Образование

КУРС
Электродинамика метаматериалов

gorlachНастоящий курс классической электродинамики рассчитан на студентов первого года магистратуры, изучающих магистерскую программу «Нанофотоника и метаматериалы». Курс состоит из двух взаимосвязанных частей: элементы электродинамики сплошных сред, а также элементы нанофотоники и физики метаматериалов.

Целью первой части курса является знакомство студентов с теоретическими методами описания распространения электромагнитного излучения в сплошной среде и периодических структурах, а также теоретическими методами нанофотоники и подходами к описанию электромагнитных свойств метаматериалов. Вторая часть курса посвящена аналитическим методам исследования оптических свойств модельных наноструктур.

Основной упор сделан на классическое описание взаимодействия точечных источников излучения с оптическими наноструктурами. Обсуждаются общие физические особенности и основные различия в характере излучения точечных источников, расположенных вблизи таких модельных объектов как плоскопараллельные слоистые системы, волноводные структуры, наночастицы. В процессе обучения студентам предлагается выполнить простейшие численные расчеты на выбранном ими языке программирования, а также сделать доклад по актуальной научной статье, в которой используется один из рассматриваемых методов.

Язык обучения
Английский
Содержание программы

Part I. Electrodynamics of continuous media

  • Maxwell's equations in the medium, constitutive relations. Different systems of units in electrodynamics. Wave propagation in anisotropic media. Isofrequency surfaces. Uniaxial crystals. Ordinary and extraordinary waves. Hyperbolic media.
  • Analytical properties of dielectric permittivity: Kramers-Kronig relations; symmetry of the dielectric permittivity function; reciprocity theorem.
  • Dissipation rate, field energy and Poynting vector in the medium with frequency dispersion. Group velocity.
  • Local and nonlocal material parameters. Optical activity and bianisotropy. Zero bianisotropy in crystals with inversion symmetry. Link with the spatial dispersion framework. Dependence of material parameters on external fields, magnetic-optical effects
  • Spatial dispersion. Spatial dispersion in «isotropic» medium, longitudinal waves. Additional waves, exotic dispersion regimes, notes on additional boundary conditions. Spatial-dispersion-induced birefringence.
  • Elements of nonlinear optics. Effective nonlinear susceptibilities. Sum and difference frequency generation. Intensity-dependent refractive index, self-action effects. Stimulated Raman scattering
  • The passage of charged particles through matter: ionization losses in non-relativistic case. Cherenkov radiation. Transition radiation

Part II. Nanophotonics and metamaterials

  • Interaction of quantum emitters with nanophotonics structures: classical description. Modification of emission properties due to interaction with environment: nanoantennas and Purcell effect.
  • Dyadic Green's function.
  • Reminder: T-matrix method for layered structures. Propagation of light in periodic structures: primitive cell, Brillouin zone, Bloch theorem, photonic bandstructure.
  • Modification of dipole emission near layered structures.
  • Interaction of a point dipole with cylindrical waveguides.
  • Arrays of scatterers, summation techniques, discrete dipole method, wire media.
  • Coupling of a dipole to nanoparticle arrays.
  • Scattering by spherical particles: Mie theory. Scattering by dielectric cylinders; superscattering regimes.
  • Emission by multipoles, multipole decomposition, power and angular dependence of radiation emitted by multipoles.
  • Elements of semiconductor physics: excitons and exciton-polaritons, their dispersion.
Список литературы

1. L.D. Landau, E.M. Lifshitz. Electrodynamics of continuous media. Pergamon Press, 1984 (2nd ed).
2. J.D. Jackson. Classical electrodynamics. John Wiley & Sons, 1962.
3. M. Born, E. Wolf. Principles of optics. Pergamon Press, 1965.
4. V.M. Agranovich, V.L. Ginzburg. Crystal optics with spatial dispersion and theory of excitons. Springer, 1984.
5. R.W. Boyd. Nonlinear Optics. Academic Press, 2nd ed, 2003.
6. Y.R. Shen. The principles of nonlinear optics. Wiley-Interscience, 2002.
7. L. Novotny, B. Hecht. Principles of nano-optics. Cambridge University Press, 2006.
8. C.F. Bohren, D.R. Huffman. Absorption and Scattering of Light by Small Particles. Wiley, 1998.
9. М.Б. Виноградова, О.В. Руденко, А.П. Сухоруков, Теория волн, M. 1979, 384с. (In Russian).
10. Katsunari Okamoto, Fundamentals of Optical Waveguides, Elsevier, 2006, 561p.

Рекомендованные завершённые курсы
Описание курса