ИСТИНА

Проект посвящен фундаментальной проблеме анализа и синтеза альтернативных схем оптических антенн, и направлен на исследование в области неизлучающих волн интегральных и дифференциальных характеристик рассеяния различных схем оптической антенны, представляющих собой кластер наноразмерных диэлектрических частиц в тонкой металической пленке из благородного металла, нанесенной на поверхность стеклянной призмы. Будет проведено математическое моделирование рассеивающих свойств различных альтернативных схем оптических антенн путем решения соответствующей граничной задачи рассеяния для системы уравнений Максвелла с условиями на бесконечности и граничными условиями на поверхности разрыва материальных характеристик окружающего пространства. Решение данной граничной задачи будет построено на основе метода дискретных источников (МДИ), который позволяет аналитически учесть всевозможные взаимодействия частиц с границами раздела слоистого интерфейса. Ожидается, что на основе анализа таких интегральных и дифференциальных характеристик рассеяния, как полное сечение рассеяния и интенсивность рассеяния, для диэлектрической антенны типа Уда-Яги, удастся найти оптимальную конфигурацию, позволяющую добиться максимальной интенсивности рассеяния в заранее заданном направлении. Анализ будет проводиться для различных углов падения возбуждающей волны, в том числе и в области неизлучающих волн, когда угол падения превышает угол полного внутреннего отражения. Подобный анализ будет выполнен также и для других альтернативных схем оптических антенн. Также ожидается, что нанесение дополнительного тонкого диэлектрического слоя на поверхность металической пленки позволит дополнительно увеличить интенсивность рассеяния.

Ожидается, что на основе анализа интегральных и дифференциальных характеристик рассеяния, таких как полное сечение рассеяния и интенсивность рассеяния, для диэлектрической антенны типа Уда-Яги, образованной кластером диэлектрических наночастиц различной конфигурации, расположенным в тонкой пленке из благородного металла на подложке, удастся найти оптимальную конфигурацию, позволяющую добиться максимальной интенсивности рассеяния в заранее заданном направлении. Анализ будет проводиться для различных углов падения возбуждающей волны, в том числе и в области неизлучающих волн, когда угол падения лежит за углом полного внутреннего отражения. Ожидается, что обоснование характеристических размеров этой оптимальной конфигурации удастся обосновать эффективным масштабированием длины волны и соответствующим проведением аналогии между оптической антенной и антенной радиоволнового диапазона [5.1]. Подобный анализ будет выполнен также и для других альтернативных схем оптических антенн. Ожидается, что нанесение дополнительного тонкого диэлектрического слоя на поверхность золотой пленки позволит также увеличить интенсивность рассеяния во всем пространстве [5.2]. Литература: 5.1. Novotny L. Effective wavelength scaling for optical antennas // Phys. Rev. Lett. 2007, Vol.98, N.26, P.266802. 5.2 Н. В. Гришина, Ю. А. Ерёмин, А. Г. Свешников. Исследование экстремального рассеяния неизлучающих волн методом Дискретных источников//Журн. Вычислит. матем. и матем. физ., 2011, Т. 51. №9, С. 1712-1720.

Коллектив авторов более 5 лет применяет метод дискретных источников в своих исследованиях, посвященных анализу процесса распространения излучения в слоистых средах с присутствующими в них неоднородностях. Применение МДИ к анализу рассеивающих свойств оптических антенн, представляющих собой систему из нескольких частиц, расположенных в слоистой среде, начиналось с построения математической модели [6.1], математического обоснования полноты системы функций, положенных в основу представления приближенного решения [6.2], и доказательства сходимости приближенного решения к точному [6.2]. Для кластера сферических частиц сферической [6.3] и сфероидальной [6.4] формы был проведен анализ некоторых дифференциальных характеристик рассеяния, в частности был проведен анализ зависимости амплитуды и направления рассеяния в зависимости от угла падения волны, в том числе в области неизлучающих волн. Имеющийся у коллектива опыт и наработки позволяют быстро адаптировать имеющуюся математическую модель оптической антенны и комплекс программ для проведения исследования различных дифференциальных и интегральных характеристик различных альтернативных схем оптических антенн, в том числе диэлектрической антенны типа Уда-Яги. Литература: 6.1. Барышев А.В., Еремин Ю.А. Математическая модель оптической антенны на основе метода дискретных источников // Вест. Моск. Ун-та. Сер. 15: Выч. Матем. и Киберн. 2011, № 1, С.25-31. 6.2. Барышев А.В., Еремин Ю.А. Обоснование для интегральных представлений для полей в задаче дифракции на кластере частиц в плоскослоистой среде // Дифференциальные уравнения. 2011, Т.47, № 9, С.1284-1293. 6.3. Барышев А.В., Еремин Ю.А. Анализ рассеивающих свойств оптических антенн методом дискретных источников // Оптика и спектроскопия. 2011, Т.111, № 3, С.521-527. 6.4. Барышев А.В., Еремин Ю.А. Анализ рассеивающих свойств кластера наночастиц в металлической пленке методом дискретных источников // Компьютерная оптика. 2011, Т.35, № 3, С. 311-319.

1. На основе метода Дискретных источников разработана и реализована математическая модель рассеяния поляризованных плоских электромагнитных волн системой из нескольких наноразмерных рассеивателей, расположенных внутри либо на поверхности слоистого интерфейса. В основу представления приближенного решения положена система электрических диполей, позволяющей эффективно решать задачу рассеяния для рассеивателей произвольной формы. Доказана полнота и замкнутость системы функций, положенных в основу приближенного решения для двух частиц. Доказана сходимость приближенного решения к точному. 2. Разработана и реализована математическая модель оптической антенны, основанной на гибридной схеме метода дискретных источников, для анализа рассеяния световых волн проницаемыми наночастицами, и проведен анализ влияния подложки на их рассеивающие свойства. 3. Для конфигурации оптической антенны, представляющей собой кластер диэлектрических либо металлических частиц, расположенных на поверхности тонкой пленки из благородного металла, нанесенной на прозрачную стеклянную подложку, установлено, что в области неизлучающих волн, за углом полного внутреннего отражения, наблюдается эффект экстремального рассеяния энергии (ЭРЭ), заключающийся в резком, более чем на порядок, увеличении интенсивности рассеянной волны. 4. Для оптической антенны типа Уда-Яги, образованной системой из пяти частиц сфероидальной формы, в области неизлучающих волн в условиях экстремального рассеяния, установлено, что путем вариации параметров антенны – характеристических размеров частиц и их взаимного расположения, удается управлять направлением рассеяния в широком диапазоне значений. 5. Установлено, что при рассеянии электромагнитной волны P-поляризации плазмонной антенной, образованной кластером наноразмерных частиц из благородного металла, в условиях ЭРЭ нанесение дополнительного тонкого слоя диэлектрика на поверхность металлической пленки приводит к существенному, более, чем на порядок, возрастанию амплитуды рассеяния. 6. Установлено, что для линейной плазмонной антенны добавление дополнительных частиц приводит к сужению главного лепестка диаграммы рассеяния. Все основные результаты являются новыми и получены впервые. Принципиально новые и оригинальные результаты состоят в следующем: 1. Численная схема МДИ реализована для кластера из нескольких рассеивателей произвольной формы с учетом взаимодействия рассеивателей с плоскослоистым интерфейcом. 2. На основе математического моделирования проведено исследование рассеивающих свойств как диэлектрических так и плазмонных оптических антенн, представляющих собой кластер из нескольких частиц сфероидальной формы, расположенных вблизи слоистого интерфейса. В условиях эффекта экстремального рассеяния обнаружено резкое, более чем на порядок, возрастание интенсивности рассеяния. Установлено, что за счет вариации параметров антенны, удается управлять направлением рассеянного оптической антенной излучения. Для плазмонной антенны установлено, что добавление нанесение дополнительного тонкого слоя диэлектрика на поверхность пленки из благородного металла приводит к существенному дополнительному увеличению интенсивности рассеяния.