Оглавление

Список обозначений

Предисловие

Введение

Глава 1
КВАНТОВАЯ ТЕОРИЯ ЛАЗЕРА

1.1. Скоростные уравнения
   1.1.1. Вывод скоростных уравнений
   1.1.2. Порог генерации лазера, «выход» фотонов
   1.1.3. Релаксационные (пичковые) колебания
   1.1.4. Применимость скоростных уравнений
1.2. Уравнения Максвелла—Блоха
   1.2.1. Полуклассическая теория лазера без формул
   1.2.2. Приближение медленно меняющихся амплитуд
   1.2.3. Уравнения Максвелла—Блоха
   1.2.4. Одномодовые уравнения Максвелла—Блоха
   1.2.5. Стационарная лазерная генерация
   1.2.6. Классификация лазеров
   1.2.7. Сведение уравнений Максвелла—Блоха к скоростным уравнениям
   1.2.8. Область применимости полуклассической теории
   1.2.9. Заключение
1.3. Уравнения Гейзенберга—Ланжевена
   1.3.1. Зачем нужна квантовая теория лазера?
   1.3.2. Гамильтониан и основные уравнения лазера
   1.3.3. Квантовые шумы и потери
   1.3.4. Форма спектральной линии лазера

Глава 2
ПЛАЗМОНИКА И МЕТАОПТИКА

2.1. Введение
2.2. Квазистатические (локализованные) плазмоны от Ленгмюра до Фереля
   2.2.1. Частота плазмонного резонанса
   2.2.2. Описание плазмонного резонанса в терминах диэлектрической проницаемости
   2.2.3. Мультипольные резонансы плазмонной частицы
   2.2.4. Плазмонный резонанс в системе частиц (плазмонная нанолинза)
   2.2.5. Пространственное распределение энергии поля в условиях плазмоного резонанса
   2.2.6. Решение Фереля для плазмона на тонкой пленке
   2.2.7. Усиление поля в безапертурном SNOMе
2.3. Эффекты запаздывания (делокализованные плазмоны)
   2.3.1. Поверхностные моды (история вопроса)
   2.3.2. Распространение поверхностной волны вдоль раздела сред с отрицательной и положительной диэлектрическими проницаемостями
   2.3.3. Распространение плазмона вдоль металлической пленки, окруженной диэлектриком: система «диэлектрик—металл—диэлектрик» (ДМД)
   2.3.4. Распространение поверхностной волны вдоль слоя диэлектрика, окруженного металлом: система «металл—диэлектрик—металл» (МДМ)
   2.3.5. Поверхностные моды, распространяющиеся вдоль цилиндрической поверхности
   2.3.6. Плазмонная антенна
   2.3.7. Линии передач на поверхностных модах в канавке
2.4. Передача энергии ближними полями
   2.4.1. Перенос энергии ближними полями вдоль плазмонных линий передач
   2.4.2. Среда Веселаго
   2.4.3. Идеальные линзы Веселаго и Пендри
   2.4.4. Влияние потерь на изображение, формируемое линзой Пендри
   2.4.5. Плазмонные фотонные кристаллы

Глава 3
СПАЗЕРЫ

Введение
3.1. Классическая модель спазера. «Toy model»
   3.1.1. Описание усиливающей среды с помощью диэлектрической проницаемости
   3.1.2. Точное решение для «Toy model» спазера — покрытое плазмонной оболочкой ядро из усиливающей среды
   3.1.3. Магнитооптический спазер
3.2. Элементарные процессы квантовой плазмоники
   3.2.1. Квантование плазмонов
   3.2.2. Взаимодействие КТ с дипольным плазмоном НЧ
   3.2.3. Многомодовая релаксация возбужденной КТ вблизи плазмонной сферы с диэлектрической проницаемостью
   3.2.4. Спектр резонансной флуоресценции ДУС
   3.2.5. Парселл-фактор
3.3. Полуклассическая теория спазера
   3.3.1. Стационарные решения, бифуркация Хопфа
   3.3.2. Осцилляции Раби в спазере
   3.3.3. Спазер в поле внешней оптической волны, синхронизация спазера, язык Арнольда
   3.3.4. Компенсация потерь выше порога спазирования
   3.3.5. Компенсация потерь ниже порога спазирования
   3.3.6. Бистабильность спазера
3.4. Коллективные эффекты в системе спазеров
   3.4.1. Теория спазера с двумя квантовыми точками
   3.4.2. Синхронизация двух спазеров
   3.4.3. Гармоническая плазмонная автоволна в линейке спазеров
   3.4.4. Оптическая бистабильность цепочки спазеров: волны переключения и структуры
   3.4.5. Плазмонные планарные лазеры
   3.4.6. Плазмонные лазеры с распределенной обратной связью
   3.4.7. Плазмонное лазирование в режиме «остановленного» света
   3.4.8. Фазированная решетка спазеров
3.5. Спазерная спектроскопия
3.6. Квантовые флуктуации в спазере
   3.6.1. Влияние наночастицы на спектр резонансной флуоресценции. Учет квантовых флуктуаций ближнего поля наночастицы
   3.6.2. Влияние квантовых флуктуаций на порог генерации спазера
   3.6.3. Второй порог генерации для распределенного и субволнового спазеров
   3.6.4. Превалирование когерентного отклика ближнего поля над некогерентным при компенсации потерь 

Приложение 1
ОСЦИЛЛЯЦИИ РАБИ И СКОРОСТЬ
СПОНТАННОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Приложение 2
ИЗЛУЧЕНИЕ ДУС В СВОБОДНОМ ПРОСТРАНСТВЕ.
ТЕОРИЯ ВАЙСКОПФА—ВИГНЕРА

Приложение 3
ТЕОРЕМА ВИНЕРА—ХИНЧИНА
ДЛЯ СПЕКТРА ИЗЛУЧЕНИЯ.
СТАНДАРТНЫЙ ВАРИАНТ
ТЕОРЕМЫ ВИНЕРА—ХИНЧИНА

Приложение 4
КВАНТОВАЯ ТЕОРЕМА РЕГРЕССИИ

Приложение 5
ФОТОННЫЕ КРИСТАЛЛЫ

Приложение 6
ЗАВИСИМОСТЬ МОДУЛЯЦИИ СПАЗЕРА
ОТ ЧАСТОТЫ МОДУЛЯЦИИ НАКАЧКИ

Приложение 7
ПЕРЕХОД К МЕДЛЕННЫМ АМПЛИТУДАМ
ПРИ НАЛИЧИИ ВРЕМЕННОЙ ДИСПЕРСИИ
ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОНИЦАЕМОСТИ

Приложение 8
ФАКТОР ПАРСЕЛЛА ДЛЯ ДИПОЛЯ,
НАХОДЯЩЕГОСЯ ВБЛИЗИ ПЛАЗМОННОЙ НАНОЧАСТИЦЫ

Задачи для самостоятельного решения

Список литературы

Предисловие

1. Мотивация

Опять книга по плазмонике! Сколько же можно, зачем нужна еще одна? Существует много хороших и полных учебников по наноплазмонике. Есть как краткие, так и фундаментальные курсы лекций по этой науке. Смысл данной книги, прежде всего, в компактном и самосогласованном изложении квантовой плазмоники, основанной на квантовой теории лазера и электродинамике плазмонных наноструктур.
Литература по наноплазмонике поистине необъятна. Поэтому возникает потребность в небольшом, компактном и понятном для новичка руководстве по квантовой наноплазмонике, которое позволило бы ему сориентироваться в структуре и содержании этого раздела физики, а также в огромном количестве литературы, посвященной предмету.
Особые усилия авторы приложили к тому, чтобы книга была написана простым, физически понятным языком. Эта монография по квантовой плазмонике предназначена, в первую очередь, неспециалистам, желающим ознакомиться с предметом.

2. «Экологическая ниша

Эта книга начинается с квантовой теории лазера в самом простом ее варианте. Без больших математических усложнений и громоздких выкладок и построений анализируется сама сущность физики лазирования. Далее излагаются узловые моменты наноплазмоники, связанные с возбуждением и распространением плазмонов. Основное внимание, опять же, уделено тому, чтобы просто и понятно рассказать о физике протекающих процессов. В последней главе дается обзор свойств и применений плазмонных наноструктур. Обсуждение базируется на материале, изложенном в предыдущих главах, и не требует обращения к дополнительным источникам. Синтез квантовой теории лазера и наноплазмоники реализуется в теории спазера (Surface Plasmon Amplification by Stimulated Emission of Radiation). Содержание книги основывается как на литературном материале, так и на оригинальных результатах авторов.

3. Структура текста

В гл. 1, носящей вводный характер, излагается квантовая теория лазера и ее особенности в приложении к спазеру.
В гл. 2 дается обзор и избранные вопросы плазмоники, необходимые для понимания третьей главы.
В гл. 3 дается введение в квантовую плазмонику, являющуюся синтезом квантовой теории лазеров и наноплазмоники.
К каждой главе приводятся задачи для самостоятельного решения, соответствующие изложенному материалу.

4. Благодарности

Авторы много лет тесно общались с коллегами, занимающимися электродинамикой метаматериалов. Это общение оказало сильное влияние на взгляды авторов и, фактически, сформировало их представления об этой области. Авторы признательны своим коллегам по ИТПЭ РАН, ВНИИА и МФТИ, сделавшим множество ценных замечаний по поводу электронного варианта этой книги.
Хочется особенно отметить плодотворные дискуссии с А.Н. Лагарьковым, В.Г. Веселаго, Ю.Е. Лозовиком, М.И. Стокманом, В.В. Климовым, К.Р. Симовским, А.К. Сарычевым, В.М. Шалаевым, Б.С. Лукьянчуком, В.И. Балыкиным и И.А. Рыжиковым. Авторы особенно признательны А.Н. Лагарькову за поддержку и саму идею написания этой книги.