Εκπομπή και διάδοση φωτός σε νανοδομημένα πλασμονικά μεταϋλικά

Abstract

The optical properties of plasmonic metamaterials, consisting of metallic nanoshells, metallic nanorods, and metallodielectric nanosandwiches, were studied by means of numerical calculations using the layer-multiple-scattering method. Homogenization of these structures was investigated through the inverse-scattering retrieval method and ways to resolve problems in the calculation of the effective electromagnetic parameters were proposed. In addition, a new homogenization method, also applicable for anisotropic metamaterials, was proposed and, combined with an analysis of isofrequency surfaces, showed that negative refraction may occur in all of the above structures. It was also shown that periodic arrays of nanosandwiches exhibit negative effective permeability within a large frequency region. Furthermore, a method to calculate photonic surface states was developed and it was shown that such states with significant propagation lengths are encountered in metallodielectric photonic crystals. Moreover, it was shown that the optical response of periodic structures of metallic nanorods is characterised by various types of plasmonic excitations. Dispersion diagrams of linear chains of such nanorods, obtained by rigorous full-electrodynamic calculations, were compared to those obtained by a simple coupled-dipole model. Finally, the interaction of active emitters with single nanoparticles and periodic photonic structures was studied using a Green's function formalism.

Μελετήθηκαν, με ακριβείς αριθμητικούς υπολογισμούς μέσω της μεθόδου στρωματικής πολλαπλής σκέδασης, οι οπτικές ιδιότητες πλασμονικών μεταϋλικών από μεταλλικούς νανοφλοιούς, μεταλλικούς νανοκυλίνδρους και μεταλλοδιηλεκτρικά νανοσάντουιτς. Η ομοιογενοποίηση αυτών των δομών διερευνήθηκε μέσω της μεθόδου αντίστροφης σκέδασης και προτάθηκαν τρόποι επίλυσης προβλημάτων στον υπολογισμό των ισοδύναμων ηλεκτρομαγνητικών παραμέτρων. Επίσης αναπτύχθηκε μια νέα μέθοδος ομοιογενοποίησης, κατάλληλη και για ανισοτροπικά μεταϋλικά, η οποία, σε συνδυασμό με ανάλυση των επιφανειών σταθερής συχνότητας, έδειξε ότι σε όλες τις υπό μελέτη δομές είναι δυνατή η εμφάνιση αρνητικής διάθλασης. Επιπρόσθετα, δείχθηκε ότι περιοδικές δομές από μεταλλοδιηλεκτρικά νανοσάντουιτς εμφανίζουν αρνητική μαγνητική διαπερατότητα σε μεγάλο εύρος συχνοτήτων. Επιπλέον, αναπτύχθηκε μια μέθοδος υπολογισμού επιφανειακών φωτονικών καταστάσεων και δείχθηκε ότι τέτοιες καταστάσεις με μεγάλο μήκος διάδοσης εμφανίζονται σε μεταλλοδιηλεκτρικούς φωτονικούς κρυστάλλους. Ακόμη, δείχθηκε ότι η οπτική απόκριση περιοδικών διατάξεων μεταλλικών νανοκυλίνδρων χαρακτηρίζεται από διάφορους τύπους συλλογικών πλασμονικών διεγέρσεων. Διαγράμματα διασποράς γραμμικών αλυσίδων τέτοιων νανοκυλίνδρων, υπολογισμένα με ακριβείς ηλεκτροδυναμικούς υπολογισμούς, συγκρίθηκαν με αυτά που προκύπτουν από ένα απλό μοντέλο συζευγμένων διπόλων. Τέλος, μελετήθηκε η αλληλεπίδραση ενεργών κέντρων με μεμονωμένα πλασμονικά σωματίδια και περιοδικές φωτονικές δομές, χρησιμοποιώντας έναν φορμαλισμό βασισμένο στην τεχνική των συναρτήσεων Green.