Sähkömagneettinen nanofotoniikka: dipolilähteiden kuvaaminen superlinsseilläja heikosti sirottavien kohteiden häivyttäminen

Timo Hakkarainen

Tutkimustuotos: Doctoral ThesisCollection of Articles

Abstrakti

Työssä tutkitaan klassista sähkömagneettista teoriaa käyttäen kahta modernin nanofotoniikan aihetta: lähikenttäkuvaamista superlinsseillä ja kohteen häivyttämistä. Superlinsseillä kuvattaessa objektina toimii säteilevä pistedipoli tai dipolimainen sirottaja. Kuvauslinssinä käytetään metallista tai häviöllisestä metamateriaalista koostuvaa levyä, jonka paksuus on kymmenien nanometrien suuruusluokkaa. Työssä johdetaan Greenin tensorit levyn läpäisylle ja heijastukselle sähkömagneettisen kulmaspektriesityksen avulla. Tällä formalismilla lasketaan numeerisesti dipolin kuvajakauma, mikä mahdollistaa kuvan kirkkauden ja tarkkuuden määrittämisen. Tarkasteltavana on syntyneen kuvan laadun riippuvuus kuvaussysteemin parametreista, objektidipolien suunnasta sekä objektien ja linssin välisistä lähikenttävuorovaikutuksista. Työssä osoitetaan, että puolen aallonpituuden (λ) kuvaustarkkuus voidaan ylittää metalli- ja metamateriaalisuperlinsseillä. Terävä kuva edellyttää pienihäviöistä kuvauselementtiä sekä hyvää impedanssien sovitusta elementin ja ympäristön välillä. Linssin välittömässä läheisyydessä objekti-linssi -vuorovaikutukset heikentävät dipolilähteen säteilyn voimakkuutta. Metamateriaalilinssille ilmiö on heikko, mutta metallilinssin tapauksessa se on merkittävä ja kattaa lähikenttäalueen heikentäen elementin kuvausominaisuuksia. Myös kahden molekyylimäisen objektin vuorovaikutukset vähentävät emissiota, kun taas lasi- ja metallinanohiukkasia kuvattaessa näin ei käy. Interferenssin johdosta alle puolen aallonpituuden kuvaustarkkuus saavutetaan vain, jos dipolit osoittavat kohtisuoraan kuvauslevyä kohti. Tämä saadaan aikaan virittämällä dipolit kokonaisheijastuksella luodulla vaimenevalla kentällä. Optimaalisessatilanteessa kolmidimensioisella kuvaussysteemillä päästään kuvaustarkkuuteen, joka on noin λ/5 metallilinssille ja λ/10 metamateriaalilinssille. Työssä tarkastellaan heikosti valoa sirottavien objektien häivyttämistä levygeometriassa. Ilmiölle määritetään tarkastelusuunnasta riippuvat ehdot, jotka mahdollistavat häivemateriaalin taitekertoimen laskemisen. Kerrosrakenteinen objekti voidaan saattaa edestäpäin näkymättömäksi häviöllisellä metamateriaalilla tai vahvistavalla aineella. Häivyttäminen on täydellistä ja toteutuu mielivaltaiselle valaistukselle. Myös heijastuksessa objektin näkymättömäksi tekeminen on mahdollista, mutta vain itsekuvautuvien kenttien tapauksessa. Häivemateriaalin dispersiiviset ominaisuudet määräytyvät objektin vastaavista ominaisuuksista
Julkaisun otsikon käännösSähkömagneettinen nanofotoniikka: dipolilähteiden kuvaaminen superlinsseilläja heikosti sirottavien kohteiden häivyttäminen
AlkuperäiskieliEnglanti
PätevyysTohtorintutkinto
Myöntävä instituutio
  • Aalto-yliopisto
Valvoja/neuvonantaja
  • Friberg, Ari, Vastuuprofessori
  • Setälä, Tero, Ohjaaja
Kustantaja
Painoksen ISBN978-952-60-4868-0
Sähköinen ISBN978-952-60-4869-7
TilaJulkaistu - 2012
OKM-julkaisutyyppiG5 Tohtorinväitöskirja (artikkeli)

Tutkimusalat

  • lähikenttäoptiikka
  • superlinssikuvaus
  • optinen sironta

Sormenjälki

Sukella tutkimusaiheisiin 'Sähkömagneettinen nanofotoniikka: dipolilähteiden kuvaaminen superlinsseilläja heikosti sirottavien kohteiden häivyttäminen'. Ne muodostavat yhdessä ainutlaatuisen sormenjäljen.

Siteeraa tätä