Interaction of light with functional spatially dispersive nanomaterials

Tutkimustuotos

Tutkijat

  • Ville Kivijärvi

Organisaatiot

Kuvaus

Nanoteknologian kehitys on tehnyt mahdolliseksi keinotekoisten nanomateriaalien järjestelmällisen kehittämisen. Näillä materiaaleilla voi olla erikoisia optisia ominaisuuksia, kuten voimakas absorptio, anisotropia ja dispersio, sekä nolla- tai negatiivinen taitekerroin. Optiset nanomateriaalit ovat usein spatiaalisesti dispersiivisiä. Tämä ilmiö saa optisen väliaineen taitekertoimen ja impedanssin riippumaan valon etenemissuunnasta, mikä vaikeuttaa väliaineen mallinnusta, mutta mahdollistaa joukon epätavallisia optisia ominaisuuksia. Esimerkkinä tällaisesta väliaineesta on materiaali, jonka eri pintojen heijastavuudet poikkeavat toisistaan. Spatiaalisesti dispersiivisillä materiaaleilla on runsaasti sovelluksia, mutta niiden teoreettiset mallit ja suunnittelutyökalut ovat yhä suurelta osin kehittymättömiä. Väitöskirjan tutkimus tekee tietä spatiaalisesti dispersiivisten nanomateriaalien, kuten optisten metamateriaalien ja nanorakenteisten aaltojohteiden, laaja-alaiselle karakterisoinnille ja suunnittelulle. Väitöstyössä kehitetään uusia teoreettisia menetelmiä ja numeerisia mallinnustekniikoita tällaista karakterisointia ja suunnittelua varten. Kehitetyillä menetelmillä voidaan mallintaa esimerkiksi väliaineita, joissa spatiaalinen dispersio muuttaa valon polarisaatiotilaa ja täten estää sähkömagneettisten moodien olemassaolon. Monet optiset nanomateriaalit kuuluvat tällaisiin väliaineisiin. Lisäksi väitöskirja sisältää tehokkaan semi-analyyttisen menetelmän, jolla voidaan mallintaa optisten säteiden ja spatiaalisesti dispersiivisten materiaalien vuorovaikutusta. Kehitetty menetelmä hyödyntää Fourier-optiikkaa ja sallii säteen mallinnuksen poikkeuksellisen suurissa nanomateriaalirakenteissa. Verrattuna yleisimmin käytettyihin numeerisiin menetelmiin, menetelmä on laskennallisesti kevyt ja antaa selkeämmän kuvan valon ja materiaalin vuorovaikutuksesta. Väitöstyössä on kehitetty uudenlaisia optisia nanohiukkasia ja niistä koostuvia nanomateriaaleja käyttäen työssä esiteltyjä uusia menetelmiä. Esimerkiksi on suunniteltu spatiaalisesti dispersiivinen metapinta, jonka optinen vaste voi olla kvadrupoli- tai dipoli-typpinen riippuen valon kulkusuunnasta. Toinen esimerkki ovat diffraktiota kompensoivat materiaalit, joiden anisotropia ja spatiaalinen dispersio estävät fokusoidun valon merkittävän leviämisen valon edetessä. Tämän kaltaista materiaalia voidaan käyttää diffraktiota kompensoivassa tasomaisessa aaltojohdossa, jolla on suuri toimintakaistanleveys, mutta matalat heijastus- ja absorptiohäviöt. Väitöstyössä suunnitellut materiaalit ja niihin perustuvat optiset komponentit voivat löytää sovelluksia tehokkaissa aurinkokennoissa, uudenlaisissa laser-resonaattoreissa ja nopeissa fotonisissa integroiduissa piireissä. Kehitettyjen teoreettisten menetelmien kanssa uudet materiaalit tuovat oman lisänsä nano-optiikan kehitykseen kohti käytännön sovelluksia.

Yksityiskohdat

Julkaisun otsikon käännösValon ja spatiaalisesti dispersiivisten nanomateriaalien vuorovaikutus
AlkuperäiskieliEnglanti
PätevyysTohtorintutkinto
Myöntävä instituutio
Valvoja/neuvonantaja
Kustantaja
  • Aalto University
Painoksen ISBN978-952-60-8396-4
Sähköinen ISBN978-952-60-8397-1
TilaJulkaistu - 2019
OKM-julkaisutyyppiG5 Tohtorinväitöskirja (artikkeli)

    Tutkimusalat

  • optiset nanorakenteet, metamateriaalit, optinen aaltoliike, diffraktion kompensaatio

ID: 32446911