Особенности усиления электромагнитного поля и увеличение плотности фотонных состояний в растительных фотоннокристаллических структурах
Шабанов А.В., Коршунов М.А., Буханов Е.Р.

Институт физики им. Л.В. Киренского, ФИЦ КНЦ СО РАН, Россия, г. Красноярск,

ФИЦ КНЦ СО РАН, Россия, г. Красноярск

Аннотация:
Проведены расчёты с использованием метода трансфер матриц одномерных фотонных кристаллов с низким контрастом и разнопериодными асимметричными структурами. Такие структуры были найдены во многих растениях. При состыковке двух последовательно соединённых подрешёток с разными периодами отмечается увеличение амплитуды электромагнитного поля и плотности фотонных состояний внутри структуры и их изменение в зависимости от асимметрии толщин подрешёток.

Ключевые слова:
фотонный кристалл, дефектная мода, фотонная запрещённая зона, слоистые периодические структуры, плотность фотонных состояний.

Цитирование:
Шабанов, А.В. Особенности усиления электромагнитного поля и увеличение плотности фотонных состояний в растительных фотонно-кристаллических структурах/ А.В. Шабанов, М.А. Коршунов, Е.Р. Буханов // Компьютерная оптика. – 2019. – Т. 43, № 2. – С. 231-237. – DOI: 10.18287/2412-6179-2019-43-2-231-237.

Литература:

  1. Mirkovic, T. Light absorption and energy transfer in the antenna complexes of photosynthetic organisms / T. Mirkovic, E.E. Ostroumov, J.M. Anna, R. van Grondelle, Govindjee, G.D. Scholes // Chemical Reviews. – 2017. – Vol. 117, Issue 2. – P. 249-293.
  2. Буханов, Е.Р. Оптические процессы в фотосинтезе / Е.Р. Буханов, М.А. Коршунов, А.В. Шабанов // Сибирский лесной журнал. – 2018. – № 5. – С. 19-32. – DOI: 10.15372/SJFS20180502.
  3. Jacobs, M. Photonic multilayer structure of Begonia chloroplasts enhances photosynthetic efficiency / M. Jacobs, M. Lopez-Garcia, O.-P. Phrathep, T. Lawson, R. Oulton, H.M. Whitney // Nature Plants. – 2016. – Vol. 24, Issue 16162. – P. 1-6.
  4. Hébant, C. Ultrastructural basis and developmental control of blue iridescence in Selaginella leaves / C. Hébant, D.W. Lee // American Journal of Botany. – 1984. – Vol. 71, Issue 2. – P. 216-219.
  5. Ghaffar, R. Adaptive responses of mature giant chloroplasts in the deep-shade lycopod Selaginella erythropus to prolonged light and dark periods / R. Ghaffar, M. Weidinger, B. Mahnert, M. Schagerl, I. Lichtscheidl // Plant, Cell and Environment. – 2018. – Vol. 41. – P. 1791-1805. – DOI: 10.1111/pce.13181.
  6. Glover, B.J. Structural colour and iridescence in plants: the poorly studied relations of pigment colour / B.J. Glover, H.M. Whitney // Annals of Botany. – 2010. – Vol. 105. – P. 505-511. – DOI: 10. 1093/aob/mcq007.
  7. Whitney, H.M. Contributions of iridescence to floral patterning / H.M. Whitney, M. Kolle, R. Alvarez-Fernandez, U. Steiner, B.J. Glover // Communicative & Integrative Biology. – 2009. – Vol. 2. – P. 230-232. – DOI: 10.4161/cib.2.3.8084.
  8. Pao, S.-H. Lamelloplasts and minichloroplasts in Begoniaceae: iridescence and photosynthetic functioning / S.-H. Pao, P.-Y. Tsai, C.-I. Peng, P.-J. Chen, C.-C. Tsai, E.-C. Yang, M.-C. Shih, J. Chen, J.-Y. Yang, P. Chesson, C.-R. Sheue // Journal of Plant Research. – 2018. – Vol. 131, Issue 4. – P. 655-670. – DOI: 10.1007/s10265-018-1020-2.
  9. Thomas, K.R. Function of blue iridescence in tropical understorey plants / K.R. Thomas, M. Kolle, H.M. Whitney, B.J. Glover, U. Steiner // Journal of The Royal Society Interface. – 2010. – Vol. 7. – P. 1699-1707. – DOI: 10.1098/rsif.2010.0201.
  10. Vignolini, S. Pointillist structural colour in Pollia fruit / S. Vignolini, P.J. Rudall, A.V. Rowland, A. Reed, E. Moyroud, R.B. Faden, J.J. Baumberg, B.J. Glover, U. Steiner // Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. – 2012. – Vol. 109, Issue 39. – P. 15712-15715. – DOI: 10.1073/pnas.1210105109.
  11. Lopez-Garcia, M. Light-induced dynamic structural color by intracellular 3D photonic crystals in brown algae / M. Lopez-Garcia, N. Masters, H.E. O’Brien, J. Lennon, G. Atkinson, M.J. Cryan, R. Oulton, H.M. Whitney // Science Advances. – 2018. – Vol. 4, Issue 4. – eaan8917. – DOI: 10.1126/sciadv.aan8917.
  12. Allen, W.A. Interaction of isotropic light with a compact plant leaf / W.A. Allen, H.W. Gausman, A.J. Richardson, J.R. Thomas // Journal of the Optical Society of America. – 1969. – Vol. 59, Issue 10. – P. 1376-1379. – DOI: 10.1364/JOSA.59.001376.
  13. Witt, H.T. Primary acts of energy conservation in the functional membrane of photosynthesis / H.T. Witt. – In: Bioenergetics of Photosynthesis / ed. by Govindjee. –  New York: Academic Press, 1975. – P. 493-554.
  14. Witt, H.T. Energy conversion in the functional membrane of photosynthesis. Analysis by light pulse and electric pulse methods. The central role of the electric field / H.T. Witt // Biochimica et Biophysica Acta. – 1979. – Vol. 505, Issues 3-4. – P. 355-427.
  15. Елисеева, С.В. Поля и спектры одномерного фотонного кристалла с дефектом инверсионного типа / С.В. Елисеева, В.А. Остаточников, Д.И. Семенцов // Компьютерная оптика. – 2012. – T. 36, № 1. – C. 14-20.
  16. Doskolovich, L.L. Spatial differentiation of optical beams using phase-shifted Bragg grating / L.L. Doskolovich, D.A. Bykov, E.A. Bezus, V.A. Soifer // Optics Letters. – 2014. – Vol. 39, Issue 5. – P. 1278-1281. – DOI: 10.1364/OL.39.001278.
  17. Bykov, D.A. Optical computation of the Laplace operator using phase-shifted Bragg grating / D.A. Bykov, L.L. Doskolovich, E.A. Bezus, V.A. Soifer // Optics Express. – 2014. – Vol. 22, Issue 21. – P. 25084-25092. – DOI: 10.1364/OE.22.025084.
  18. Golovastikov, N.V. Spatial optical integrator based on phase-shifted Bragg gratings / N.V. Golovastikov, D.A. Bykov, L.L. Doskolovich, E.A. Bezus // Optics Communications. – 2015. – Vol. 338. – P. 457-460. – DOI: 10.1016/j.optcom.2014.11.007.
  19. Nasedkina, Y.F. Transformation of a Gaussian pulse when interacting with a one-dimensional photonic crystal with an inversion defect / Y.F. Nasedkina, S.V. Eliseeva, D.I. Sementsov // Photonics and Nanostructures – Fundamentals and Applications. – 2016. – Vol. 19. – P. 31-38.
  20. Dadoenkova, Yu.S. Reshaping of Gaussian light pulses transmitted through one-dimensional photonic crystals with two defect layers / Yu.S. Dadoenkova, N.N. Dadoenkova, I.L. Lyubchanskii, D.I. Sementsov // Applied Optics. – 2016. – Vol. 55. – P. 3764-3770.
  21. Abram, R.A. A study of a phase formalism for calculating the cumulative density of states of one-dimensional photonic crystals / R.A. Abram, A.A. Greshnov, S. Brand, M.A. Kaliteevski // Journal of Modern Optics. – 2017. – Vol. 64, Issue 15. – P. 1501-1509.
  22. Шабанов, А.В. Исследование  эктромагнитного поля в одномерных фотонных кристаллах с дефектами / А.В. Шабанов, М.А. Коршунов, Е.Р. Буханов // Компьютерная оптика. – 2017. – Т. 41, №5. – С. 680-686. – DOI: 10.18287/2412-6179-2017-41-5-680-686.
  23. Bendickson, J.M. Analytic expressions for the electromagnetic mode density in finite, one-dimensional, photonic band-gap structures / J.M. Bendickson, J.P. Dowling, M. Scalora // Physical Review E. – 1996. – Vol. 53. – P. 4107-4121.
  24. Шабанов, В.Ф. Оптика реальных фотонных кристаллов. Жидкокристаллические дефекты, неоднородности / В.Ф. Шабанов, С.Я. Ветров, А.В. Шабанов. – Новосибирск: Издательство СО РАН, 2005. – 209 c. – ISBN: 5- 7692-0737-X.
  25. Vats, N. Theory of fluorescence in photonic crystals / N. Vats, S. John, K. Busch // Physical Review A. – 2002. – Vol. 65. – 043808.
  26. Schmidtkea, J. Fluorescence of a dye-doped cholesteric liquid crystal film in the region of the stop band: theory and experiment / J. Schmidtkea, W. Stille // The European Physical Journal B. – 2003. – Vol. 31. – P. 179-194. – DOI:  10.1140/epjb/e2003-00022-x.
  27. D’Aguanno, G. Density of modes and tunneling times in finite one-dimensional photonic crystals: A comprehensive analysis / G. D’Aguanno, N. Mattiucci, M. Scalora, M.J. Bloemer, A.M. Zheltikov // Physical Review E. – 2004. – Vol. 70. – 016612.
  28. D’Aguanno, G. Photonic band edge effects in finite structures and applications to x2 interactions / G. D’Aguanno, M. Centini, M. Scalora, C. Sibilia, Y. Dumeige, P. Vidakovic, J.A. Levenson, M.J. Bloemer, C.M. Bowden, J.W. Haus, M. Bertolotti // Physical Review E. – 2001. – Vol. 64. – 016609.
  29. Kirchhoff, H. Dynamic control of protein diffusion within the granal thylakoid lumen / H. Kirchhoff, C. Hall, M. Wood, M. Herbstova, O. Tsabari, R. Nevo, D. Charuvi, E. Shimoni, Z. Reich // Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. – 2011. – Vol. 108, Issue 50. – P. 20249-20253.

© 2009, IPSI RAS
Россия, 443001, Самара, ул. Молодогвардейская, 151; электронная почта: ko@smr.ru ; тел: +7 (846) 242-41-24 (ответственный секретарь), +7 (846) 332-56-22 (технический редактор), факс: +7 (846) 332-56-20