Interaction of light with functional spatially dispersive nanomaterials

Thumbnail Image

Files

isbn9789526083971.pdf (19.32 MB)

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

School of Science | Doctoral thesis (article-based) | Defence date: 2019-03-22
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.

Authors

Date

2019

Department

Teknillisen fysiikan laitos
Department of Applied Physics

Major/Subject

Mcode

Degree programme

Language

en

Pages

84 + app. 68

Series

Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS, 17/2019

Abstract

Progress in nanotechnology has enabled systematic development of artificial nanomaterials with extraordinary optical properties, such as zeroth and negative index of refraction, perfect absorption, and enhanced nonlinearity, anisotropy and temporal dispersion. Another property that is common for designed nanomaterials is spatial dispersion. It makes the refractive index and wave impedance depend on light propagation direction, which complicates the description, but also makes it possible to obtain previously unreachable capabilities for the materials. For example, the material can be made to reflect or absorb light differently by its different facets. In spite of a high potential of spatially dispersive nanomaterials in science and technology, only few theoretical models and design tools for these materials can be found in the literature. The results presented in this thesis can pave the way to comprehensive characterization and more efficient design of spatially dispersive nanomaterials, including metamaterials and nanostructured optical waveguides. We develop novel theoretical methods and numerical calculation techniques to characterize and design nanostructured materials and devices made of them. Furthermore, we put forward a novel approach to characterize nanostructured optical media, for which electromagnetic modes cannot be introduced due to the effect of polarization conversion by spatial dispersion. We find that a large variety of designed optical nanomaterials belong to this class of optical media. In addition, the thesis contains an efficient semi-analytical technique to model the interaction of optical beams with spatially dispersive materials. Making use of the tools of Fourier optics, the method allows treating the beam-propagation phenomenon in large-sized nanomaterial samples. Compared to conventional numerical approaches, the technique is computationally light and provides a deeper understanding of the light-matter interaction picture. Using the developed methods, we design novel optical nanoscatterers and nanomaterials composed of them. As an example, we demonstrate both theoretically and experimentally a spatially dispersive metasurface that shows primarily quadrupole optical response when illuminated from one side, and primarily dipole response when illuminated from the other side. Furthermore, we design novel diffraction-compensating optical metamaterials, whose anisotropy and spatial dispersion prevent focused light beams from spreading upon propagation. We also demonstrate a diffraction-compensating metamaterial slab waveguide with low reflection and absorption losses and a broadband operation. The designed materials and optical components based on them may find applications in efficient solar cells, novel laser resonators, and high-speed photonic integrated circuits, and together with the presented theoretical tools, contribute to the progress of nanostructured optical media towards real-life applications.

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.

Description

Supervising professor

Kaivola, Matti, Prof., Aalto University, Department of Applied Physics, Finland

Thesis advisor

Shevchenko, Andriy, Dr., Aalto University, Department of Applied Physics, Finland

Keywords

optical nanostructures, metamaterials, wave propagation, diffraction compensation, optiset nanorakenteet, metamateriaalit, optinen aaltoliike, diffraktion kompensaatio

Other note

Parts

  • [Publication 1]: V. Kivijärvi, M. Nyman, A. Karrila, P. Grahn, A. Shevchenko, M. Kaivola. Interaction of metamaterials with optical beams. New Journal of Physics, 2015, 17, 063019. Full Text in Acris/Aaltodoc: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-201609234252.
    DOI: 10.1088/1367-2630/17/6/063019 View at publisher
  • [Publication 2]: A. Shevchenko, V. Kivijärvi, P. Grahn, M. Kaivola, K. Lindfors. Bifacial Metasurface with Quadrupole Optical Response. Physical Review Applied, 2015, 4, 024019. Full Text in Acris/Aaltodoc: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-201609234367.
    DOI: 10.1103/PhysRevApplied.4.024019 View at publisher
  • [Publication 3]: Kivijärvi, M. Nyman, A. Shevchenko, M. Kaivola. An optical metamaterial with simultaneously suppressed optical diffraction and surface reflection. Journal of Optics, 2016, 18, 035103.
    DOI: 10.1088/2040-8978/18/3/035103 View at publisher
  • [Publication 4]: V. Kivijärvi, M. Nyman, A. Shevchenko, M. Kaivola. Optical-image transfer through a diffraction-compensating metamaterial. Optics Express, 2016, 24, 9806–9815. Full Text in Acris/Aaltodoc: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-201808014325.
    DOI: 10.1364/OE.24.009806 View at publisher
  • [Publication 5]: V. Kivijärvi, M. Nyman, A. Shevchenko, M. Kaivola. Theoretical description and design of nanomaterial slab waveguides: application to compensation of optical diffraction. Optics Express, 2018, 26, 9134–9147. Full Text in Acris/Aaltodoc: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-201805222456.
    DOI: 10.1364/OE.26.009134 View at publisher

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:ISBN:978-952-60-8397-1

Collections

[diss] Perustieteiden korkeakoulu / SCI