(45-3) 04 * << * >> * Русский * English * Содержание * Все выпуски

Численный анализ функциональных свойств 3D-резонатора плазмонного нанолазера с учетом нелокальности и наличия призмы методом дискретных источников
Ю.А. Еремин 1, В.В. Лопушенко 1

1 Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, факультет ВМК,
119991, Россия, г. Москва, Ленинские горы, д.1, стр. 52

 PDF, 2231 kB

DOI: 10.18287/2412-6179-CO-790

Страницы: 331-339.

Аннотация:
Рассматривается влияние эффекта нелокальности на оптические характеристики ближнего поля резонатора плазмонного нанолазера. На основе метода дискретных источников строится компьютерная модель, позволяющая проводить анализ характеристик ближнего поля слоистой наночастицы, располагающейся на прозрачной подложке в активной среде. При этом учет нелокальности плазмонного металла осуществляется в рамках модели обобщенного нелокального отклика. Исследуется возбуждение частицы как распространяющейся, так и неизлучающей волной. Установлены «оптимальные» направления внешнего возбуждения. Оказалось, что возбуждение неизлучающей волной ведет к большей интенсивности ближнего поля. Показано, что учет эффекта нелокальности в плазмонном металле существенно снижает коэффициент усиления поля.

Ключевые слова:
плазмонный нанолазер, эффект нелокальности, метод дискретных источников.

Благодарности
Работа выполнена при финансовой поддержке Московского центра фундаментальной и прикладной математики (проект «Моделирование элементов плазмонного нанолазера с учетом квантовой нелокальности»).

Цитирование:
Еремин, Ю.А. Численный анализ функциональных свойств 3D-резонатора плазмонного нанолазера с учетом нелокальности и наличия призмы методом дискретных источников / Ю.А. Еремин, В.В. Лопушенко // Компьютерная оптика. – 2021. – Т. 45, № 3. – С. 331-339. – DOI: 10.18287/2412-6179-CO-790.

Citation:
Eremin YuA, Lopushenko VV. Numerical analysis of the functional properties of the 3D resonator of a plasmon nanolaser with regard to nonlocality and prism presence via the discrete sources method. Computer Optics 2021; 45(3): 331-339. DOI: 10.18287/2412-6179-CO-790.

Литература:
  1. Климов, В.В. Наноплазмоника / В.В. Климов. – М.: Физматлит, 2010. – 480 с. – ISBN: 978-5-9221-1205-5.
  2. Barbillon, G. Plasmonics and its applications / G. Barbillon // Materials. – 2019. – Vol. 12. – 1502. – DOI: 10.3390/ma12091502.
  3. Xu, D. Quantum plasmonics: new opportunity in fundamental and applied photonics. Review / D. Xu, X. Xiong, L. Wu, X.F. Ren, C.E. Png, G.C. Guo, Q. Gong, Y.F. Xiao // Advances in Optics and Photonics. – 2018. – Vol. 10, Issue 4. – P. 703-756. – DOI: 10.1364/AOP.10.000703.
  4. Stockman, M.I. Roadmap on plasmonics / M.I. Stockman, K. Kneipp, S.I. Bozhevolnyi, S. Saha, A. Dutta, J. Ndukaife, N. Kinsey, H. Reddy, U. Guler, V.M. Shalaev, A. Boltasseva, B. Gholipour, H.N.S. Krishnamoorthy, K.F. MacDonald, C. Soci, N.I. Zheludev, V. Savinov, R. Singh, P. Groß, C. Lienau, M. Vadai, M.L. Solomon, D.R. Barton III, M. Lawrence, J.A. Dionne, S.V. Boriskina,  R. Esteban, J. Aizpurua, X. Zhang, S. Yang, D. Wang, W. Wang, T.W. Odom, N. Accanto, P.M. de Roque, I.M. Hancu, L. Piatkowski, N.F. van Hulst, M.F. Kling // Journal of Optics. – 2018. – Vol. 20, Issue 4. – 043001. –DOI: 10.1088/2040-8986/aaa114.
  5. Kalambate, P.K. Core@shell nanomaterials based sensing devices: A review / K. Kalambate, Dhanjai, Z. Huang, Y. Li, Y. Shen, M. Xie, Y. Huang, A.K. Srivastava // Trends in Analytical Chemistry. –2019. – Vol. 115. – P. 147-161. –DOI: 10.1016/j.trac.2019.04.002.
  6. Izadiyan, Z. Green fabrication of biologically active magnetic core-shell Fe3O4/Au nanoparticles and their potential anticancer effect / Z. Izadiyan, K. Shameli, M. Miyake, S.Y. Teow, S.C. Peh, S.E. Mohamad, S.H.M. Taib // Materials Science and Engineering: C. – 2019. – Vol. 96. – P. 51-57. – DOI: 10.1016/j.msec.2018.11.008.
  7. Xu, L. Surface plasmon nanolaser: Principle, structure, characteristics and applications / L. Xu, F. Li, Y. Liu, F. Yao, S. Liu // Applied Sciences. – 2019. – Vol. 9, Issue 5. – 861. – DOI: 10.3390/app9050861.
  8. Solowan, H.-P. Facile design of a plasmonic nanolaser / H.-P. Solowan, C. Kryschi // Condensed Matter. – 2017. –Vol. 2, Issue 1. – 8. – DOI: 10.3390/condmat2010008.
  9. Sudarkin, A.N. Excitation of surface electromagnetic wave on the boundary of a metal with an amplified medium / A.N. Sudarkin, P.A. Demkovich // Soviet Physics: Technical Physics. – 1988. – Vol. 34. – 764.
  10. Bergman, D.J. Surface plasmon amplification by stimulated emission of radiation: Quantum generation of coherent surface plasmons in nanosystems / D.J. Bergman, M.I. Stockman // Physical Review Letters. – 2003. – Vol. 90. – 027402. – DOI: 10.1103/PhysRevLett.90.027402.
  11. Protsenko, I.E. Dipole nanolaser / I.E. Protsenko, A.V. Uskov, A. Zaimidoroga, V.N. Samoilov, E.P. O’Reilly // Physical Review A. – 2005. – Vol. 71. – 063812. – DOI: 10.1103/PhysRevA.71.063812.
  12. Noginov, M.A. Demonstration of spaser-based nanolaser/ M.A. Noginov, G. Zhu, A.M. Belgrave, [et al.] // Nature.– 2009. – Vol. 460. – 1110. – DOI: 10.1038/nature08318.
  13. Zabolotskii, A.A. Соllective fluorescence of composite nanoparticles / A.A. Zabolotskii, A.S. Kuch’yanov, F.A. Benimetskii, A.I. Plekhanov // Journal of Experimental and Theoretical Physics. – 2018. – Vol. 126. – P. 174-182. – DOI: 10.1134/S1063776118020097.
  14. Балыкин, В.И. Плазмонный нанолазер: современное состояние и перспективы / В.И. Балыкин // Успехи физических наук. – 2018. – Т. 188, № 9. – С. 935-963. – DOI: 10.3367/UFNr.2017.09.038206.
  15. Jackson, J.D. Classical Electrodynamics. / J.D. Jackson. – 3rd ed. – New York: John Wiley, 1999. – 832 p. –ISBN: 0-471-30932-X.
  16. Garcia de Abajo, F.J. Nonlocal effects in the plasmons of strongly interacting nanoparticles, dimers, and waveguides / F.J. Garcia de Abajo // The Journal of Physical Chemistry C. – 2008. – Vol. 112. – P. 17983-17987. – DOI: 10.1021/jp807345h.
  17. Raza, S. Nonlocal optical response in metallic nanostructures. Topical Review / S. Raza, S.I. Bozhevolnyi, M. Wubs, N.A. Mortensen // Journal of Physics: Condensed Matter. – 2015. – Vol. 27. –183204. – DOI: 10.1088/0953-8984/27/18/183204.
  18. Еремин, Ю.А. Математические модели задач нанооптики и биофотоники на основе метода дискретных источников / Ю.А. Еремин, А.Г. Свешников // Журнал вычислительной математики и математической физики. – 2007. – Т. 47, № 2. – C. 266-284.
  19. Doicu, A. Acousticand electromagnetic scattering analysis using discrete sources / A. Doicu, Yu. Eremin, T. Wriedt. – San Diego: Academic Press, 2000. – 317 p. – ISBN: 0-12-219740-2.
  20. Барышев, А.В. Анализ рассеивающих свойств кластера наночастиц в металической пленке методом дискретных источников / А.В. Барышев, Ю.А. Еремин // Компьютерная оптика. – 2011. – T. 35, № 3. – С. 311-319.
  21. Еремин, Ю.А. Математическая модель учета эффекта нелокальности плазмонных структур на основе метода дискретных источников / Ю.А. Еремин, А.Г. Свешников // Журнал вычислительной математики и математической физики. – 2018. – Т. 58, № 4. – С. 586-594. – DOI: 10.7868/S0044466918040099.
  22. Eremin, Yu. Discrete sources method for modeling the nonlocal optical response of a nonspherical particle dimmer / Yu. Eremin, A. Doicu, T. Wriedt // Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer. – 2018. – Vol. 217. – P. 35-44. – DOI: 10.1016/j.jqsrt.2018.05.026.
  23. Eremin, Yu. A numerical method for analyzing the near field enhancement of non-spherical dielectric-core metallic-shell particles accounting for the non-local dispersion / Yu. Eremin, A. Doicu, T. Wriedt // Journal of the Optical Society of America A. – 2020. – Vol. 37, Issue 7. – P. 1135-1142. – DOI: 10.1364/JOSAA.392537.
  24. Еремин, Ю.А. Метод анализа влияния квантового эффекта нелокальности на характеристики плазмонного нанолазера / Ю.А. Еремин, А.Г. Свешников // Доклады Академии наук. – 2020. – Т. 490. – С. 24-28. – DOI: 10.31857/S2686954320010130.
  25. Борн, М. Основы оптики / М. Борн, Э. Вольф. – М.: Наука, 1973.
  26. Johnson, P.B. Optical constants of the noble metals / P.B. Johnson, R.W. Christy // Physical Review B. – 1972. –Vol. 6. – 4370. – DOI: 10.1103/PhysRevB.6.4370.
  27. Liaw, J.-W. Comparison of Au and Ag nanoshells' metal-enhanced fluorescence / J.-W. Liaw, H.C. Chen, M.K. Kuo // Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer. – 2014. – Vol. 146. – P. 321-330. – DOI: 10.1016/j.jqsrt.2014.02.025.
  28. Kupresak, M. Comparison of hydrodynamic models for the electromagnetic nonlocal response of nanoparticles / M. Kupresak, X. Zheng, G.A.E. Vandenbosch, V.V. Moshchalkov // Advanced Theory and Simulations. – 2018. – Vol. 1, Issue 12. – 1800076. – DOI: 10.1002/adts.201800076.
  29. Avşar, D. Plasmonic responses of metallic/dielectric core-shell nanoparticles on a dielectric substrate / D. Avşar, H. Ertürk, M.P. Mengüç // Materials Research Express. – 2019. – Vol. 6. – 065006. – DOI: 10.1088/2053-1591/ab07fd.
  30. Tserkezis, Ch. On the origin of nonlocal damping in plasmonic monomers and dimers / Ch. Tserkezis, W. Yan, W. Hsieh, G. Sun, J.B. Khurgin, M. Wubs, M.A. Mortensen // International Journal of Modern Physics B. – 2017. – Vol. 31. – 1740005. – DOI: 10.1142/S0217979217400057.
  31. Maack, J.R. Size-dependent nonlocal effects in plasmonic semiconductor particles / J.R. Maack, N.A. Mortensen, M. Wubs // Europhysics Letters. – 2017. – Vol. 119, Issue 1. – 17003. – DOI: 10.1209/0295-5075/119/17003.

© 2009, IPSI RAS
Россия, 443001, Самара, ул. Молодогвардейская, 151; электронная почта: journal@computeroptics.ru; тел: +7 (846) 242-41-24 (ответственный секретарь), +7 (846) 332-56-22 (технический редактор), факс: +7 (846) 332-56-20