Резонансное рассеяние электромагнитных волн сферическими частицами (1104657)
Текст из файла
МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТим М.В. ЛОМОНОСОВАФИЗИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТНа правах рукописиУДК 535.13:535.36ЖУРАВЛЕВ АНТОН ВИКТОРОВИЧРЕЗОНАНСНОЕ РАССЕЯНИЕЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН СФЕРИЧЕСКИМИЧАСТИЦАМИСпециальность 01.04.03 – радиофизикаАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукМосква 2009Работа выполнена на физическом факультете Московского государственного университета им. М. В. Ломоносова.Научный руководитель:Официальныеты:кандидат физико-математическихнаук, доцент Геннадий ВасильевичБелокопытовоппонен- доктор физико-математических наук,профессор Виктор АлександровичАлешкевичдокторфизико-математическихнаук, профессор Александр Анатольевич ЗемляновВедущая организация:Институтобщейим.
А.М. Прохорова РАНфизикиЗащита состоится 19 февраля 2009 г. в 16.00 часоов на заседании диссертационного совета Д 501.001.67 при Московском государственномуниверситете им. М. В. Ломоносова по адресу 119992, г. Москва,ГСП-2, Ленинские горы, МГУ, физический факультет, аудиторияим. Р. В. Хохлова.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультета МГУ им.
М. В. Ломоносова.Автореферат разослан 16 января 2009 г.Ученый секретарьдиссертационного совета, Д 501.001.67кандидат физико-математическихнаук, доцентА. Ф. КоролевОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность темы исследования:Исследование резонансного рассеяния света сферическими частицами является важным в многочисленных задачах как фундаментального, так и прикладного характера. Общая постановка задачи о дифракции электромагнитной волны на шаре была исследованав работах Ми [1] и Дебая [2]. Эти работы легли в основу оптики коллоидных сред и капельного аэрозоля.
Кроме того, в биологии, медицине, радиофизике, ближнепольной микроскопии и других областяхнауки и техники широко развиты приложения теории Ми, связанные с применением металлических наночастиц и диэлектрическихчастиц микронных размеров.По отношению к падающей электромагнитной волне сферические диэлектрические частицы являются объемными открытымирезонаторами, в которых возбуждаются вынужденные колебания.Последние эксперименты показывают, что добротность таких резонаторов, изготовленных из диэлектрика с низкими потерями, может достигать 1010 [3]. Высокие добротности таких частиц явились стимулом для развития целого ряда как научных направлений, так и технических приложений.
Среди них можно отметитьтакие, как нелинейная оптика, квантовая электродинамика резонатора, резонаторно-улучшенная спектроскопия, а также создание набазе сферических диэлектрических частиц твердотельных лазеров,датчиков смещений и ускорений, сенсоров поверхностного слоя, биосенсоров, стабилизаторов частоты лазеров и СВЧ генераторов.В металлических наночастицах на оптических частотах тожевозбуждаются вынужденные колебания, правда меньшей добротности.
Это коллективные колебания электронов проводимости, вызванные действием электромагнитного излучения. Такие резонансыназывают локализованными плазмон-поляритонными, или кратко –плазмонными. Они могут существовать в металлических наночастицах, когда действительная часть диэлектрической проницаемостивещества шара меньше нуля, что соблюдается для частот, меньшихплазменной. Резонансные свойства наночастиц легли в основу развития целого ряда научных направлений и технических приложений.3Среди них можно отметить такие, как поверхностно-усиленная спектроскопия, оптическая микроскопия ближнего поля, визуализациябиологических тканей, фототермическая терапия, доставка лекарственных препаратов.
Широкое распространение получили такжебиосенсоры и маркеры биоспецифических взаимодействий на металлических наночастицах.Широта различных применений сферических частиц обусловлена не только их уникальными свойствами, но и универсальностьюоптических методов. Оптические методики регистрации и исследования наночастиц и диэлектрических частиц микронных размерова также поверхностных слоев на них являются наиболее удобными,быстрыми по сравнению с другими и неразрушающими. В связи сэтим первая цель настоящей диссертационной работы состоит висследовании рассеяния света на сферических частицах и оценкеперспектив применения обнаруженных закономерностей в оптическом диапазоне.В ряде приложений остро стоит задача дистанционной диагностики поверхностного слоя, толщина которого в зависимостиот системы варьируется от субмикронных до мономолекулярныхразмеров (10−7 – 10−10 ).
Существует широкое разнообразие датчиков и методик детектирования вещества поверхностного слоя.К ним можно отнести эллипсометрию, датчики на поверхностныхплазмон-поляритонных волнах, интегрально-оптические интерферометры Маха-Цендера, дисковые резонаторы, а также сферическиемикрорезонаторы с различными элементами связи. Все эти устройства являются весьма чувствительными и широко используемыми вразличных областях науки и техники. Датчики, в которых используются резонансные эффекты, являются наиболее чувствительнымисреди них, однако, они требуют элементов связи для подвода лазерного излучения. Это могут быть растянутые и срезанные оптическиеволокна, призмы, планарные волноводы.
Элементы связи должнынаходиться вплотную к резонансным датчикам. Такие конструктивные особенности требуют специального аппарата для ввода и выводаисследуемого вещества в сенсоры, что во многих аспектах применения является желательным свойством. Однако есть задачи в которых нет возможности обеспечить подвод вещества в сенсор, напри4мер, когда требуется удаленно и непрерывно (не разово, путем взятия пробы) контролировать показатель преломления жидкости илигаза в потоке или когда объект исследования находится в герметичной камере с прозрачным окном, в которую подвод дополнительныхкоммуникаций затруднен. Примером последней задачи может бытьпроблема контроля толщины слоя в вакуумной камере установкипо ионному осаждению. Во всех этих случаях востребован датчик,который позволяет удаленно регистрировать состояние поверхностного слоя. Причем желательно, чтобы датчик не требовал внешнего электропитания и работал автономно.
Всем этим требованиямудовлетворяет сферический диэлектрический микрорезонатор, который возбуждается плоской волной или гауссовым пучком. Крометого, часто требуется заменить регистрирующую часть сенсора врезультате того что на ней адсорбировалось или хемисорбировалосьвещество, которое затруднительно удалить. Сферический диэлектрический резонатор не дорог в изготовлении и легко может бытьзаменен, при этом регистрирующее оборудование остается неизменным. В связи с этим вторая цель настоящей диссертационной работы состоит в исследовании возможности улучшения характеристиксенсоров поверхностного слоя на диэлектрических резонаторах высокой добротности.Еще одной актуальной задачей можно считать контроль качестваметаллических наночастиц.
В настоящее время оптические методики уже нашли широкое применение в производстве композитных материалов, содержащих наночастицы. В частности, по частотной зависимости плазмонного резонанса осуществляется регистрация размеров металлических наночастиц, оценивается степень разброса ихразмеров. Для широкого круга приложений интересны металлодиэлектрические наночастицы, представляющие собой диэлектрические наночастицы, покрытые тонким поверхностным слоем металла.
Требуют решения вопросы оптической диагностики однородности слоя, оценки дисперсии толщин слоев в таких частицах. Оценкараспределения толщин слоев и их неоднородности важна в связи стем, что толщина слоя влияет на поглощающие свойства частиц, аоднородность – на усиление напряженности электрического поля.
Всвязи с этим третья цель настоящей диссертационной работы со5стоит в развитии оптических методов диагностики коллоидных сред,состоящих из металлодиэлектрических частиц, в частности методовоценки параметров распределения толщин металлических слоев.Основными задачами диссертационной работы являются:• Исследование структуры спектра поглощения и резонансного накопления энергии в прозрачных сферических частицах вшироком диапазоне параметров дифракции, выявление закономерностей, связанных с резонансным возбуждением.• Создание математической модели рассеяния плоской электромагнитной волны на сферической частице с анизотропными (или) гиротропным поверхностным слоем и оценка возможности определения параметров анизотропного поверхностногослоя по характеристикам рассеяния.• Исследование рассеяния света коллоидными средами, состоящими из диэлектрических наночастиц, покрытых тонким металлическим слоем.
Характеристики
Тип файла PDF
PDF-формат наиболее широко используется для просмотра любого типа файлов на любом устройстве. В него можно сохранить документ, таблицы, презентацию, текст, чертежи, вычисления, графики и всё остальное, что можно показать на экране любого устройства. Именно его лучше всего использовать для печати.
Например, если Вам нужно распечатать чертёж из автокада, Вы сохраните чертёж на флешку, но будет ли автокад в пункте печати? А если будет, то нужная версия с нужными библиотеками? Именно для этого и нужен формат PDF - в нём точно будет показано верно вне зависимости от того, в какой программе создали PDF-файл и есть ли нужная программа для его просмотра.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
