Автореферат (Плазмонные гетероструктуры и фотонные кристаллы с перестраиваемыми оптическими свойствами)

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТимени М.В. ЛОМОНОСОВА_______________________________________________________________ФИЗИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТНа правах рукописиУДК537.62, 538.955Белотелов Владимир ИгоревичПЛАЗМОННЫЕ ГЕТЕРОСТРУКТУРЫ И ФОТОННЫЕКРИСТАЛЛЫ С ПЕРЕСТРАИВАЕМЫМИ ОПТИЧЕСКИМИСВОЙСТВАМИ01.04.03 — радиофизикаАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степенидоктора физико-математических наукМОСКВА – 2012Работа выполнена на кафедре фотоники и физики микроволн физического факультета Московского государственного университета имени М.В.

ЛомоносоваОфициальные оппоненты:Тиходеев Сергей Григорьевич,доктор физико-математических наук, профессор,Институт общей физики имени А.М. ПрохороваРАН, заведующий лабораториейПисарев Роман Васильевич,доктор физико-математических наук, профессор,Физико-технический институт имени А.Ф. ИоффеРАН, заведующий лабораториейФедянин Андрей Анатольевич,доктор физико-математических наук, профессор,МГУ имени М.В.

Ломоносова, заместитель деканаВедущая организация:Институт физики микроструктур РАНЗащита диссертации состоится «14» февраля 2013 года в 16 часов на заседаниидиссертационного совета Д 501.001.67 на физическом факультете Московскогогосударственного университета имени М.В. Ломоносова по адресу: 119991,г.

Москва, ГСП-1, Ленинские Горы, МГУ, физический факультет, физическаяаудитория имени Р.В. Хохлова.С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке физического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова.Автореферат разослан «» декабря 2012 года.Ученый секретарьдиссертационного совета Д 501.001.67кандидат физико-математических наукКоролев А.Ф.1ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫДиссертационная работа В.И.

Белотелова посвящена теоретическому и экспериментальному исследованию взаимодействия оптического излучения с периодическими наноструктурами, оптические свойства которых могут быть модифицированы посредством внешнего воздействия: магнитного поля, интенсивного лазерного излучения или акустической волны. Одной из основных задач диссертации является разработка новых наноструктурированных материалов, в которых за счетспециально подобранной структуры возникают резонансные явления, приводящиек существенному усилению оптических и магнитооптических эффектов, связанных с изменениями интенсивности и поляризации света. В работе представленырезультаты исследований, выполненных автором на кафедре фотоники и физикимикроволн физического факультета МГУ имени М.В.

Ломоносова в период 20042012 г.г. по специальности 01.04.03 ‒ радиофизика.Актуальность работы связана с быстрым развитием современных телекоммуникационных технологий, для которых является критическим переход к передачеи обработке информации посредством электромагнитных волн оптического диапазона. Проведенные исследования в основном связаны с взаимодействием электромагнитного излучения с наноструктурами. В последнее десятилетие большое распространение получил подход, связанный с наноструктурированием оптическихматериалов.

Он представляет собой новую парадигму в современной оптике, врамках которой возникает возможность создавать материалы с заданными оптическими свойствами. Причем возникающие резонансы обусловлены в основном неэлектронной, а геометрической структурой материала. При этом большую рольиграют электромагнитные моды материала, поскольку их возбуждение приводит кнаиболее эффективному взаимодействию падающего излучения с наноструктурированным материалом, а, следовательно, и к наиболее выраженным резонансамразличных оптических эффектов, в том числе, магнитооптических.

Наряду с этим,в настоящее время существует необходимость модулировать с помощью периодических структур характеристики не только прошедшего или отраженного излучения в дальнем оптическом поле, но и собственных волн в ближнем оптическомполе. Это, в частности, важно для интегральной оптики, в которой информационные потоки передаются импульсами волноводных мод или поверхностных плазмон-поляритонов.

Изучение взаимодействие оптического излучения с наноструктурированными материалами вблизи их резонансов имеет большую фундаментальную значимость. На данный момент оптика и магнитооптика периодических2структурированных сред, содержащих металлы и магнитные материалы, развитане достаточно. До сих пор мало исследовано, как магнитооптические эффекты, хорошо изученные для однородных пленок, модифицируются в структурированныхматериалах.

Так же не вполне исследована взаимосвязь резонансных особенностейэтих эффектов с возбуждением собственных волн структуры. В работе поднимается такой актуальный вопрос, как возможность управления электромагнитнымимодами в периодически структурированных материалах посредством внешнегомагнитного поля или воздействия лазерным импульсом.Целью диссертационной работы является изучение резонансных явлений,возникающих при взаимодействии оптического излучения с периодическиминаноструктурами, содержащими металлические и магнитные материалы, и разработка новых наноструктурированных материалов для эффективного контроляэлектромагнитных волн в ближнем и дальнем оптических полях.Научная новизна работы состоит в следующем:предложен и разработан новый наноструктурированный материал - магнитныйплазмонный кристалл, позволяющий эффективно управлять поляризацией иинтенсивностью света и поверхностными плазмон-поляритонами посредствомвнешнего магнитного поля;впервые исследовано резонансное усиление магнитооптических эффектов вмагнитных плазмонных кристаллах и создана теория этого усиления;впервые созданы образцы магнитных плазмонных кристаллов и экспериментально обнаружено резонансное усиление в них экваториального эффекта Керра в 103 раз и эффекта Фарадея в 10 раз по сравнению с магнитными пленкамибез плазмонного слоя;предсказан и экспериментально продемонстрирован магнитооптический интенсивностный эффект, возникающий в плазмонных кристаллах за счет возбуждения волноводных мод в волноведущем слое, намагниченном меридионально, т.е.

в плоскости пленки и вдоль направления распространения моды;создана теория резонансного увеличения эффекта Фарадея и других магнитооптических эффектов в магнитных фотонных кристаллах и получены аналитические выражения для удельного угла Фарадея, которые хорошо согласуются сданными экспериментов;теоретически предсказан обратный экваториальный эффект Керра;3впервые экспериментально продемонстрировано управление коэффициентамипропускания и отражения, а также поверхностными плазмон-поляритонами вплазмонном кристалле при воздействии фемтосекундным лазерным импульсом(плотность энергии импульса ~ 500 мкДж/см2);впервые экспериментально получена модуляция плазмонного резонанса вплазмонном кристалле посредством импульса приповерхностной акустическойволны на частотах вплоть до 110 ГГц;предложен и разработан новый металло-диэлектрический материал - градиентный плазмонный кристалл с медленно меняющимися в пространстве геометрическими параметрами (ширина щелей или отверстий в диэлектрической части кристалла) для управления фемтосекундными импульсами поверхностныхплазмон-поляритонов, распространяющихся вдоль структуры.Достоверность представленных в диссертационной работе результатов под-тверждается соответствием теоретических результатов данным проведенных экспериментов, а также теоретическим расчетам и экспериментальным данным, полученным в работах других авторов.Практическая значимость работы определяется следующими результатами.Предложенный и разработанный магнитный плазмонный кристалл позволяет эффективно управлять поляризацией и интенсивностью света и плазмонными колебаниями посредством магнитного поля.

Данный материал открывает новый способмагнитооптической записи и считывания информации и перспективен для информационных технологий.Важно отметить, что полученные плазмонные кристаллы позволяют существенно увеличить эффективность управления светом и плазмонами не толькомагнитным полем, но и другими внешними воздействиями: фемтосекундным лазерным импульсом или субтерагерцовыми фононами.

Кроме того, предложенныйв работе градиентный плазмонный кристалл позволяет ускорять или замедлятьплазмонные импульсы. Это очень важно для нового поколения устройств сверхбыстрой оптической обработки информации, в которых информация передаетсяплазмонными импульсами. Кроме того, плазмонные кристаллы значительно расширяют элементную базу устройств интегральной оптики, поскольку они легковписываются в планарную технологию и могут быть использованы в качестве сенсора магнитного поля, оптического циркулятора и оптического модулятора.4Другим практически важным объектом исследований данной работы являютсямагнитные фотонные кристаллы. Благодаря явлению резонансного увеличенияэффекта Фарадея, предложено использовать магнитные фотонные кристаллы длясоздания миниатюрных (размер порядка нескольких микронов) модуляторов интенсивности света и оптического затвора. Показано, что сверхбыстрый откликнамагниченности материала на изменение внешнего магнитного поля позволяетизменять интенсивность света с частотой вплоть до 50 ГГц, что соответствует требованиям современных телекоммуникационных систем.

Модуляторы интенсивности света необходимы для обработки информации в интегральных оптическихсхемах нового поколения. Они также могут быть использованы в дисплеях итранспарантах. В работе разработана концепция применения магнитных фотонныхкристаллов для создания сенсоров магнитного поля. Сенсоры магнитного поля,помимо научных применений, могут быть использованы, например, для контроляутечек нефти из нефтепровода.На защиту выносятся следующие основные положения:Теория усиления магнитооптических эффектов в магнитных плазмонных кристаллах.Экспериментальное обнаружение усиления в плазмонных кристаллах экваториального эффекта Керра в 103 раз и эффекта Фарадея в 10 раз по сравнению смагнитными пленками без плазмонного слоя.Предсказание и экспериментальная демонстрация магнитооптического интенсивностного эффекта в магнитных плазмонных кристаллах, намагниченныхперпендикулярно щелям золотой решетки.Теория резонансного увеличение эффекта Фарадея в магнитных фотонныхкристаллах.Теоретическое предсказание обратного экваториального эффекта Керра.Метод управления дисперсией поверхностных плазмон-поляритонов и интенсивностью объемной световой волны при воздействии на плазмонный кристалл фемтосекундными лазерными импульсами.Первонаблюдение субтерагерцовой модуляции плазмонного резонанса импульсами акустических волн в плазмонном кристалле.Разработка градиентного плазмонного кристалла для управления прохождением и дисперсией импульсов поверхностных плазмон-поляритонов.5Апробация работы.

Основные результаты исследований, представленных вдиссертации, докладывались и обсуждались на следующих профильных научныхконференциях: XIV International Conference on Phonon Scattering in Condensed Matter (Ann Arbor, MI USA, 2012), International conference “Summer School on Plasmonics” (Porquerolles, France, 2009, 2011), Международная конференция молодых ученых и специалистов "Оптика-2011" (Санкт-Петербург, 2005, 2007, 2009, 2011),Международная молодёжная научная школа "Когерентная оптика и оптическаяспектроскопия" (Казань, 2006-2011), 11th International Conference on Laser and Fiber-Optical Networks Modeling (Kharkov, Ukraine, 2011), Moscow International Symposium on Magnetism (Москва, 2005, 2008, 2011), Magnetics and Optics Research International Symposium (Неймеген, Голландия, 2011), Всероссийская школа-семинар"Физика и применение микроволн" (Звенигород, Московская обл., 2006, 2009,2010, 2011, 2012), International Conference “Fundamental Problems of Optics (St.