Φωτονικές δομές για τον έλεγχο των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων στη νανοκλίμακα

Abstract

Nanophotonics is a rapidly growning research area that studies the interaction of light with nanostructured materials. Modern nanofabrication methods, offer many new possibilities in tailoring the propagation, emission, enhancement, detection and modulation of electromagnetic (EM) waves. All these phenomena attract a lot of interest because of the need for applications such as optical circuits, optical sensors and detectors, optical traps, solar cells and many more. Those devices promise to change our daily life drastically and improve services in diagnostics, therapeutics, enviromental care, safety, communications etc.This thesis attempts to give an answer to the question for efficient control of EM waves in the nanoscale, through the study and design of periodic photonic structures and surfaces for guidance and confinement of light, such as photonic membranes, and even more complex metallo-dielectric nanostructures for strong enhancement and localization of the field in subwavelegth dimensions. Additionaly, we investigated the modulation of the optical response and light emission in simultaneous photonic and phononic resonant cavities. Our work is theoretical and computational, using the layer multiple scattering (LMS) method for the solution of Maxwell equations in periodic media. An extension of the LMS method is also presented for the calculation of the EM field inside and outside of such structures, and also the computation of bound states. Our results can be compared directly with experimental studies from the literature and this work aims in designing and optimizing the optical properties of structures that can be fabricated using modern nanofabrication techniques.

Η αλληλεπίδραση των ηλεκτρομαγνητικών (ΗΜ) κυμάτων με υλικά δομημένα στη νανοκλίμακα αποτελεί το κύριο αντικείμενο της νανοφωτονικής, που είναι το σημείο συνάντησης της παραδοσιακής οπτικής με τη νανοτεχνολογία, και είναι σήμερα ένας ταχύτατα αναδυόμενος ερευνητικός κλάδος. Εν γένει, τα νανοϋλικά με διαστάσεις συγκρίσιμες με το μήκος κύματος του φωτός, σε συνδυασμό και με την ανάπτυξη σύγχρονων μεθόδων σχηματοποίησης στη νανοκλίμακα, προσφέρουν νέες δυνατότητες χειρισμού της μετάδοσης, της εκπομπής, της ενίσχυσης, της ανίχνευσης και της διαμόρφωσης της ΗΜ ακτινοβολίας. Τα ζητήματα αυτά παρουσιάζουν ιδιαίτερα μεγάλο ενδιαφέρον τελευταία λόγω της ανάγκης για εφαρμογές όπως είναι τα οπτικά κυκλώματα, οι οπτικοί αισθητήρες και ανιχνευτές, οι οπτικές παγίδες, οι ηλιακές κυψελίδες και πολλά άλλα τα οποία αλλάζουν δραστικά πολλές πτυχές της καθημερινότητάς μας μέσω νέων συσκευών και υπηρεσιών που μπορούν να βελτιώσουν τομείς όπως η διάγνωση και θεραπεία ασθενειών, το περιβάλλον, η ασφάλεια, οι επικοινωνίες, και όχι μόνο.Η παρούσα διατριβή προσπαθεί να απαντήσει στην ανάγκη για αποδοτικότερο έλεγχο των ΗΜ κυμάτων στη νανοκλίμακα, μέσα από τη μελέτη και το σχεδιασμό φωτονικών περιοδικών δομών και επιφανειών για την οδήγηση και τη δέσμευση του φωτός, όπως είναι οι φωτονικές μεμβράνες, αλλά και πιο σύνθετων μεταλλο-διηλεκτρικών νανοδομών για την ενίσχυση και τον εντοπισμό του πεδίου σε διαστάσεις πολύ μικρότερες του μήκους κύματος. Επίσης, γίνεται μια ενδελεχής μελέτη γύρω από το πρόβλημα της ενίσχυσης της αλληλεπίδρασης ΗΜ και ακουστικών κυμάτων, αλλά και του ελέγχου της αυθόρμητης εκπομπής του φωτός, σε δομές που εντοπίζουν ταυτόχρονα φωτόνια και φωνόνια σε κοιλότητες συντονισμού. Η εργασία μας είναι θεωρητική και υπολογιστική, με τη χρήση της στρωματικής μεθόδου πολλαπλής σκέδασης για την επίλυση των εξισώσεων του Maxwell, την οποία επεκτείναμε κατάλληλα για τον υπολογισμό του πεδίου και την εύρεση των δέσμιων καταστάσεων σε περιοδικά συστήματα. Τα αποτελέσματά μας είναι άμεσα συγκρίσιμα με πειραματικές εργασίες από τη διεθνή βιβλιογραφία και η μελέτη μας αποσκοπεί στο σχεδιασμό και τη βελτιστοποίηση φωτονικών δομών που μπορούν να υλοποιηθούν με τη σημερινή νανοκατασκευαστική τεχνολογία.