Pokročilé simulace fotonických struktur metodou FDTD

Metoda konečných diferencí v časové doméně (Finite-Difference Time-Domain method - FDTD) vychází z numerického řešení Maxwellových rovnic a v dnešní době je často používána k simulaci optické odezvy od fotonických struktur. Tato práce poskytuje rychlý úvod do FDTD a několika nejdůležitějších rozšíření, které ji činí velmi univerzální. Z důvodu získání podrobnější analýzy fotonických struktur, je zde také zmíněna metoda matic přenosu (transfer matrix method - TMM). Kód je nejdříve otestován na jednoduchý strukturách, kde může být řešení porovnáno s jinými, ať už numerickými či analytickými metodami. Odladěný kód je použit na vylepšení fotonikých krystalů užitých pro zvýšení citlivosti biosenzorů založených na změně indexu lomu zkoumané látky. V neposlední řadě jsou zkoumány vlastnosti (citlivost a Q-faktor rezonančního maxima) děrovaného vlnovodu v jedno-, dvou- a tří-dimenzionální simulaci. Je ukázáno, že i tato jednoduchá struktura může na poli biosenzorů soupeřit s komplexními fotonickými krystaly. Powered by TCPDF (www.tcpdf.org)Finite-Difference Time-Domain method (FDTD) is based on numerical solution of Maxwell's equations, nowadays widely used for simulating optical response of photonic structures. This paper provides brief introduction to the FDTD method and several important extensions which make the basic code much more versatile. In order to broaden analysis of photonic structures, transfer matrix method (TMM) is also involved. The code is firstly tested using simple model structures which optical response might be compared with different numerical or even analytical approaches. Debugged code is used to improve photonic crystals for enhanced sensitivity of biosensing devices based on refractive index changes of sensed medium. Last but not the least, properties (sensitivity and Q-factor of resonant peak) of holey waveguide are investigated in one-, two- and three-dimensional simulation. It is shown here, that even this simple structure may compete with complex photonic crystals in the field of biosensors. Powered by TCPDF (www.tcpdf.org)Institute of Physics of Charles UniversityFyzikální ústav UKFaculty of Mathematics and PhysicsMatematicko-fyzikální fakult

Role of heat accumulation in the multi-shot damage of silicon irradiated with femtosecond XUV pulses at a 1 MHz repetition rate

The role played by heat accumulation in multi-shot damage of silicon was studied. Bulk silicon samples were exposed to intense XUV monochromatic radiation of a 13.5 nm wavelength in a series of 400 femtosecond pulses, repeated with a 1 MHz rate (pulse trains) at the FLASH facility in Hamburg. The observed surface morphological and structural modifications are formed as a result of sample surface melting. Modifications are threshold dependent on the mean fluence of the incident pulse train, with all threshold values in the range of approximately 36-40 mJ/cm². Experimental data is supported by a theoretical model described by the heat diffusion equation. The threshold for reaching the melting temperature (45 mJ/cm²) and liquid state (54 mJ/cm²), estimated from this model, is in accordance with experimental values within measurement error. The model indicates a significant role of heat accumulation in surface modification processes

Advanced simulations of photonic structures by FDTD method

Finite-Difference Time-Domain method (FDTD) is based on numerical solution of Maxwell's equations, nowadays widely used for simulating optical response of photonic structures. This paper provides brief introduction to the FDTD method and several important extensions which make the basic code much more versatile. In order to broaden analysis of photonic structures, transfer matrix method (TMM) is also involved. The code is firstly tested using simple model structures which optical response might be compared with different numerical or even analytical approaches. Debugged code is used to improve photonic crystals for enhanced sensitivity of biosensing devices based on refractive index changes of sensed medium. Last but not the least, properties (sensitivity and Q-factor of resonant peak) of holey waveguide are investigated in one-, two- and three-dimensional simulation. It is shown here, that even this simple structure may compete with complex photonic crystals in the field of biosensors. Powered by TCPDF (www.tcpdf.org

Interakce krátkovlnných laserových impulsů s hmotou v různých časových škálách

Příchod výkonných zdrojů produkujících intenzivní a krátkovlnné laserové impulsy obsahující vysokoenergetické fotony s sebou přinesl širokou škálu možností pro realizaci experimentů, jež byly dříve dostupné pouze skrze teoretické výpočty a modely. Tato práce přináší komplexní přehled procesů odehrávajících se bezprostředně po příchodu prvních fotonů, přes zahřívání krystalové mřížky, až po resolidifikaci a formaci nevratných změn. Ozářená místa a krátery vytvořené v různých materiálech jsou zkoumány za využití několika mikroskopických a spektroskopických metod, které poskytují výborný náhled do laserem indukovaných přeměn, jako je odtržení grafénové vrstvy od SiC substrátu či tepelně indukovaná difúze telurových inkluzí skrze mřížku CdTe. Zvýšený důraz je kladen na charakterizaci laserových svazků za použití ablačních a desorpčních otisků ve vhodných materiálech. Dobrá znalost fluenčního profilu svazku může posloužit nejen k určení rozličných prahů poškození, ale i při modelování propagace impulzu prostředím. S jeho pomocí lze získat jinak neměřitelnou absorpci v teplém hustém hliníkovém plazmatu zahřátém na teploty přesahující desítky tisíc stupňů Kelvina. Metoda desorpčních otisků je zde navíc rozšířena o přesnou charakterizaci impulzů přicházejících na megahertzové opakovací frekvenci. Cílem...An advent of powerful sources producing intense and ultrashort laser pulses containing high-energy photons opened up a wide range of possibilities to conduct experiments formerly achievable only through theoretical calculations and models. This thesis provides a complex overview of processes which occur right after arrival of the first photons, through lattice heating, up to resolidification and formation of irreversible changes. Irradiated spots and craters formed in various materials are examined employing a wide range of microscopic and spectroscopic methods which provide a deep insight into laser-induced modifications such as detachment of a graphene layer from SiC substrate or thermally-induced diffusion of tellurium inclusions through CdTe lattice. An increased emphasis is placed on beam characterization utilizing ablation and desorption imprints in suitable solids. A proper knowledge of the beam fluence profile may serve for evaluation of diverse damage thresholds as well as for modelling of the pulse propagation or consequent retrieval of otherwise unmeasurable opacity of warm dense aluminium plasma heated to temperatures exceeding tens of thousands of Kelvins. Moreover, the method of desorption imprints is extended to accurate characterization of pulses delivered at MHz repetition rate....Fyzikální ústav UKInstitute of Physics of Charles UniversityMatematicko-fyzikální fakultaFaculty of Mathematics and Physic

Pokročilé simulace fotonických struktur metodou FDTD

Metoda konečných diferencí v časové doméně (Finite-Difference Time-Domain method - FDTD) vychází z numerického řešení Maxwellových rovnic a v dnešní době je často používána k simulaci optické odezvy od fotonických struktur. Tato práce poskytuje rychlý úvod do FDTD a několika nejdůležitějších rozšíření, které ji činí velmi univerzální. Z důvodu získání podrobnější analýzy fotonických struktur, je zde také zmíněna metoda matic přenosu (transfer matrix method - TMM). Kód je nejdříve otestován na jednoduchý strukturách, kde může být řešení porovnáno s jinými, ať už numerickými či analytickými metodami. Odladěný kód je použit na vylepšení fotonických krystalů užitých pro zvýšení citlivosti biosenzorů založených na změně indexu lomu zkoumané látky. V neposlední řadě jsou zkoumány vlastnosti (citlivost a Q-faktor rezonančního maxima) děrovaného vlnovodu v jedno-, dvou- a tří-dimenzionální simulaci. Je ukázáno, že i tato jednoduchá struktura může na poli biosenzorů soupeřit s komplexními fotonickými krystaly. Powered by TCPDF (www.tcpdf.org)Finite-Difference Time-Domain method (FDTD) is based on numerical solution of Maxwell's equations, nowadays widely used for simulating optical response of photonic structures. This paper provides brief introduction to the FDTD method and several important extensions which make the basic code much more versatile. In order to broaden analysis of photonic structures, transfer matrix method (TMM) is also involved. The code is firstly tested using simple model structures which optical response might be compared with different numerical or even analytical approaches. Debugged code is used to improve photonic crystals for enhanced sensitivity of biosensing devices based on refractive index changes of sensed medium. Last but not the least, properties (sensitivity and Q-factor of resonant peak) of holey waveguide are investigated in one-, two- and three-dimensional simulation. It is shown here, that even this simple structure may compete with complex photonic crystals in the field of biosensors. Powered by TCPDF (www.tcpdf.org)Fyzikální ústav UKInstitute of Physics of Charles UniversityFaculty of Mathematics and PhysicsMatematicko-fyzikální fakult

Interaction of short-wavelength laser pulses with matter on various time scales

An advent of powerful sources producing intense and ultrashort laser pulses containing high-energy photons opened up a wide range of possibilities to conduct experiments formerly achievable only through theoretical calculations and models. This thesis provides a complex overview of processes which occur right after arrival of the first photons, through lattice heating, up to resolidification and formation of irreversible changes. Irradiated spots and craters formed in various materials are examined employing a wide range of microscopic and spectroscopic methods which provide a deep insight into laser-induced modifications such as detachment of a graphene layer from SiC substrate or thermally-induced diffusion of tellurium inclusions through CdTe lattice. An increased emphasis is placed on beam characterization utilizing ablation and desorption imprints in suitable solids. A proper knowledge of the beam fluence profile may serve for evaluation of diverse damage thresholds as well as for modelling of the pulse propagation or consequent retrieval of otherwise unmeasurable opacity of warm dense aluminium plasma heated to temperatures exceeding tens of thousands of Kelvins. Moreover, the method of desorption imprints is extended to accurate characterization of pulses delivered at MHz repetition rate...

Calculation of optical response of photonic structures by FDTD method

FDTD method is based on Maxwell's equations and this thesis describe how to make these differential equations computer readable for numerical solution known as the Yee algorithm. Time step dependence on spatial step is examined here in order to obtain stable solution. Discrete Fourier trasform is defined to obtain frequency dependent transmission and reflection coefficients. Programmed simulation is tested on analytically solvable structures even on slightly more complex systems whose optical response was computed by other type of simulation. Finally photonic crystals and their application as biosensors are discussed. Particular shape of photonic crystal is examined in details (frequency spectrum dependence upon spatial resolution, inaccuracy in geometry, different compounds in holes, geometry modification)

Pokročilé simulace fotonických struktur metodou FDTD

Finite-Difference Time-Domain method (FDTD) is based on numerical solution of Maxwell's equations, nowadays widely used for simulating optical response of photonic structures. This paper provides brief introduction to the FDTD method and several important extensions which make the basic code much more versatile. In order to broaden analysis of photonic structures, transfer matrix method (TMM) is also involved. The code is firstly tested using simple model structures which optical response might be compared with different numerical or even analytical approaches. Debugged code is used to improve photonic crystals for enhanced sensitivity of biosensing devices based on refractive index changes of sensed medium. Last but not the least, properties (sensitivity and Q-factor of resonant peak) of holey waveguide are investigated in one-, two- and three-dimensional simulation. It is shown here, that even this simple structure may compete with complex photonic crystals in the field of biosensors. Powered by TCPDF (www.tcpdf.org

Calculation of optical response of photonic structures by FDTD method

Metoda FDTD vychází z Maxwellových rovnic a v této práci je popsáno, jak tyto diferenciální rovnice upravit pro numerické řešení známé jako Yee algoritmus. Z důvodu získání stabilního řešení je zkoumána závislost časového kroku na prostorovém. Je definována diskrétní Fourierova transformace pomocí které lze získat frekvenčně závislé transmisní a reflexní koeficienty. Naprogramovaná simulace je testována na analyticky řešitelných strukturách i na mírně složitějších systémech jejichž optická odezva byla spočítána jinou simulací. V závěru jsou zmíněny fotonické krystaly a jejich aplikace jako biosenzory. Jedno konkrétní uspořádání fotonického krystalu je v této práci detailně rozebráno (závislost frekvenčního spektra na prostorovém rozlišení, nepřesnostech v geometrii, odlišných sloučeninách v dírách, změnách v geometrii).FDTD method is based on Maxwell's equations and this thesis describe how to make these differential equations computer readable for numerical solution known as the Yee algorithm. Time step dependence on spatial step is examined here in order to obtain stable solution. Discrete Fourier trasform is defined to obtain frequency dependent transmission and reflection coefficients. Programmed simulation is tested on analytically solvable structures even on slightly more complex systems whose optical response was computed by other type of simulation. Finally photonic crystals and their application as biosensors are discussed. Particular shape of photonic crystal is examined in details (frequency spectrum dependence upon spatial resolution, inaccuracy in geometry, different compounds in holes, geometry modification).Fyzikální ústav UKInstitute of Physics of Charles UniversityMatematicko-fyzikální fakultaFaculty of Mathematics and Physic