Оптические свойства наноструктурированных плазмонных метаматериалов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.03, кандидат физико-математических наук Носков, Роман Евгеньевич

• Носков, Роман Евгеньевич
• кандидат физико-математических наук
• 2011

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Носков, Роман Евгеньевич

Введение.

Глава 1. Левосторонние метаматериалы и совершенные линзы

1.1. Введение.

1.2. Объёмный оптический левосторонний метаматериал на основе массива металлических нанодимеров

1.2.1. Собственные моды пары металлических наночастиц.

1.2.2. Эффективные диэлектрическая и магнитная проницаемости метама-териала на основе кубической решётки нанодимеров.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Оптические свойства наноструктурированных плазмонных метаматериалов»

2.2. Уединённый металлический нанодимер: спонтанная намагниченность и те-рагерцовая модуляция .77

2.3. Генерация терагерцового излучения при помощи двумерной решётки металлических нанодимеров .89

2.4. Заключение

96

Глава 3. Нелинейные оптические свойства план арных металло-диэлектрических наноструктур .98

3.1. Введение.98

3.2. Эффективное макроскопическое описание в линейном приближении . 100

3.3. Тензор эффективной нелинейной диэлектрической проницаемости. Оптическая бистабильность .106

3.4. Нелинейность и изочастотные поверхности .116

3.5. Заключение .120

Заключение .121

Литература .124

Список публикаций по диссертации .137

Введение

По-видимому, исторически термин "метаматериал" впервые был использован в работах [1, 2] применительно к искусственно структурированным средам с одновременно отрицательными диэлектрической и магнитной проницаемостями. В таких средах макроскопические электрическое и магнитное поля в однородной плоской волне образуют левую тройку с волновым вектором (в отличие от обычных сред с положительными диэлектрической и магнитной проницаемостями, в которых соответствующая тройка является правой), откуда следует, что волновой вектор и средняя по времени плотность потока энергии оказываются противоположно направленными, а сами волны обратными. По этой причине среды, поддерживающие обратные волны, чаще всего называются "левыми" или "левосторонними" . Возбуждение обратных волн в левых средах приводит к обращению эффектов Доплера и Вавилова-Черенкова, возникновению отрицательной рефракции электромагнитных волн на границе раздела правой и левой сред и ряду других необычных электромагнитных свойств [3, 4], не встречающихся у природных сред, благодаря чему метаматериалами вскоре стал называться целый класс искусственных композитных структур с электромагнитными свойствами, не имеющими аналогов у природных материалов. В отличие от обычных сред, свойства которых определяются атомами и молекулами, из которых они состоят, свойствами метаматериалов можно управлять за счёт подбора и компоновки искусственно создаваемых "метаатомов" . Принцип создания макроскопической структуры на основе микроскопических элементов таким образом, что получаемый в итоге материал приобретает качественно новые свойства (отличные от свойств отдельных микрочастей) является краеугольным камнем концепции метаматериалов. В сущности, приставка "мета" (означающая в переводе с греческого, в частности, "над" , "за пределами") подчёркивает, что метаматериалы принципиально отличаются от обычных природных сред и в смысле принципа их создания и в смысле их свойств.

Достаточно высокий уровень современных технологий сделал возможным практически полный контроль над формой и размером отдельных метаатомов и над топологией метаматериалов в целом, что позволило не только создать левые среды [5-7], но и реализовать идеи трансформационной электродинамики [8-11] в устройствах, обеспечивающих электромагнитную невидимость [12-15], канализацию и фокусировку электромагнитных волн [16] и др. Другой областью активных исследований стала разработка метаматериалов для передачи распределений электромагнитного поля со сверхразрешением [17—24]. Мета-материалы также продемонстрировали свойства, привлекательные для использования в малых антеннах [25, 26], линиях задержки [27] и сенсорах [28].

Представляемая диссертационная работа посвящена теоретическому исследованию некоторых вопросов взаимодействия света с наноструктурированными метаматериалами. Существенный интерес к данной области современной электродинамики инициирован, с одной стороны, уникальными электромагнитными свойствами таких структур, недостижимыми у природных сред, с другой стороны, такими важными практическими приложениями, как нанофотоника, ближнепольная оптика, оптическая литография, полностью оптическая обработка информации и т.д. Настоящая работа в значительной мере исходит из потребностей перечисленных приложений, хотя непосредственное рассмотрение какого-либо из них не ставилось её целью. В то же время проведённые исследования представляют самостоятельный интерес с точки зрения фундаментальной физики. В частности, некоторые из предсказанных эффектов весьма неожиданны и не были пока показаны экспериментально, что даёт основание надеяться на то, что сделанные в работе расчёты и оценки помогут в подготовке и проведении будущих экспериментов. Основными целями диссертации являются:

• Разработка дизайна объёмного левостороннего оптического метаматериала и вычисление его эффективных диэлектрической и магнитной проницаемостей.

• Исследование двулучупреловляющих левосторонних линз на основе анизотропного метаматериала, электромагнитные свойства которого описываются тензорами диэлектрической и магнитной проницаемостей специального вида.

• Построение динамической теории формирования субволновых изображений плоской левосторонней суперлинзой.

• Исследование эффекта спонтанного нарушения электродинамической симметрии в геометрически симметричных нелинейных металлических нанодимерах.

• Изучение оптической бистабильности в планарных металло-диэлектрических наноструктурах, представляющих собой периодическую последовательность ультратонких металлических плёнок и слоев диэлектрика с керровским типом нелинейности.

Научная новизна работы

Научная новизна работы определяется оригинальностью решённых задач и заключается в следующем:

1. Предложен дизайн изотропного оптического левостороннего метаматериала на основе массива сдвоенных металлических наночастиц (нанодимеров) и в рамках теории Лорентц-Лоренца рассчитаны его эффективные диэлектрическая и магнитная проницаемости. Проанализировано влияние диэлектрического окружения и параметров решётки нанодимеров на частотный диапазон, где метаматериал обладает левосторонними свойствами.

2. Представлена феменологическая концепция двулучепреломляющей левосторонней линзы на основе анизотропного метаматериала, электромагнитные свойства которого описываются тензорами диэлектрической и магнитной проницаемостей специального вида. Показано, что в отличие от обыкновенной изотропной левосторонней линзы, рассмотренной Веселаго [3] и Пендри [4], двулучепреломляющий левосторонний слой обладает свойством отрицательной рефракции либо для ТЕ!-, либо для ТМ-поляри-зованных волн, либо для обеих поляризаций одновременно, что делает возможным селективную фокусировку и пространственную сепарацию изображений, создаваемых в различных поляризациях.

3. Построена аналитическая теория, описывающая динамику формирования субволновых изображений плоской левосторонней суперлинзой. Рассмотрены примеры стационарного, импульсного, движухцегося с постоянной скоростью и осциллирующего в пространстве источников. Для каждого из них рассчитаны фундаментальные пределы разрешения линзы и выяснена их физическая природа.

4. Изучен эффект спонтанного нарушения электродинамической симметрии при рассеянии света на геометрически симметричном нелинейном металлическом нанодимере. Показано, что данный эффект вызван собственной нелинейностью наночастиц, которая приводит к неустойчивости фундаментальных симметричных дипольных мод димера, в результате чего в системе спонтанно возбуждаются антисимметричные квадрупольные моды. Установлено, в частности, что развитие неустойчивости может приводить к спонтанному намагничиванию димера и возникновению периодического автомодуляционного режима рассеяния света.

Исследован нелинейный оптический отклик планарных металло-диэлектрических наноструктур, представляющих собой периодическую последовательность ультратонких металлических нлёнок и слоев диэлектрика с керровским типом нелинейности. В рамках приближения эффективной среды получено выражение для тензора эффективной нелинейной диэлектрической проницаемости композита. Продемонстрирован гистерезисный тип зависимости компонент тензора проницаемости как от интенсивности, так и от частоты среднего макроскопического поля, позволяющий скачкообразно изменять условия распространения излучения в рассматриваемых композитных материалах.

Практическая значимость работы

Предложенный в диссертации дизайн изотропного оптического левостороннего ме-таматериала и представленные оценки влияния различных внутренних параметров метаматериала на его левосторонние свойства могут оказаться полезными для практической реализации объёмных оптических левосторонних сред.

Спектр возможных потенциальных приложений рассмотренных в диссертации двулу-чепреловмляющих левосторонних метаматериалов и совершенных линз значительно шире, чем у изотропных левосторонних метаматериалов. Они могут найти применение в ближнепольной оптике, нанофотонике, литографии, системах записи и чтения информации и др.

Результаты, полученные на основе динамической теории формирования субволновых изображений в левосторонней совершенной линзе, дают априорную информацию о пределах разрешения и инерционных свойствах таких линз, что важно во многих практических приложениях, где предполагается использование подобных систем.

Исследованный в работе эффект спонтанного нарушения симметрии в нелинейных металлических нанодимерах может быть использован для создания нового типа перестраиваемых компактных терагерцовых источников с оптической накачкой.

Результаты исследования нелинейного оптического отклика планарных металло-диэлек-трических наноструктур показывают, что такие системы могут стать основой для полностью оптических логических элементов с относительно низкими порогами переключения.

Апробация результатов и публикации

По теме диссертации автором опубликовано 21 работа, в том числе 7 статей в рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК, и 14 тезисов в сборниках трудов конференций. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на семинарах ИФМ РАН, СПбГУ ИТМО, Австралийского национального университета, а также на следующих международных и российских конференциях:

• Conference on Lasers and Electro-Optics Europe (CLEO/Europe) and the European Quantum Electronics Conference (EQEC), Munich, Germany, June 12-17, 2005

• 12th International Student Seminar on Microwave Applications of Novel Physical Phenomena. St. Petersburg Electrotechnical University ("LETI"), St. Petersburg, Russia, October 17-19, 2005

• X международный симпозиум "Нанофизика и наноэлектроника" , Нижний Новгород, Россия, 13-17 марта, 2006

• XI международный симпозиум "Нанофизика и наноэлектроника" , Нижний Новгород, Россия, 10-14 марта, 2007

• SPIE Optics + Optoelectronics 2007, Negative index materials, Prague, Czech Republic, 16-19 April, 2007

• Тринадцатая Всероссийская Научная Конференция Студентов-физиков (ВНКСФ-13), Ростов-на-Дону - Таганрог, Россия, 20-26 апреля, 2007

• Третья летняя межрегиональная школа физиков (ЛМШФ-3), Архангельск, Петрозаводск, Санкт-Петербург, Россия, 23 июля - 9 августа, 2007

• 14th International Student Seminar on Microwave and Optical Applications of Novel Physical Phenomena, Queen's University Belfast, Northern Ireland, UK, 23-24 August, 2007

• Second International Congress on Advanced Electromagnetic Materials in Microwaves and Optics (Metamaterials 2008), Pamplona, Spain, September 21-26, 2008

• Second European Meeting on Nanophotonics and Metamaterials (Nanometa 2009), Seefeld, Tirol, Austria, January 5-8, 2009

• XII всероссийская школа-семинар "Волны 2009" , Пансионат "Университетский" ,

Московская область, 25-30 мал, 2009

• Modern Problems in Optics and Photonics (MPOP 2009), Yerevan, Armenia, 27 August

- 2 September, 2009

• International Young Scientist workshop on "Optics, Photonics and Metamaterials - 2009" ,

OPAM 2009), Kharkov, Ukraine, September 25-27, 2009

• Второй международный нанофорум, Москва, Россия, 6-8 Октября, 2009

Личный вклад автора

Во всех выполненых работах автор принимал участие в постановке и решении задач, в обсуждении полученных результатов и их интерпретации. Работы [А2, A3, A4, А10, All, А12, А13, А14, А15] выполнены в соавторстве с научным руководителем. Вклад автора в исследование эффекта спонтанного нарушения симметрии в нелинейных металлических нанодимерах [А5, А7, А16, А17, А18, А19, А21] был определяющим. Вклад автора в результаты работ [Al, А6, А8, А9, А20] равнозначен вкладу других авторов.

Структура и объём диссертации

Диссертация состоит из введения, трёх глав, заключения, списка цитируемой литературы и списка работ по диссертации. Общий объём диссертации составляет 139 страниц, включая 51 рисунок, 1 таблицу, список цитируемой литературы из 150 наименований и список работ по диссертации из 21 наименования.

Заключение диссертации по теме «Радиофизика», Носков, Роман Евгеньевич

Основные результаты главы опубликованы в работах [А2, А10, АН].

3.1. Введение

При взаимодействии электромагнитного излучения с нелинейной резонансной системой при одной и той же интенсивности падающего излучения могут существовать два (или более) устойчивых состояния системы, отвечающих либо низкому, либо высокому уровню прошедшей (отражённой) мощности излучения. Это физическое явление получило название бистабильности (мультистабильности). Экспериментальные и теоретические исследования бистабильности в нелинейных системах начались в конце 50-х годов XX столетия и интенсивно продолжаются в настоящее время [127]. В частности, сейчас в научной литературе активно обсуждаются возможности использования этого явления в разнообразных нанофотонных приложениях, включающих полностью оптическую обработку информации и оптические вычисления [128, 129]. Одной из ключевых проблем

Заключение

В заключении приведём краткую сводку основных результатов, полученных в диссертации.

1. Предложен дизайн объёмного изотропного левостороннего метаматериала для оптического частотного диапазона. Основу дизайна составляет кубическая решётка металлических нанодимеров, обеспечивающая требуемый электрический и магнитный отклики метаматериала. В рамках теории эффективной среды рассчитаны эффективная диэлектрическая и магнитная проницаемости метаматериала и оценено влияние диэлектрической матрицы и фактора заполнения на частотный диапазон, где композит обладает левосторонними свойствами.

2. Исследован новый тип левосторонних сред, обладающих безотражательными и дву-лучепреломляющими свойствами. Показано, что анизотропный левосторонний слой, характеризуемый тензорами диэлектрической и магнитной проницаемостей специального вида, может демонстрировать отрицательную рефракцию либо для ТЕ}-, либо для TM-поляризованных воли, либо для обеих поляризаций одновременно, что делает возможным селективную субволновую фокусировку и пространственную сепарацию изображений, создаваемых в различных поляризациях. Установлено, что такая двулучепреломляющая линза способна формировать субволновые изображения на расстояниях, превышающих её толщину, что невозможно для изотропных левосторонних линз.

3. Показано, что возможность получения субволнового разрешения с помощью левосторонней плоской суперлинзы связана с вырождением спектра поверхностных электромагнитных волн, распространяющихся вдоль границ слоя левостороннего метаматериала и резонансным возбуждением этих поверхностных электромагнитных волн ближними полями стороннего источника. На основе полученной методом расщепления поля динамической системы укороченных уравнений для медленных амплитуд поверхностных волн в условиях Pix слабого перекрытия, изучены динамические процессы формирования субволновых изображений для стационарного, импульсного, движущегося с постоянной скоростью и осциллирующего в пространстве источников. Для каждого из них рассчитаны фундаментальные пределы разрешения линзы и выяснена физическая природа возникновения соответствующих пределов разрешения.

4. Показано, что рассеяние света на геометрически симметричном нелинейном металлическим нанодимере может сопровождаться спонтанным нарушением электродинамической симметрии. Этот эффект вызван собственной нелинейностью наночастиц, которая приводит к неустойчивости собственных симметричных дипольных мод ди-мера, в результате чего в нём спонтанно возбуждаются антисимметричные квадру-польные моды. В частности, развитие неустойчивости может приводить к спонтанному намагничиванию димера и возникновению периодического автомодуляционного режима рассеяния света с терагерцовой модуляционной частотой. Вычислены условия существования неустойчивости и обнаружено, что модуляционная частота может перестраиваться в широком диапазоне от единиц до нескольких десятков терагерц посредством изменения интенсивности и частоты внешнего поля, что открывает перспективу создания компактных широко перестраиваемых терагерцовых источников нового типа на базе упорядоченных массивов нелинейных металлических наноди-меров. В качестве простейшего примера такого генератора рассмотрена двумерная решётка металлических нанодимеров. Полученные результаты показывают, что те-рагерцовые источники этого типа будут обладать рядом преимуществ по сравнению с традиционными генераторами разностной частоты на основе двухцветных лазеров.

5. Исследованы нелинейные оптические свойства планарных металл о-диэлектрических наноструктур. Получено выражение для тензора эффективной нелинейной диэлектрической проницаемости композита в общем случае когда одновременно и металлические и диэлектрические слои обладают нелинейностью керровского типа. Продемонстрирован гистерезисный тип зависимости компонент тензора проницаемости как от интенсивности, так и от частоты среднего поля, позволяющий скачкообразно изменять знак одной из компонент и, следовательно, существенным образом влиять на условия распространения излучения в рассматриваемых композитных материалах. Природа этой бистабильности тесно связана с нелинейным квазистатическим геометрическим резонансом, возникающим благодаря различным знакам диэлектрических проницаемостей металлических и диэлектрических слоёв, что делает структуру эквивалентной нелинейному ЬС-осциллятору. Показана возможность значительного снижения порогов бистабильности в композите по сравнению с характерными нелинейными полями в объёмном диэлектрике и металле. Проанализировано влияние нелинейности слоёв на вид изочастотных поверхностей.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Носков, Роман Евгеньевич, 2011 год

1. Smith D.R., Padilla W.J., Vier D.C. et al. Composite medium with simultaneously negative permeability and permittivity // Phys. Rev. Lett. — 2000. — Vol. 84. — P. 4184.

2. Shelby R.A., Smith D.R., Schultz S. Experimental verifcation of a negative index of refraction // Science. — 2001. — Vol. 292. — P. 77.

3. Веселаго В.P. Электродинамика веществ с одновременно отрицательными значениями £ и /X // УФН. 1967. — Т. 172. - С. 1215.

4. Pendry J.В. Negative refraction makes a perfect lens // Phys. Rev. Lett. — 2000.— Vol. 85. P. 3966.

5. Smith D.R., Pendry J.В., Wiltshire M.C.K. Metamaterials and Negative Refractive Index // Science. — 2004. — Vol. 305. — P. 788.

6. Soukoulis C.M., Linden S., Wegener M. Negative Refractive Index at Optical Wavelengths // Science. — 2007. — Vol. 315. — P. 47.

7. Soukoulis C.M., Wegener M. Optical Metamaterials — More Bulky and Less Lossy // Science. — 2010. — Vol. 330. — P. 1633.

8. Долин JI. С. О возможности сопоставления трёхмерных электромагнитных систем с неоднородным анизотропным заполнением // Изв. вузов. Радиофизика.— 1961.— Т. 4,- С. 964.

9. Pendry J.В., Schurig D., Smith D.R. Controlling Electromagnetic Fields // Science.— 2006. — Vol. 312. — P. 1780.

10. Leonhardt U. Optical Conformal Mapping // Science. — 2006. — Vol. 312. — P. 1777.

11. Chen H., Chan C.T., Sheng P. Transformation optics and metamaterials // Nature Mater. — 2010. — Vol. 9. — P. 387.

12. Schurig D., Mock J.J., Justice B.J. at al. Metamaterial Electromagnetic Cloak at Microwave Frequencies // Science. — 2006. — Vol. 314. — P. 977.

13. Valentine J., Li J., Zentgraf T. et al. An optical cloak made of dielectrics // Nature Mater. — 2009. Vol. 8. - P. 568.

14. Smolyaninov I.I., Smolyaninova V.N., Kildishev A. V., Shalaev V.M. Anisotropic metamaterials emulated by tapered waveguides: application to optical cloaking // Phys. Rev. Lett. — 2009. Vol. 102. — P. 213901.

15. Ergin T., Stenger N., Brenner P. Three-Dimensional Invisibility Cloak at Optical Wavelengths // Science. — 2010. — Vol. 328. — P. 337.

16. Liu Z., Lee H., Xiong Y. et al. Far-Field Optical Hyperlens Magnifying Sub-Diffraction-Limited Objects // Science. — 2007. — Vol. 315. — P. 1686.

17. Grbic A., Eleftheriades G. V. Overcoming the diffraction limit with a planar left-handed transmission-line lens // Phys. Rev. Lett. — 2004. — Vol. 92. — P. 117403.

18. Lagarkov A.N., Kissel V.N. Near-perfect imaging in a focusing system based on a left-handed-material plate // Phys. Rev. Lett. — 2004. — Vol. 92. — P. 077401.

19. Ono A., Kato J., Kawata S. Subwavelength Optical Imaging through a Metallic Nanorod Array // Phys. Rev. Lett. — 2005. — Vol. 95, —P. 267407.

20. Belov P.A., Hao Y. Subwavelength imaging at optical frequencies using a transmission device formed by a periodic layered metal-dielectric structure operating in the canalization regime // Phys. Rev. B. — 2006. — Vol. 73. — P. 113110.

21. Belov P.A., Hao Y., Sudhakaran S. Subwavelength microwave imaging using an array of parallel conducting wires as a lens // Phys. Rev. B. — 2006. — Vol. 73. — P. 033108.

22. Silveirinha M.G., Belov P.A., Simovski C.R. Subwavelength imaging at infrared frequencies using an array of metallic nanorods // Phys. Rev. B. — 2007. — Vol. 75. — P. 035108.

23. Wang C., Zhao Y., Gan D. et al. Subwavelength imaging with anisotropic structure comprising alternately layered metal and dielectric films // Opt. Express. — 2008. — Vol. 16. — P. 4217.

24. Kawata S., Ono A., Verma P. Subwavelength colour imaging with a metallic nanolens // Nature Photon. — 2008. — Vol. 2. — P. 438.

25. Enoch S., Tayeb G., Sabouroux P. et al. A Metamaterial for Directive Emission // Phys. Rev. Lett. 2002. - Vol. 89. — P. 213902.

26. Ziolkowski R. W., Chia-Ching L., Nielsen J. A. et al. Design and Experimental Verification of a 3D Magnetic EZ Antenna at 300 MHz // Antennas and Wireless Propagation Letters, IEEE. — 2009. — Vol. 8. — P. 989.

27. Papasimakis N., Fedotov V.A., Zheludev N.I. Metamaterial Analog of Electromagnetically Induced Transparency // Phys. Rev. Lett. — 2008. — Vol. 101. — P. 253903.

28. Luk'yanchuk В., Zheludev N.I., Maier S.A. et al. The Fano resonance in plasmonic nanos-tructures and metamaterials // Nature Mater. — 2010. — Vol. 9. — P. 707.

29. Schuster A. An introduction to the theory of optics. — Edward Arnold, 1904. — Pp. 256, 257, 313-318.

30. Мандельштам JI.И. Лекции по оптике, теории относительности и квантовой механике. — Наука, Москва, 1972. — С. 435-436.

31. Shelby R.A., Smith D.R., Nemat-Nasser S. С., Schultz S. Microwave transmission through a two-dimensional, isotropic, left-handed metamaterial // Appl. Phys. Lett.— 2001.— Vol. 78. — P. 489.

32. Houck A. A., Brock J.В., Chuang I.L. Experimental observations of a left-handed material that obeys Snell's law // Phys. Rev. Lett. — 2003. — Vol. 90. — P. 137401.

33. Parazzoli C.G., Greegor R.B., Li K. et al. Experimental verification and simulation of negative index of refraction using Snell's law // Phys. Rev. Lett — 2003. — Vol. 90. — P. 107401.

34. Климов В.В. Напоплазмоника.— Физматлит, Москва, 2009.

35. Chen Н.Т., Padilla W.J., Cich M.J. et al. A metamaterial solid-state terahertz phase modulator // Nature Photon.— 2009. — Vol. 3. — P. 143.

36. Zheludev N.I. The road ahead for metamaterials // Science. — 2010. — Vol. 328. — P. 582.

37. Linden S., Enkrich C., Wegener M. et al. Magnetic response of metamaterials at 100 terahertz // Science. — 2004. — Vol. 303. — P. 1351.

38. Liu N., Guo H., Fu L. et al. Three-dimensional photonic metamaterials at optical frequencies // Nature Mater. — 2008. — Vol. 7. — P. 31.

39. Shalaev V.M., Cai W., Chettiar U.K. et al. Negative index of refraction in optical metamaterials // Opt. Lett. — 2005. — Vol. 30. —P. 3356.

40. Dolling G., Enkrich C., Wegener M. et al. Cut-wire pairs and plate pairs as magnetic atoms for optical metamaterials // Opt. Lett. — 2005. — Vol. 30. — P. 3198.

41. Pakizeh T.; Abrishamian M.S., Granpayeh N. et al. Magnetic-field enhancement in gold nanosandwiches // Opt. Express. — 2006. — Vol. 14.—P. 8240.

42. Grigorenko A.N., Geim A.K., Gleeson H.F. et al. Nanofabricated media with negative permeability at visible frequencies // Nature. — 2005. — Vol. 438. — P. 335.

43. Zhang S., Fan W., Minhas B.K. et al. Midinfrared resonant magnetic nanostructures exhibiting a negative permeability // Phys. Rev. Lett.— 2005. — Vol. 94. — P. 037402.

44. Sarychev A.K., Shvets G., Shalaev V.M. Magnetic plasmon resonance // Phys. Rev. Lett. — 2006. Vol. 73. — P. 036609.

45. Huangfu J., Ran L., Chen H. et al. Experimental confirmation of negative refractive index of a metamaterial composed of fi-like metallic patterns // Appl. Phys. Lett. — 200,4. — Vol. 84. — P. 1537.

46. Alu A., Salandrino A., Engheta N. Negative effective permeability and left-handed materials at optical frequencies // Opt. Express. — 2006. — Vol. 14. — P. 1557.

47. Alu A., Engheta N. Dynamical theory of artificial optical magnetism produced by rings of plasmonic nanoparticles // Phys. Rev. B. — 2008. — Vol. 78. — P. 085112.

48. Chen Y., Lipton R. Tunable double negative band structure from non-magnetic coated rods // New J. Phys. — 2010. — Vol. 12,- P. 083010.

49. Valentine J., Zhang S., Zentgraf T. et al. Three-dimensional optical metamaterial with a negative refractive index // Nature. — 2008. — Vol. 455. — P. 376.

50. Cui J. J., Cheng Q., Lu W.B. et al. Localization of electromagnetic energy using a left-handed-medium slab // Phys. Rev. B. — 2005. — Vol. 71. — P. 045114.

51. Podolsky V.A., Narimanov E.E. Near-sighted superlens // Opt. Lett. — 2005. — Vol. 30. — P. 75.

52. Feise M.W., Schneider J.В., Bevelaoque P.J. Finite-difference and pseudospectral timedomain methods applied to backward-wave metamaterials // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. — 2004. — Vol. 52. — P. 2955.

53. Kolinko P., Smith D.R. Numerical study of electromagnetic waves interacting with negative index materials // Opt. Express. — 2003. — Vol. 11. — P. 640.

54. Loschialpo P.F., Forester D.W., Smith D.L. et al. Optical properties of an ideal homogeneous causal left-handed material slab // Phys. Rev. E. — 2004. — Vol. 70. — P. 036605.

55. Gomez-Santos G. Universal features of the time evolution of evanescent modes in a left-handed perfect lens // Phys. Rev. Lett. — 2003. — Vol. 90. — P. 077401.

56. Ruppin R. Surface modes of two spheres // Phys. Rev. B. — 1982. — Vol. 26. — P. 3440.

57. Johnson P.В., Christy R.W. Optical constants of the noble metals // Phys. Rev. B.— 1972. Vol. 6. — P. 4370.

58. Sihvola A. Electromagnetic Mixing Formulas and Applications. — Institution of Electrical Engineers, London, 1999.

59. Ворн M. и Вольф Э. Основы оптики. — Москва, Наука, 1973.

60. Sarychev А. К., Tartakovsky G. Magnetic plasmonic metamaterials in actively pumped host medium and plasmonic nanolaser // Phys. Rev. B. — 2007. — Vol. 75. — P. 085436.

61. Wegener M., Garcia-Pomar J.L., Soukoulis C.M. et al. Toy model for plasmonic metamaterial resonances coupled to two-level system gain // Opt. Express. — 2008. — Vol. 16. — P. 19785.

62. Noginov M. A., Podolskiy V.A., Zhu G. et al. Compensation of loss in propagating surface plasmon polariton by gain in adjacent dielectric media // Opt. Express.— 2008.— Vol. 16. — P. 1385.

63. Xiao S., Drachev V.P., Kildishev A.V. et al. Loss-free and active optical negative-index metamaterials // Nature. — 2010. — Vol. 466. — P. 735.

64. West P.R., Ishii S., Naik G. V. et al. Searching for better plasmonic materials // Laser & Photon. Rev. — 2010. Vol. 4. - P. 795.

65. Blaber M.G., Arnold M.D., Ford M.J. Optical properties of intermetallic compounds from first principles calculations: a search for the ideal plasmonic material // J. Phys.: Condens. Matter.— 2009, — Vol. 21, —P. 144211.

66. Hiramatsu M., Imaeda K., Horio N., Nawata M. Transparent conducting ZnO thin films prepared by XeCl excimer laser ablation //J. Vac. Sci. Technol. A. — 1998. — Vol. 16. — P. 669.

67. Ашкорфт H. и Мермин H. Физика твёрдого тела. — Мир, Москва, 1979. — Т. 1.

68. Ландау Л.Д. и Лифшиц Л.М. Электродинамика сплошных сред. — Физматлит, Москва, 2005.

69. Агранович В.М. и Гартштейн Ю.М. Пространственная дисперсия и отрицательное преломление света // УФН. — 2006. Т. 176. - С. 1051.

70. Ефимов С.П. Компрессия электромагнитных волн анизотропной средой // Изв. вузов. Радиофизика. — 1978. — Т. 21. — С. 1381.

71. Sacks Z.S., Kingsland D.M., Lee R., Jin-Fa Lee. A perfectly matched anisotropic absorber for use as an absorbing boundary condition // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. — 1995. — Vol. 43. — P. 1416.

72. Smimov A.I., Fraiman G.M. The interaction representation in the self-focusing theory // Physica D. 1991. - Vol. 52. - P. 2.

73. Aliev Y.M., Boardman A.D., Smimov A.I. et al. Spatial dynamics of solitonlike channels near interfaces between optically linear and nonlinear media // Phys. Rev. E. — 1996. — Vol. 54. — P. 5409.

74. Smirnov A.I., Zharov A.A. Nonparaxial solitons // Soliton-driven Photonics, NATO Science Series, II Mathematics, Physics and Chemistry, Editors: Boardman A.D. and Sukho-rukov A.P. 2000. — Vol. 31. — P. 141.

75. Boardman A.D., Bontemps P., Ilecki W., Zharov A. A. Theoretical demonstration of beam scanning and switching using spatial solitons in a photorefractive crystal // J. Mod. Opt. — 2000. Vol. 47. - P. 1941.

76. Shadrivov I.V., Sukhorukov A.A., Kivshar Yu.S. et al. Nonlinear surface waves in left-handed materials // Phys. Rev. E. — 2004. — Vol. 69. — P. 016617.

77. Корн Г. и Корн Т. Справочник по математике. — Наука, Москва, 1974. — С. 473.

78. Петрин А.Б. Точечный излучатель, параллельный плоскому слою с отрицательным показателем преломления // ЖЭТФ. — 2008. — Т. 134, — С. 436.

79. Jacob Z., Alekseyev L. V., Narimanov E. Optical Hyperlens: Far-?eld imaging beyond the diffraction limit // Opt. Express. — 2006. — Vol. 14, —P. 8247.

80. Belov P. A., Zhao Y., Tse S. at al. Transmission of images with subwavelength resolution to distances of several wavelengths in the microwave range // Phys. Rev. B. — 2008. — Vol. 77. — P. 193108.

81. Casse B.D.F., Lu W.T., Huang Y.J. et al. Super-resolution imaging using a three-dimensional metamaterials nanolens // Appl. Phys. Lett. — 2010. — Vol. 96. — P. 023114.

82. Градштейн И. С. и Рыжик И.М. Таблицы интегралов, сумм, рядов и произведений. — Физматлит, Москва, 1968. i

83. Maier S.A. Plasmonics: fundamentals and applications. — Springer, New York, 2007.

84. Kawata S., Inouye Y., Verma P. Plasmonics for near-feld nano-imaging and superlens-ing // Nature Photon. — 2009. — Vol. 3. — P. 388.

85. Berini P. Long-range surface plasmon polaritons // Advances in Optics and Photonics. — 2009. — Vol. 1. — P. 484.

86. Salerno M., Krenn J.R., Hohenau A. et al. The optical near-field of gold nanoparticle chains // Opt. Commun. — 2005. — Vol. 248. —P. 543.

87. Thill M.S., Plet C., Thiel M. et al. Photonic metamaterials by direct laser writing and silver chemical vapour deposition // Nature Mater. — 2008. — Vol. 7. — P. 543.

88. Gansel J.K., Thiel M., Rill M.S. et al. Gold helix photonic metamaterial as broadband circular polarizer // Science. — 2009. — Vol. 325.— P. 1513.

89. Smolyaninov I.I., Narimanov E.E. Metric signature transitions in optical metamaterials // Phys. Rev. Lett. — 2010. — Vol. 105. —P. 067402.

90. Hache F., Ricard D., Flytzanis C., Kreibig U. The optical Kerr effect in small metal particles and metal colloids: the case of gold // Appl. Phys. A: Solids Surf.— 1988.— Vol. 47. P. 347.

91. Раутиаи С.Г. Нелинейная спектроскопия насыщения вырожденного электронного газа в сферических частицах металла // ЖЭТФ. — 1997. — Т. 112, № 3. — С. 836.

92. Drachev V.P., Buin А.К., Nakotte Н., Shalaev V.M. Size dependent х^ for conduction electrons in Ag nanoparticles // Nano Lett. — 2004. — Vol. 4. — P. 1535.

93. Palpant B. et al. (eds.). Non-linear optical properties of matter.— Springer, 2006.— Pp. 461-508.

94. Lippitz M., Dijk M.A., Orrit M. Third-harmonic generation from single gold nanoparticles // Nano Lett. — 2005. Vol. 5. — P. 799.

95. Klein M. W., Enkrich C., Wegener M., Linden S. Second-harmonic generation from magnetic metamaterials // Science. — 2006. — Vol. 313. — P. 502.

96. Klein M. W., Wegener M., Feth N., Linden S. Experiments on second- and third-harmonic generation from magnetic metamaterials // Opt. Express. — 2007. — Vol. 15. — P. 5238.

97. Danckwerts M., Novotny L. Optical frequency mixing at coupled gold nanoparticles // Phys. Rev. Lett.— 2007. Vol. 98. - P. 026104.

98. Schuck P.J., Fromm D.P., Sundaramurthy A. et al. Improving the mismatch between light and nanoscale objects with gold bowtie nanoantennas 11 Phys. Rev. Lett. — 2005. — Vol. 94. — P. 017402.

99. Palomba S., Novotny L. Near-field imaging with a localized nonlinear light source // Nano Lett. 2009. — Vol. 9. — P. 3801.

100. Siegel P.H. Terahertz Technology // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. — 2002. — Vol. 50. — Pp. 910-928.

101. Zimdars D., Rudd J. V. Opening the THz window // Photon. Spectra. — 2000. — no. 5. — Pp. 146-148.

102. Hattori T., Arai S., Ohta K. et al. Ultrafast semiconductor spectroscopy using terahertz electromagnetic pulses // Science and Technology of Advanced Materials. — 2005. — Vol. 6. — Pp. 649-655.

103. Smye S.W., Chamberlain J.M., Fitzgerald A.J., Berry E. The interaction between Terahertz radiation and biological tissue. // Phys. Med. Biol.— 2001.— Vol. 46.— Pp. R101-12.

104. Yamamoto K., Yamaguchi M., Miyamaru F. et al. Noninvasive inspection of C-4 explosive in mails by terahertz time-domain spectroscopy // Jpn. J. Appl. Phys. — 2004. — Vol. 43. — P. L414-L417.

105. Dudovich N., Oron D., Silberberg Y. Single-pulse coherently controlled nonlinear Raman spectroscopy and microscopy // Nature. — 2002. — Vol. 418. — P. 512.

106. Danielson J.R., Lee Y.-S., Prineas J.P. et al. Interaction of Strong Single-Cycle Terahertz Pulses with Semiconductor Quantum Wells // Phys. Rev. Lett. — 2007. — Vol. 99. — P. 237401.

107. Han P.Y., Cho G.C., Zhang X.C. Time-domain transillumination of biological tissues with terahertz pulses // Opt. Lett. — 2000. — Vol. 25. — Pp. 242-244.

108. Fitzgerald A. J., Berry E., Zinovev N.N. et al. An introduction to medical imaging with coherent terahertz frequency radiation // Phys. Med. Biol. — 2002. — Vol. 47. — P. R67.

109. Knobloch P., Schildknecht C., Kleine-Ostmann T. et al. Medical THz imaging: an investigation of histo-pathological samples // Phys. Med. Biol. — 2002. — Vol. 47. — P. 3875-3884.

110. Oh S.J., Kang J., Maeng I. et al. Nanoparticle-enabled terahertz imaging for cancer diagnosis // Opt. Express. — 2009. — Vol. 17, no. 5. — P. 3469.

111. Zhang X.-C., Xu J. Introduction to THz Wave Photonics. — Springer, 2010.

112. Winnerl S., Schomburg E., Brandl S. et al. Frequency doubling and tripling of terahertz radiation in a GaAs/AlAs superlattice due to frequency modulation of Bloch oscillations // Appl. Phys. Lett. — 2000. — Vol. 77. —P. 1259.

113. Kazakevich G.M., Pavlov V.M., Kuznetsov G.I. et al. Internal injection for a microtron driving a terahertz free electron laser //J. Appl. Phys. — 2007. — Vol. 102. — P. 034507.

114. Wang F., Cheever D., Farkhondeh M. et al. Coherent THz Synchrotron Radiation from a Storage Ring with High-Frequency RF System // Phys. Rev. Lett. — 2006. — Vol. 96. — P. 064801.

115. Capasso F., Paiella R., Martini R. et al. Quantum cascade lasers: ultrahigh-speed operation, optical wireless communication, narrow linewidth, and far-infrared emission // IEEE J. of Quan. Electron.— 2002. — Vol. 38. — Pp. 511-532.

116. Paul D.J. The progress towards terahertz quantum cascade lasers on silicon substrates // Laser & Photon. Rev. — 2010. — Vol. 4, no. 5. — P. 610.

117. Hoffmann S., Hofmann M.R. Generation of Terahertz radiation with two color semiconductor lasers // Laser & Photon. Rev. — 2007. — Vol. 1. — P. 44.

118. Hao F., Sonnefraud Y., Dorpe P. V. et al. Symmetry Breaking in Plasmonic Nanocavi-ties: Subradiant LSPR Sensing and a Tunable Fano Resonance // Nan о Lett. — 2008. — Vol. 8.—P. 3983.

119. Christ A., Martin O.J.F., Ekinci Y. et al. Symmetry Breaking in a Plasmonic Metamaterial at Optical Wavelength // Nano Lett. — 2008. — Vol. 8. — P. 2171.

120. Fedotov V.A., Rose M., Prosvirnin S.L. et al. Sharp Trapped-Mode Resonances in Planar Metamaterials with a Broken Structural Symmetry // Phys. Rev. Lett. — 2007. — Vol. 99. — P. 147401.

121. Рабинович М.И. и Трубецков Д.И. Введениие в теорию колебаний и волн.— НИЦ "Регулярная и хаотическая динамика" , 1999.

122. Leung К.М. Optical bistability in the scattering and absorption of light from nonlinear microparticles // Phys. Rev. A. — 1986. —Vol. 33. — P. 2461.

123. Jung J., Pedersen T. G., S0ndergaard T. et al. Electrostatic plasmon resonances of metal nanospheres in layered geometries // Phys. Rev. В. — 2010. — Vol. 81. — P. 125413.

124. Pronko P. P., Dutta S. K., Du D., Singh R. K. Thermophysical effects in laser processing of materials with picosecond and femtosecond pulses // J. Appl. Phys.— 1995.— Vol. 78. — P. 6233.

125. Miyamoto K., Ohno S., Fujiwara M. et al. Optimized terahertz-wave generation using BNA-DFG // Opt. Express. — 2009. — Vol. 17. — P. 14832.

126. Ito H., Suizu K., Yamashita T. et al. Random Frequency Accessible Broad Tunable Terahertz-Wave Source Using Phase-Matched 4-Dimethylamino-N-methyl-4-stilbazolium To-sylate Crystal // Jpn. J. Appl. Phys. — 2007. — Vol. 46. —P. 7321.

127. Gibbs H.M. Optical bistability: controlling light with light. — Academic, Orlando, 1985.

128. Menon V.M., Deych L.I., Lisyansky A.A. Towards polaritonic logic circuits // Nature Photon. — 2010. Vol. 4. - P. 345.

129. Miller D.A.B. Are optical transistors the logical next step? // Nature Photon. — 2010. — Vol. 4. — P. 3.

130. Rodenberger D.C., Heflin J.R., Garrto A.F. Excited-state enhancement of optical nonlin-earities in linear conjugated molecules // Nature. — 1992. — Vol. 359. — P. 309.

131. Chemla D.S., Miller D.A.B. Mechanism for enhanced optical nonlinearities and bistability by combined dielectric-electronic confinement in semiconductor microcrystallites // Opt. Lett.— 1986.- Vol. 11.- P. 522.

132. Sipe J.E., Boyd R. W. Nonlinear susceptibility of composite optical materials in the Maxwell Garnett model // Phys. Rev. A.— 1992. — Vol. 46. — P. 1614.

133. Fischer G.L., Boyd R. W., Gehr R.J. et al. Enhanced nonlinear optical response of composite materials // Phys. Rev. Lett. — 1995. — Vol. 74, — P. 1871.

134. Gehr R.J., Fischer G.L., Boyd R.W., Sipe J.E. Nonlinear optical response of layered composite materials // Phys. Rev. A. — 1996. — Vol. 53. — P. 2792.

135. Husakou A., Herrmann J. Steplike transmission of light through a metal-dielectric multilayer structure due to an intensity-dependent sign of the effective dielectric constant // Phys. Rev. Lett. — 2007. — Vol. 99. — P. 127402.

136. Bennink R.S., Yoon Y.-K., Boyd R. W. Accessing the optical nonlinearity of metals with metal-dielectric photonic bandgap structures // Opt. Lett. — 1999. — Vol. 24. — P. 1416.

137. Wang F. Y., Li G.X., Tarn H.L. et al. Optical bistability and multistability in one-dimensional periodic metal-dielectric photonic crystal // Appl. Phys. Lett. — 2008. — Vol. 92. — P. 211109.

138. Chen J., Wang P., Wang X. et al. Optical bistability enhanced by highly localized bulk plasmon polariton modes in subwavelength metal-nonlinear dielectric multilayer structure // Appl. Phys. Lett.— 2009, — Vol. 94. — P. 081117.

139. Soljacic M., Joannopoulos J.D. Enhancement of nonlinear effects using photonic crystals // Nature Mater. — 2004. — Vol. 3. — P. 211.

140. Notomi M., Shiny a A., Mitsugi S. et al. Optical bistable switching action of Si high-Q photonic-crystal nanocavities // Opt. Express. — 2005. — Vol. 13. — P. 2678.

141. Diao L., Blair S. Optical bistability and multistability in one-dimensional photonic band gap structures // J. Opt. A: Pure Appl. Opt. — 2007. — Vol. 9. — P. 972.

142. Zharov A.A., Shadrivov I. V., Kivshar Y.S. Nonlinear properties of left-handed metamaterials // Phys. Rev. Lett. — 2003. — Vol. 91.— P. 037401.

143. Файнберг Я.В. и Хижняк H.А. Искусственные анизотропные среды // ЖТФ. — 1955.—Т. 25,—С. 711.

144. Виноградов А.П. Электродинамика композитных материалов.— УРСС, Москва, 2001.

145. Yang G., Guan D., Wang W. et al. The inherent optical nonlinearities of thin silver films // Opt. Mater. — 2004. — Vol. 25. P. 439.

146. Wang P., Lu Y., Tang L. et al. Surface-enhanced optical nonlinearity of a gold film // Opt. Commun. — 2004. — Vol. 229. P. 425.

147. Yang G., Wang H., Tan G. et al. Rh:BaTi03 thin films with large nonlinear optical properties // Appl. Opt. — 2002. — Vol. 41. — P. 1729.

148. Sharan A., An I., Chen C. et al. Large optical nonlinearities in BiMnC>3 thin films // Appl. Phys. Lett. 2003. — Vol. 83. — P. 5169.

149. Weber M.J. Handbook of optical materials. — CRC Press, 2003.

150. Список публикаций по диссертации

151. Al. Zharov A.A., Zharova N.A., Noskov R.E., Shadrivov I.V. and Kivshar Y.S. Biréfringent left-handed metamaterials and perfect lenses for vectorial fields // New J. Phys. — 2005. — Vol. 7. — P. 220.

152. A2. Noskov R.E. and Zharov A.A. Optical testability of planar metal/dielectric nonlinear nanostructures // Opto-Electron. Rev. — 2006. — Vol. 14, no. 3. — P. 13.

153. A3. Жаров А.А., Носков P.E. Резонансные нано и микроструктурированные среды: левосторонние свойства и отрицательная рефракция электромагнитных волн // Изв. РАН, Серия Физическая.— 2007. —Т. 71, Ж 1.— С. 48.

154. A4. Zharov A.A., Noskov R.E. Binary-nanoparticle left-handed metamaterial for optical frequencies // Proc. of SPIE. 2007. - V. 6581.— P. 658106.

155. A5. Zharov A.A., Noskov R.E. and Tsarev M. V. Plasmon-induced terahertz radiation generation due to symmetry breaking in a nonlinear metallic nanodimer //J. Appl. Phys. — 2009. V. 106.— P. 073104.

156. A6. Жаров А.А., Жарова H.А., Носков P.E. О поверхностно-волновом механизме формирования субволновых изображений в плоской левосторонней суперлинзе // ЖЭТФ. — 2009. — Т. 136, №. 5. — С. 853.

157. А7. Noskov R.E., Zharov A.A. and Tsarev M.V. Generation of widely tunable continuous-wave terahertz radiation using a two-dimensional lattice of nonlinear metallic nan-odimers // Phys. Rev. В 2010. — V. 82,— P. 073404.

158. All. Носков P.E., Жаров А.А. Нелинейный оптический резонансный отклик металл-диэлектрических наноструктур // Тезисы докладов конференции "Нелинейные волновые процессы 2006", Н. Новгород, 1-7 марта 2006 г., Н. Новгород: ИПФ РАН, 2006 — С. 113.

159. А13. Жаров А.А., Носков Р.Е. Оптический левосторонний метаматериал на основе решёток сдвоенных металлических наночастиц // Материалы XI Международного Симпозиума "Нанофизика и наноэлектроника" , Нижний Новгород, Россия, 10-14 марта, 2007.- Т. 2 С. 482.