Нелинейная диэлектрическая наноантенна

Нелинейная диэлектрическая наноантенна относится к области физики и служит для преобразования длины электромагнитной (ЭМ) волны падающего излучения, например инфракрасного лазерного излучения, излучение видимого диапазона, и может быть использована для широкополосного фотовозбуждения (фотолюминесценция) окружаюжих ее нанообъектов (молекул красителей, квантовых точек, резонансных наноструктур и др.) и для эффективной генерации когерентного излучения на кратных частотах (высшие гармоники).
Известная нелинейная диэлектрическая наноантенна (Maxim R. Shcherbakov et al. "Enhanced Third-Harmonic Generation in Silicon Nanoparticles Driven by Magnetic Response", Nano Lett., vol. 14, 6488-6492, 2014). Данная наноантенна представляет собой диск из кремния с наиболее оптимальной конфигурацией для генерации третьей гармоники (ТГ): диаметр d=360 нм и высота h=260 нм. Однако стоит отметить, что приведенная нелинейная наноантенна не позволяет эффективно генерировать широкополосное излучение в видимом диапазоне длин волн.
Наиболее близким аналогом предлагаемой полезной модели и выбранным в качестве прототипа является нелинейная диэлектрическая наноантенна на основе кремниевой наносферы (RA. Dmitriev et al. "Resonant Raman scattering from silicon nanoparticles enhanced by magnetic response", Nanoscale, 8(9), 5045, 2016). В приведенной работе изучалось усиление комбинационноего рассеяния света на таких наноантеннах, то есть усиление генерации излучения на фотонах с другой частотой излучения. Такой эффект достигался за счет выбора параметров наносферы таким образом, что длина волны падающего когерентного лазерного излучения совпадала с собственной длиной волны магнитного дипольного (МД) резонанса наноантенны. Это позволяет значительно усилить эффективность комбинационного рассеяния вета наноантенной. В данной работе использовался HeNe (гелий-неоновый лазер) с рабочей длиной волны 632.8 нм. В соответствии с изложенными выше условиями был подобран оптимальный диаметр кремниевой наносферы - 158 нм. Для такой наноантенны экспериментально наблюдалось усиление комбинационного рассеяния до 140 раз по сравнению с нерезонансными значениями. Недостатками известной диэлектрической наноантенны является никзий коэффициент преобразования энергии падающего излучения в энергию излучения на другой частоте, а также величина спектральной отстройки является недостаточно сильной для большинства биомедицинских задач, использующих функциональные наночастицы.
Задачей, на решение которой направлена данная полезная модель, является повышение коэффициента преобразования энергии падающего излучения в излучение на других частотах, а также увеличение спектра генерируемых длин волн.
1
1
2
2
1
2
1
Поставленная задача решается за счет достижения технического результата, заключающегося в оптимизации геометрических параметров и используемых материалов для нелинейной диэлектрической наноантенны, соответствующей повышению ее эффективности. Данный технический результат достигается тем, что нелинейная диэлектрическая наноантенна диэлектрического резонатора, выполненного в виде шара радиусом R, где 60 нм<R<200 нм, резонатор выполнен из материала с высоким показателем преломления n>3, помещенного в однородный сферический металлический слой с внешним радиусом R, оболочка которого выполнена из материала с отрицательной действительной и малой мнимой частями диэлектрической проницаемости, а величина R лежит в пределах R<R<2R. Конфигурация нелинейной диэлектрической наноантенны приводит к эффективному усилению возбуждаемых внутри диэлектрического резонатора высших мультипольных моментов электромагнитного поля. Параметры нелийной диэлектрической наноантенны подобраны для наиболее эффективного возбуждения магнитной дипольной моды диэлектрического резонатора и электрической дипольной (ЭД) моды металлической оболочки падающим электромагнитным излучением. За счет положительной интерференций мод электромагнитных полей резонатора и оболочки достигается значительное повышение ффективности генерации новых частот.
Сущность заявляемой полезной модели поясняется следующим. В качестве материальной составляющей сферического резонатора субволнового размера используются диэлектрические материалы с высоким значением показателя преломления n>3. В качестве примера таких материалов можно указать кремний. При взаимодействии такого резонатора с падающей ЭМ волной возбуждаются электрический и магнитный дипольные моменты, то есть мультипольные моменты первого порядка. Усиление полей на резонансных значениях частот для ЭД и МД может достигать нескольких десятков. Однако помещение диэлектрического резонатора в однородный сферический металлический слой приводит к еще большему локальному усилению полей вблизи наноантенны, в результате, усиливая излучение на кратных частотах (вторая гармоника (ВГ), третья гармоника) и увеличивая интенсивность широкополосного излучения от диэлектрического резонатора. Высокий уровень направленности излучения нелинейной диэлектрической наноантенны также достигается за счет положительной интерференции возбуждаемых моментов электрической и магнитной природы. Материалы поглощают падающее излучение, которое усиливается и маршрутизируется наноантенной, и преобразуют его в новые частоты. В результате от наноантенны происходит излучение на новых частотах, имеющее коэффициент преобразования до 1% в широком диапазоне излучаемых длин волн, что больше по сравнению с известными металлическими и диэлектрическими наноантеннами, включая наиболее близкий аналог. Условие выбора показателя преломления диэлектрического материала обосновывается необходимостью возбуждения в резонаторе резонанса Ми в видимом диапазоне длин волн с сохранением субволнового размера наноантенны. В качестве материальной составляющей внешнего металлического слоя можно привести материалы с отрицательной действительной и малой мнимой частью диэлектрической проницаемости. В качестве примера таких материалов можно указать золото.
2
1
1
1
2
1
Другими словами, параметры нелинейной диэлектрической наноантенны подбираются таким образом, чтобы частота ЭД резонанса металлической оболочки совпадала с частотой падающей плоской электромагнитной волны, тем самым, усиливая локальное электромагнитное поле за счет ЭД резонанса, что усиливает генерацию кратных гармоник и широкополосного излучения. А совмещение частоты МД резонанса диэлектрического резонатора и частот генерируемого излучения позволит увеличить коэффициент преобразования частоты лазерного излучения и способствует значительному улучшению направленности излучения. В оптической области частот этим условиям удовлетворяют целый набор материалов. В качестве примера таких материалов для изготовления диэлектрического резонатора можно привести кристаллический кремний. В свою очередь, в качестве примера материалов для изготовления металлического слоя можно привести золото. Условия, наложенные на величину радиуса металлического сферического слоя R и радиуса резонатора R - 60 нм<R<200 нм, R<R<2R, определены рядом аналитических и численных расчетов, а также экспериментальными исследованиями.
1
2
Сущность полезной модели поясняется на фиг., где приведена геометрическая структура нелинейной диэлектрической наноантенны. Нелинейная диэлектрическая наноантенна включает резонатор 1 из диэлектрического материала, выполненный в виде шара радиусом R, и однородного металлического сферического слоя 2 с внешним радиусом R. Для удобства восприятия геометрии из резонатора и внешнего слоя вырезан прямоугольный сектор.
2
Нелинейная диэлектрическая нанонтенна работает следующим образом. В силу того, что преобразование частот падающего излучения должно происходить в нелинейном режиме, нелинейная диэлектрическая наноантенна должна облучаться лазерным импульсом (на фиг. не показан) с большой интенсивностью (не менее 100 МВт/см). Преобразование данного импульса в когерентное излучение на кратных частотах происходит преимущественно в металлическом слое 2 за счет наведения нелинейной поляризации второго, третьего и более высоких порядков. В свою очередь, генерация некогерентного широкополосного излучения происходит из-за многофотонного поглощения падающего света и быстрого переизлучения до полной термализации сгенерированных свободных носителей в зоне проводимости. Помимо этого, падающая на нелинейную диэлектрическую наноантенну электромагнитная волна возбуждает в металлической оболочке 2 ЭД, который усиливает электромагнитное поле внутри резонатора 1, тем самым усиливая как широкополосное излучение, так и генерацию кратных гармоник от диэлектрического резонатора 1.
1
2
В качестве примера конкретной реализации предлагается наноантенна, состоящая из кремниевого резонатора радиусом R 80 нм и золотой оболочки с внешним радиусом R 140 нм. Данные параметры подобраны для наиболее эффективного преобразования лазерных импульсов на длинах волн в диапазоне 750-1500 нм с длительностями в диапазоне 10-1000 фс. Усиление электрического поля и положения резонансов были рассчитаны в профессиональном программном пакете для электродинамических численных вычислений CST Microwave Studio 2015. Материал - микрокристаллический кремний, который подобран для эффективной фотолюминесценции в видимом диапазоне 400-900 нм, а также эффективной генерации третьей и второй гармоник, что неоднократно подтверждено в литературе.
Таким образом, заявляемая полезная модель решает задачу по повышению коэффициента преобразования энергии падающего излучения в излучение на других частотах и увеличение спектра генерируемых длин волн.