wiley & Sons, 2002. – 780 p.
  14. Hafner, Ch. Boundary methods for optical nano structures / Ch. Hafner // Phys. Stat. Sol. B. – 2007. – Vol. 244, N 10. – P. 3435-3447.
  15. Chew, W.C. Waves and fields in inhomogeneous media / W.C. Chew. – NY.: IEEE Press, 1999. – 632 p.
  16. Eremin, Yu.A. Computer Technology for Analysis of Light Scattering Problems via the Discrete Sources Method / Yu.A. Eremin, A.G. Sveshnikov // Computatio­nal Mathematics and Mathematical Physics. – 2000. – Vol. 39, N 12. – P. 1842-1856. – (in Russian).
  17. Dmitriev, V.I. Fields in Layered Media / V.I. Dmitriev. – Мoscow: Moscow State University Publisher, 1963. – 131 p. – (in Russian).
  18. Baryshev, A.V. Mathematical Model of an Optical Antenna Based on the Discrete Sources Method / A.V. Baryshev, Yu.A. Eremin // Moscow Univ. Comp. Math. And Cybern. – 2011. – Vol. 35, N 1. – P. 22-29. – (in Russian).
  19. Farafonov, V.G. Scattering of light by axially symmetric particles: Modification of the point-matching method / V.G. Farafonov, V.B. Il’in // Optics and Spectroscopy. – 2006. – Vol. 100, N 3. – P. 437-447. – (in Russian).
© 2009, ИСОИ РАН
Россия, 443001, Самара, ул. Молодогвардейская, 151; электронная почта: ko@smr.ru ; тел: +7 (846) 332-56-22, факс: +7 (846) 332-56-20