Dynamika polaritonů v mikrodutinách

Transkript

1 Dynamika polaritonů v mikrodutinách Název v jazyce práce: Dynamika polaritonů v mikrodutinách Název v anglickém jazyce: Polariton dynamics in microcavities Vedoucí / školitel: RNDr. Tomáš Ostatnický, Ph.D. Datum vypsání: Student se seznámí s pojmem optického rezonátoru, mikrorezonátoru a s konceptem polaritonu v mikrorezonátoru. Na základě známé disperse polaritonů v mikrodutinách popíše šíření plynu 2D polaritonů v dutině rezonátoru. M. Born, E. Wolf: Principles of Optics, Cambridge University Press, Cambridge, 1999 J.-C. Diels, W. Rudolph: Ultrashort laser pulse phenomena, Academic Press, San Diego, 1996 A. V. Kavokin, J. J. Baumberg, G. Malpuech, F. P. Laussy: Microcavities, Oxford University Press, Oxford, 2007 Časopisecká literatura Upoutávka Optické rezonátory je možné konstruovat s využitím moderních nanotechnologií v rozměrech srovnatelných s vlnovou délkou světla. Díky tomu je možné zesílit interakci mezi fotony uzavřenými v mikroskopickém rezonátoru a materiálem ("aktivním prostředím") uvnitř rezonátoru natolik, že světlo a elektrony v materiálu se stanou od sebe nerozlišitelné - vzniklou směs hmoty a světla popisujeme s pomocí konceptu kvazičástic polaritonů. Tyto polaritony mají celkem známe fyzikální vlastnosti, které závisejí na konkrétní podobě rezonátoru a na materiálových vlastnostech prostředí, ve kterém vznikají. Díky fotonové složce si zachovávají pohyblivost, díky které se snadno šíří v rovině rezonátoru. Úkolem bakalářské práce bude popsat některé jevy spojené se šířením světla ve dvou rozměrech. 10:59:59]

2 Dynamika spinů v magnetických nanostrukturách Název v jazyce práce: Dynamika spinů v magnetických nanostrukturách Název v anglickém jazyce: Spin dynamics in magnetic nanostructures Vedoucí / školitel: RNDr. Tomáš Ostatnický, Ph.D. Datum vypsání: Student se v rámci bakalářské práce seznámí s pojmem spinu v pevné látce a spin-spinovými interakcemi. Následně se seznámí se softwarem pro numerické výpočty spinové dynamiky a s jeho pomocí provede numerické simulace pro konkrétní zadaný případ uvažované nanostruktury. Burkard Hillebrands, Andre Thiaville (Eds.): Spin dynamics in confined magnetic structures, Springer, Berlin, Daniel D. Stancil, Anil Prabhakar: Spin waves : theory and applications, Springer, New York, internetové zdroje (dokumentace k software) Upoutávka Souhlasná orientace elektronových spinů v pevné látce má za následek vznik makroskopického (tedy z vnějšku pozorovatelného) magnetického pole, které je možné využívat např. pro záznam informace (pevné disky, magnetické pásky), její dočasné uchování (počítačové paměti) nebo případně i pro zpracování informace. Studium dynamiky elektronových spinů na základní úrovni pak přináší cenné informace pro budoucí aplikace. Pro účely 3D modelování časového vývoje interagujících mikromagnetů existuje robustní nekomerční software OOMMF, kterému je třeba zadat počáteční podmínky a výstupní data zpracovat do člověkem čitelné podoby. Úkolem pro studenta v rámci bakalářské práce bude seznámit se se softwarem a naučit se s ním pracovat do té míry, aby byl schopen definovat nanostrukturu složenou z vrstev různých materiálů, zadat počáteční natočení spinů v struktuře, provést samotnou simulaci a nakonec výstupní data zpracovat. 11:00:18]

3 Generace součtové frekvence v daleké UV oblasti Název v jazyce práce: Generace součtové frekvence v daleké UV oblasti Název v anglickém jazyce: Sum-frequency generation in far-uv spectral region nelineární optika, femtosekundové laserové pulzy, generace součtové frekvence nonlinear optics, femtosecond laser pulses, sum-frequency generation Jazyk práce: Vedoucí / školitel: RNDr. Martin Kozák, Ph.D. Datum vypsání: Ke změně vlnové délky světla se v oblasti fyziky ultrakrátkých pulzů používají tzv. parametrické procesy. Jedná se o nelineárně optickou interakci s látkou, kdy ze dvou vstupních fotonů vznikne foton s energií odpovídající součtu či rozdílu energií původních fotonů. K těmto účelům se využívají tzv. nelineární krystaly, jejichž krystalická struktura nemá střed symetrie, díky čemuž vykazují nenulovou nelineární susceptibilitu druhého řádu. Cílem práce bude teoreticky popsat generaci součtové frekvence v materiálu BBO (beta-barium borate) pro spektrální obor generovaného záření v daleké UV oblasti ( nm). Konkrétně se bude jednat o výpočet ladící křivky a odhad účinnosti generace ze známých parametrů vstupních pulzů. V experimentální části práce se student zaměří na stavbu experimentálního uspořádání pro generaci UV pulzů z výstupu z optického parametrického zesilovače a na charakterizaci generovaných pulzů. P. Malý: Optika, Karolinum, Praha B. E. A. Saleh, M. C. Teich: Základy fotoniky, Matfyzpress, Praha R. W. Boyd: Nonlinear Optics, Academic Press, :57:24]

4 Geometrická optika ve vlnovodech Název v jazyce práce: Geometrická optika ve vlnovodech Název v anglickém jazyce: Ray optics in waveuides Vedoucí / školitel: RNDr. Tomáš Ostatnický, Ph.D. Datum vypsání: Úkolem při řešení bakalářské práce bude seznámení se studenta s problematikou polarizace světla, šíření polarizovaného světla a okrajových podmínek s uvážením geometrie optického vlnovodu na úrovni elektromagnetické optiky (Maxwellových rovnic). Teorie elektromagnetické optiky bude aplikována na efektivně dvoudimenzionální fotony s cílem popsat základní zákony geometrické optiky ve vlnovodech: odraz a lom, difrakci. Důraz bude kladen na polarizaci světla a její změny při průchodu přes geomtrická rozhraní mezi prostředími s různými optickými vlastnostmi. M. Born, E. Wolf: Principles of Optics, Cambridge University Press, Cambridge, A. W. Snyder, J. D. Love: Optical Waveguide Theory, Chapman&Hall, London, Časopisecká literatura Upoutávka Šíření elektromagnetických vln ve vlnovodných strukturách je plně popsáno klasickými Maxwellovými rovnicemi a dokonce je možné odvodit zákony geometrické optiky pro podobné systémy. Narozdíl od třírozměrného prostoru, dvourozměrné fotony nemusejí mít vždy polarizaci kolmou na směr šíření, a z toho plynou některé velmi důležité odlišnosti 3D a 2D geometrické optiky: polarizace světla se tak například nemusí zachovávat při odrazu a lomu apod. Student se seznámí s popisem 2D fotonů, jejich základními vlastnostmi a zaměří se na jeden nebo více aspektů geometrické optiky ve 2D, pro které odvodí relevantní teoretické vztahy: zákony odrazu a lomu, difrakce, rozptyl světla. 11:57:34]

5 Charakterizace spektrografu s CCD kamerou Název v jazyce práce: Charakterizace spektrografu s CCD kamerou Název v anglickém jazyce: Characterization of spectrograph with CCD camera Vedoucí / školitel: doc. RNDr. Petr Němec, Ph.D. Datum vypsání: Optická spektroskopie je velice účinným nástrojem pro materiálový výzkum. Výhodou této metody je, že studium vzorků pomocí optického záření je nedestruktivní a nevyžaduje elektrické kontakty. Základní princip této metody spočívá v tom, že se měří spektrální složení změn vyvolaných v dopadajícím světle studovanou látkou (například vlivem absorpce, emise nebo rozptylu fotonů). K rozkladu světla do jednotlivých spektrálních složek se nejčastěji používá spektrograf, na jehož výstupu je umístěný citlivý detektor světla CCD kamera. Náplní bakalářské práce je podrobné proměření vlastností spektrografu s CCD kamerou, které byly v nedávné době zakoupeny do Laboratoře OptoSpintroniky. V případě spektrografu se bude jednat zejména o charakterizaci vlastností různých difrakčních mřížek z hlediska jejich spektrální odezvy a dosažitelného spektrálního rozlišení. U CCD kamery pak bude hlavním cílem nalezení optimálního režimu pro detekci velmi slabých signálů. 1. V. Dědič: Charakterizace CCD kamery a vybraná měření. Bakalářská práce. MFF UK, Praha, P. Malý: Optika, Karolinum, B. E. A. Saleh, M.C, Teich: Základy fotoniky, matfyzpress, Praha, :57:43]

6 Magneto-optická charakterizace nových materiálů pro spintroniku Název v jazyce práce: Magneto-optická charakterizace nových materiálů pro spintroniku Název v anglickém jazyce: Magneto-optical characterization of novel materials for spintronics Vedoucí / školitel: RNDr. Eva Schmoranzerová, Ph.D. doc. RNDr. Petr Němec, Ph.D. Datum vypsání: Spintronika je odvětví elektroniky, v němž je k uchování a zpracování informace využit kromě náboje nosičů také jejich magnetický moment - spin. Důležitý požadavek pro úspěšnou implementaci spintronických součástek je kladen na materiálový výzkum, jenž má za cíl připravit strukturu vhodnou pro externí manipulaci se spinovými momenty. Takovou strukturou mohou být např. uměle zhotovené feromagnetické či antiferomagnetické polovodiče. Velice silný nástroj pro magnetickou charakterizaci nově připravených systémů pak poskytuje magnetooptika, která prostřednictvím interakce světla s magnetickým polem v materiálu umožňuje studovat nedestruktivním způsobem jeho magnetickou anizotropii, koercitivní pole a další magnetické parametry. Cílem této práce je sestavení univerzálního experimentálního uspořádání, které umožní magneto-optickou detekci hysterézních smyček v širokém spektrálním rozsahu s co největší variabilitou geometrie (úhel dopadu, úhel magnetického pole). Student se bude podílet na konstrukci a charakterizaci nového elektromagnetu a následném testování experimentálního uspořádání na různých materiálech, například na vzorcích feromagnetického polovodiče (Ga,Mn)As. 1. A. K. Zvezdin, V. A. Kotov, Modern Magnetooptics and Magnetooptical Materials, Institute of Physics Publishing, Bristol/Philadelphia B. Sedlák, I. Štoll, Elektřina a magnetismus, Academia, Praha časopisecká literatura 11:57:57]

7 Měření účinnosti generování druhé harmonické frekvence Název v jazyce práce: Měření účinnosti generování druhé harmonické frekvence Název v anglickém jazyce: Investigation of second harmonic generation efficiency Vedoucí / školitel: doc. RNDr. Petr Němec, Ph.D. Datum vypsání: Vynález laseru umožnil objevy mnoha efektů, které jsou při použití klasických zdrojů světla nepozorovatelné. Jedním z nich je generování druhé harmonické frekvence, což je nelineární optický jev, díky kterému dochází ke zmenšení vlnové délky světla například z červeného světla vzniká světlo modré. Pro praktické aplikace je ale nutné nalézt materiály, které budou mít velikou účinnost tohoto jevu. Příprava nových materiálů s takto cíleně optimalizovanými vlastnostmi je oblast materiálového výzkumu, která se nachází na rozhraní mezi chemií a fyzikou. V úvodu této bakalářské práce se student seznámí s teoretickými základy generování druhé harmonické frekvence a různými experimentálními metodami, které umožňují změřit účinnost této generace v látkách nacházejících se v různých skupenstvích (kapalných a pevných). Jedná se například o měření hyper-rayleighova rozptylu, kde dochází ke generaci druhé harmonické frekvence v jednotlivých izolovaných molekulách v roztoku. Dále se jedná o tzv. práškovou metodu, kdy studovaná látka je ve formě zrn. V experimentální části práce se student bude ve femtosekudové laserové laboratoři podílet na měření účinnosti tohoto jevu v nových materiálech, které připravují naši kolegové na Přírodovědecké fakultě UK. Získané výsledky budou použity jako zpětná vazba pro optimalizaci molekulární struktury studovaných látek za účelem maximalizace této účinnosti. 1. I. Matulková, I. Němec, P. Němec: Materiály pro generování druhé harmonické frekvence, Čs. čas. fyz. 61, (2011). 2. P. Malý: Optika, Karolinum, B. E. A. Saleh, M.C, Teich: Základy fotoniky, matfyzpress, Praha, :58:05]

8 Nelineární optické vlastnosti kovů Název v jazyce práce: Nelineární optické vlastnosti kovů Název v anglickém jazyce: Nonlinear optical properties of metals nelineární optika, femtosekundové laserové pulzy, kovy nonlinear optics, femtosecond laser pulses, metals Jazyk práce: Vedoucí / školitel: RNDr. Martin Kozák, Ph.D. Datum vypsání: V pevných látkách dochází při interakci s ultrakrátkými laserovými pulzy k zajímavým jevům, kdy např. index lomu či absorpční koeficient přestávají být konstantami a závisí na intenzitě světla. Tyto nelineárně optické efekty se uplatňují nejen v dielektrických látkách, ale mohou být přítomny obecně v jakémkoli materiálu. Kovy mají v optických laboratořích nezastupitelnou roli, jelikož se používají ke změně směru šíření laserových svazků pomocí odrazů od kovových zrcátek. Znalost jejich nelineárních optických vlastností je tedy důležitá, jelikož nám umožní určit míru ovlivnění odrazivosti při použití vysokých optických intenzit. V naší laboratoři máme k dispozici zdroj silných femtosekundových laserových pulzů. Náplní práce bude studovat nelineární interakci těchto pulzů s kovovými zrcátky (stříbro, zlato, hliník) pomocí některé z nelineárně optických experimentálních metod (z-sken z odrazu, povrchová generace druhé či třetí harmonické frekvence). Cílem bude změřit velikost optických nelinearit v těchto materiálech na několika vybraných vlnových délkách. P. Malý: Optika, Karolinum, Praha B. E. A. Saleh, M. C. Teich: Základy fotoniky, Matfyzpress, Praha R. W. Boyd: Nonlinear Optics, Academic Press, :58:12]

9 Průchod polarizovaných optických svazků jednoduchými optickými elementy Název v jazyce práce: Průchod polarizovaných optických svazků jednoduchými optickými elementy Název v anglickém jazyce: Transmission of polarized optical beams through simple optical elements Vedoucí / školitel: RNDr. Tomáš Ostatnický, Ph.D. Datum vypsání: Úkolem při řešení bakalářské práce bude seznámení se studenta s problematikou polarizace světla, šíření polarizovaného světla a měření polarizace na úrovni elektromagnetické optiky (Maxwellových rovnic). Následně budou znalosti aplikovány na popis průchodu polarizovaného světla reálnými optickými prvky (čočkou apod.) se zřetelem na stupeň polarizace a difrakci světla po průchodu optickým prvkem. Výsledkem práce by měl být odhad, do jaké míry mohou jednotlivé prvky v reálném optickém experimentu ovlivnit měření velmi citlivá na polarizační stav detekovaného světla. M. Born, E. Wolf: Principles of Optics, Cambridge University Press, Cambridge, 1999 J.-C. Diels, W. Rudolph: Ultrashort laser pulse phenomena, Academic Press, San Diego, 1996 Časopisecká literatura Upoutávka Na základě geometrické optiky je možné stanovit zákony pro lom a odraz světla na rozhraní dielektrik, zákony pro tvarování optických svazků při průchodu základními optickými prvky jako např. čočkami apod. Takovýto geometrický popis nebere ale do úvahy vlnové a polarizační vlastnosti světla, na úrovni běžných optických aplikací to ale není třeba. Na druhou stranu, v optické spektroskopii, která může být velmi citlivá na stupeň polarizace světla, je třeba brát do úvahy všechny potenciální odchylky od ideálního zobrazení. Prochází-li polarizované světlo přes lámavé plochy čočky, úhel sevřený polarizační rovinou a rovinou dopadu světla je obecně funkcí polohy paprsku na povrchu čočky. Aplikací Fresnelových vzorců snadno zjistíme, že to má za následek změnu polarizačního stavu světla, a to navíc prostorově závislou. Pro optická měření stupně polarizace světla je pak důležité stanovit, nakolik jsou měření tímto jevem ovlivněna. 11:58:18]

10 Vydělování femtosekundových laserových pulzů Název v jazyce práce: Vydělování femtosekundových laserových pulzů Název v anglickém jazyce: Selection of femtosecond laser pulses Vedoucí / školitel: doc. RNDr. František Trojánek, Ph.D. Datum vypsání: U pulzních laserů s vysokou opakovací frekvencí (řádově MHz) je pro řadu optických měření nutno tuto frekvenci snížit. K tomu se používá tzv. vydělovač pulzů (pulse selector). Základem jeho činnosti je akustooptický modulátor, který pomocí Braggovy difrakce je schopen vydělovat pulzy s frekvencí 1 Hz - 4 MHz. Tím se časová vzdálenost mezi jednotlivými laserovými pulzy zvětší z nanosekund na mikrosekundy či milisekundy. Bakalářská práce bude s využitím femtosekundového laserového systému, jehož opakovací frekvence je 80 MHz, zaměřena na instalaci vydělovače pulzů do experimentálního uspořádání, změření jeho vlastností a jeho optimalizaci. Závěrem budou provedeny měření časově rozlišené luminiscence s vydělovačem pulzů. Pulse Selector Model 3980, Spectra Physics, User's Manual. B. E. A. Saleh, M. C. Teich: Základy fotoniky, Matfyzpress, Praha R. Boyd, Nonlinear Optics, Academic Press, :58:25]