Modeling of electromagnetic fields in layered media

Loading...
Thumbnail Image
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Science | Master's thesis
Date
2013
Major/Subject
Optiikka ja molekyylimateriaalit
Mcode
Tfy-125
Degree programme
Language
en
Pages
[10] + 100
Series
Abstract
Light manifests itself in the forms of waves and particles. The wave features are most clearly observed in the interference, reflection, and refraction of light which can all be described by the classical field theory based on Maxwell's equations. The particle picture and quantum optical description, however, are needed when details of the emission and absorption of light must be accounted for. This is the case, for instance, when the photon statistics becomes important in the small intensity regime, in quantum computing, and in quantum optical measurements. The most comprehensive approach to classically combine the wave features with emission and absorption is provided by fluctuational electrodynamics, which assumes that each point in space can act as a randomly fluctuating source of thermal radiation. This approach is fairly general, but fluctuational electrodynamics is unable to describe the photon statistics or other quantum aspects of optical energy flow. Conventional quantum mechanical approaches are typically based on either the Lindblad master equation or the input-output relations of the photon creation and annihilation operators, but these approaches have their own limitations. In this work, the main goal is to study how fluctuational electrodynamics generalizes to quantum optics and to use the insight it provides to define quantum operators such as the position dependent photon number operator in a sensible way under the generalized theory. The results are compared with the results of a more commonly used beam splitter input-output relations based model in layered structures, which provide simple one-dimensional geometries for testing the method. The generalized fluctuational electrodynamics could also be used in the modeling of electromagnetic fields in more complex nanosized structures, such as high-efficiency photovoltaics, nanoantennas, and ultrabright light emitting diodes.

Valolla on sekä hiukkas- että aaltoluonne. Valon aaltoluonne tulee selvästi esille valon interferenssi-, heijaistus- ja taittumisilmiöissä, ja sen kuvaamiseen voidaan käyttää klassista Maxwellin yhtälöihin perustuvaa kenttäteoriaa. Hiukkaskuvaa ja kvanttiteoriaa kuitenkin tarvitaan, kun on otettava huomioon valon emission ja absorption yksityiskohtia. Ne on huomioitava, kun fotonien statistiikka on tärkeää esimerkiksi pienten valointensiteettien alueella, kvanttilaskennassa ja kvanttioptisissa mittauksissa. Fluktuaatioelektrodynamiikka on klassinen teoria, joka yhdistää valon aaltoluonteen kuvauksen emissioon ja absorptioon. Teoriassa oletetaan, että väliaineen jokainen piste toimii satunnaisesti värähtelevänä termisenä säteilylähteenä. Fluktuaatioelektrodynamiikka ei kuitenkaan klassisena teoriana sovellu hyvin kuvaamaan fotonien statistiikkaa ja muita säteilyyn liittyviä kvanttimekaanisia ilmiöitä. Tavalliset kvanttimekaaniset lähestymistavat perustuvat yleensä joko Lindbladin masteryhtälöön tai fotonien luomis- ja tuhoamisoperaattoreiden relaatioihin, mutta näilläkin menetelmillä on omat rajoituksensa. Tämän työn tarkoituksena on tutkia, kuinka fluktuaatioelektrodynamiikka yleistyy kvanttioptiseksi malliksi, ja onko fluktuaatioelektrodynamiikkaan perustuvan teorian puitteissa mahdollista määritellä vanttioperaattoreita, kuten paikkariippuvaa fotonien lukumääräoperaattoria, tavalla, joka tuottaisi fysikaalisesti järkeviä tuloksia ja olisi helposti sovellettavissa. Tässä työssä tuloksia sovelletaan sähkömagneettisten kenttien ja fotonilukumäärän paikkariippuvuuden kuvaamiseen kerrosrakenteissa. Menetelmät ovat kuitenkin sovellettavissa myös monimutkaisempiin nanorakenteisiin. Mahdollisia sovelluskohteita voi löytyä muun muassa tehokkaan aurinkokennotekniikan, nanoantennien ja kirkkaiden valodiodien mallintamisessa.
Description
Supervisor
Kaivola, Matti
Thesis advisor
Häyrynen, Teppo
Oksanen. Jani
Keywords
electromagnetism, sähkömagnetismi, Green's function, Greenin funktio, quantum optics, kvanttioptiikka, fluctuational electrodynamics, fluktuaatioelektrodynamiikka
Other note
Citation