ИСТИНА

Основная цель проекта состояла в разработке и компьютерной реализации новых математических моделей анализа процессов распространения световых волн в многослойных системах в присутствии локальных неоднородностей. Подобные задачи возникают при синтезе современных биосенсоров и газоанализаторов, оптических антенн и трансдюсеров, в системах сверхразрешения, позволяющих исследовать отдельные молекулы, при синтезе оптических метаматериалов, а также в задачах оптоэлектроники. На основе МДИ предполагалось разработать и реализовать базовую математическую модель, описывающую процесс рассеяния поляризованного излучения наноразмерными неоднородностями, расположенными, как внутри, так и вблизи плоско слоистого интерфейса. Провести численный анализ дифференциальных и интегральных характеристик рассеяния как в пространственной, так и частотной областях с целью оптимизации параметров плазмонных структур, в том числе и элементов оптических антенн. Реализовать устойчивые процедуры вычисления ближнего поля с целью исследования резонансных свойств плазмонных наноструктур. МДИ предполагалось обобщить на случай анализа процессов рассеяния волн совокупностью неоднородностей, в том числе и периодических. Планировалось использовать численную схему МДИ для оценки влияния шероховатостей частиц на величину и положение плазмонного резонанса в спектральной области.

На основе математического моделирования процессов рассеяния светового излучения был обнаружен эффект экстремальной трансформации (ЭТ) энергии неизлучающей волны наноразмерной неоднородностью, расположенной вблизи тонкой металлической пленки. Особенностью ЭТ является то, что оно проявляется исключительно в области неизлучающих волн, за углом полного внутреннего отражения, не зависит от толщины наноразмерной пленки, размера наночастицы, и заключается в резком возрастании интенсивности рассеянного поля. Последующий детальный анализ, позволил установить явление двойного плазмонного резонанса (ПР). Которое возникает при сочетании поверхностного ПР в пленке и локального ПР в частице. При этом, энергия ЭТ может достигать 8 порядков. Для реализации этого достаточно использовать направленную деформацию металлической частицы и ее сдвиг по отношению к пленке. Разработана, математически обоснована и реализована новая схема МДИ, позволяющая исследовать ближнее поле в задачах рассеяния поляризованного излучения, кластером близко расположенных плазмонных частиц. Новая схема дает возможность вычислять интенсивность ближнего поля в промежутке между частицами с высокой степенью точности в пике ПР даже в случае ее возрастания в 10^8 раз по отношению к интенсивности внешнего возбуждения. Реализованный компьютерный модуль был использован для исследования ПР кластера вытянутых сфероидов. Установлено, что ПР может достигаться при любой длине волны оптического диапазона за счет подбора материала, формы частиц и их взаимного расположения. Переход к технологиям 35 и 22нм в интегральных схемах требует обеспечения экстремальной чистоты подложек, положенных в основу схемы. Существенное беспокойство вызывает присутствие малозаметных наноразмерных дефектов таких, как углубление в подложке или сглаженный бугорок. Особенность подобных дефектов состоит в том, что они имеют крайне пологую форму c высотой (глубиной) 4-6нм в то время, как их диаметр может достигать 200-500нм. Использование оптических сканеров для обнаружения и идентификации подобных дефектов требует наличия адекватных средств математического моделирования. В рамках МДИ был разработан подход, заключающийся в рассмотрении подобных дефектов, как часть некоторой “фиктивной” частицы существенно большего размера, с аналитической формой поверхности. При этом, индекс рефракции подобной частицы совпадает либо с воздухом (ямка), либо с подложкой (бугорок). Был реализован компьютерный модуль и проведен анализ рассеивающих свойств пологой ямки и бугорка. Выявлены существенные отличия их рассеивающих свойств от рассеивающих свойств полноразмерных дефектов. Полученные выше результаты имеют принципиальное значение для разработок инновационных конструкций оптических антенн, сверхразрешающих оптических микроскопов ближнего поля, локальных биосенсоров, солнечных элементов, и оптических сканеров сверхвысокого разрешения. На основе объемного интегрального уравнения и перехода в спектральную область разработан подход, позволяющий проводить анализ рассеивающих свойств плоских объектов малой толщины, расположенных на проницаемой подложке. Отличительной особенностью метода является запись упрощенного уравнения в спектральной области, что позволяет использовать преимущества аналитического представления спектральных функций, входящих в компоненты тензора Грина полупространства. Кроме того, искомое выражение для диаграммы рассеяния в данном случае может быть записано в виде преобразования Фурье от вычисленного поля внутри рассеивателя, что делает возможным применение высокоэффективных алгоритмов БПФ. Проведена верификация разработанной численной схемы сравнением с результатами, полученными с использованием МДИ. Приведены численные результаты, иллюстрирующие возможности развитого подхода. На основе метода Среднего поля реализована методика оценки влияния шероховатости интерфейсов на распространение поляризованного светового излучения в области неизлучающих волн. Проведен анализ влияния величины шероховатости прозрачного интерфейса на интенсивность рассеяния поляризованного светового излучения. Проведено сравнение с результатами измерений. Всего по тематике проекта было опубликовано 15 научных статей в рецензируемых журналах, входящих в систему цитирования Web of Science.