Электродинамика твердотельных наноструктур и метаматериалов

Аннотация

Последние 15–20 лет ознаменовались грандиозным прогрессом в области линейной и нелинейной оптики сложных фотонных структур, таких как фотонные кристаллы и метаматериалы, в том числе металл-диэлектрические (наноплазменные) и диэлектрические модулированные структуры. На основе структур нанофотоники и наноплазмоники созданы новые оптические элементы, позволяющие эффективно управлять свойствами электромагнитного излучения, например, наноантенны оптического диапазона, эффективные нелинейно-оптические преобразователи, биосенсоры. Курс является вводным в электродинамику таких наносистем фотоники и плазмоники. Основное внимание в курсе будет уделено резонансным фотонным состояниям — волноводным и квазиволноводным модам, поверхностным плазмон-поляритонам, комбинированным волноводно-плазмонным поляритонам в металл-диэлектрических структурах. Будет также дано введение в мощный теоретический метод для расчета оптических свойств этих фотонных структур: оптических матриц переноса и рассеяния. Будет также рассмотрена оптика модулированных структур с периодом модуляции, не превышающим длину волны используемого света — метаматериалов и метаповерхностей.

Программа курса

Уравнения Максвелла для сплошных сред, граничные условия Максвелла, электромагнитные волны в однородной и изотропной среде.
Планарные диэлектрические волноводы, волноводные моды. Поверхностный плазмон-поляритон на плоской границе раздела металл/диэлектрик.
Электродипольные резонансы Ми в металлических наночастицах
Диэлектрические фотонные кристаллы, фотонные запрещенные зоны. Фотонные кристаллы в природе. Опалы и павлиньи перья. Структурная окраска.
Одномерный фотонный кристалл на примере брэгговского зеркала. Оптические матрицы переноса и рассеяния.
Брэгговский микрорезонатор, резонансная фотонная мода, экситонный плазмон-поляритон в брэгговском микрорезонаторе с квантовой ямой в активной области.
Поляритонные кристаллы на примере плазмон-волноводного резонанса в структуре решетка металлических нанонитей на планарном диэлектрическом волноводе.
Фотонно-кристаллические и плазмонные структуры для микрорезонаторов, световодов, нанолитографии
Плазмонные наноантенны для оптического диапазона частот.
Отрицательное преломление света и плоская линза Веселаго. Сверхразрешение Пендри (плоской линзы Веселаго) и физические ограничения на сверхразрешение.
Метаматериалы и метаповерхности. Шапка-невидимка и трансформационная оптика.
Метод Фурье-разложения по плоским волнам для решения уравнений Максвелла в слоистых периодических структурах, оптические матрицы переноса и рассеяния.

Литература

Основная литература

Б. Салех, М. Тейх. Оптика и фотоника. Принципы и применения. Том 1: пер. с англ. М.: Изд. дом Интеллект. 2012. 760 с.

Дополнительная литература

Л. Д. Ландау, Е. М. Лифшиц. Теоретическая физика: уч. пособие. Том VIII. Электродинамика сплошных сред. Изд. второе, переработанное и дополненное Е.М. Лифшицем и Л. П. Питаевским, М.: Наука, 1982. 624 с.
Дж. Джексон, Классическая электродинамика: пер. с англ. М.: «Мир», 1965.
М. Борн, Э. Вольф. Основы оптики. М.: Наука, 1973.
К. Борен, Д. Хафмен. Поглощение и рассеяние света малыми частицами: пер. с англ. М.: «Мир». 1986. 664 с.

Другие спецкурсы программы

Спецкурсы