Диссертация (Плазмонные гетероструктуры и фотонные кристаллы с перестраиваемыми оптическими свойствами), страница 8

Экваториальный эффект КерраВ ранних работах, посвященных возможности усиления магнитооптическихэффектов при возбуждении ППП, рассматривались случаи распространенияППП вдоль гладкой ферромагнитной пленки [85,86] или вдоль гладкой поверхности полупроводника, помещенного во внешнее магнитное поле [87, 88]. В такой конфигурации магнитное поле изменяет волновой вектор ППП, в то времякак поляризация поверхностной волны (ТМ) остается неизменной.Усиление ЭЭК при отражении света от пленок, в которых возбуждаютсяППП, обсуждалось в нескольких работах.

В работе [89] показано, что наибольшее усиление ЭЭК происходит при возбуждении ППП, обладающего большойдлиной распространения (“long-range”). В других работах рассматривались биметаллические пленки, состоящие из слоев ферромагнитного и благородного44  металлов. В таких структурах ППП распространяются на большие расстояниявдоль границы раздела благородного металла и воздуха, усиливая при этомЭЭК, который имеет место при отражении света от поверхности ферромагнетика [90-92].

Подобная система, состоящая из разнесенных на несколько десятковнанометров магнитооптической и плазмонной сред, позволяет усилить ЭЭК внесколько раз. Также показано, что подобные структуры могут быть использованы для увеличения чувствительности газовых сенсоров [93].Другим возможным решением проблемы усиления ЭЭК в плазмонныхструктурах может быть замена ферромагнитного металла на благородный, который обладает малым поглощением. При этом намагниченной средой являетсядиэлектрик. При этих условиях возбуждаемые ППП распространяются непосредственно в намагниченной среде, что приводит к еще большему усилениюЭЭК [94]. Такое решение выглядит оптимальным для случая гладких пленок.Изучение магнитооптических свойств наноструктурированных плазмонныхструктур началось 5 лет тому назад [95-105].

Особое внимание уделяется периодичности, наличие которой позволяет возбуждать распространяющиеся плазмонные моды и наблюдать их влияние на ЭЭК. Именно поэтому структуры такого типа могут быть классифицированы как плазмонные кристаллы. Существует несколько возможных конфигураций плазмонных кристаллов, содержащих магнитные среды (рис. 1.10).Резонансное усиление ЭЭК наблюдалось в решётках из Co, Fe и Ni [95-97,103] (рис. 1.10(а)). Хотя длина распространения lx ППП вдоль ферромагнитногометалла (см.

уравнение (1.24)) мала и не превышает нескольких микрометров,тем не менее, она составляет несколько периодов структуры. Поэтому периодичность структуры играет важную роль при возбуждении ППП.45  Рис. 1.10: Различные типы плазмонных кристаллов, содержащих магнитныесреды. (а) Одномерная никелевая пленка: схема (слева) и изображение, полученное в атомно-силовом микроскопе (АСМ) (справа) [95]. (б) ТрехслойнаяAu/Co/Au решетка на поликарбонатной подложке [98]. (в) Золотые диски натрехслойной Au/Co/Au пленке [106]. (г) Двумерная наногафрированная магнитная кобальтовая пленка на коллоидном кристалле из ПММА (полиметилметакрилат): изображение, полученное в сканирующем электронном микроскопе(СЭМ) (слева) и микрофотография сечения частиц, сделанная с помощьюGa-ионного пучка, покрытие кобальта выглядит, как светлый слой [100].

(д)Двумерный плазмонный кобальтовый кристалл: схема (слева) и изображение,полученное в СЭМ (справа) [101]. (е) Двумерный плазмонный кристалл из самоорганизующихся полимерных монослоев, расположенных на никелевой илизолотой подложке: схема (слева) и изображение, полученное в АСМ (справа)[102].46  В [95-97] сообщается, что при возбуждении плазмонных резонансов в решётке ЭЭК усиливается в несколько раз по сравнению со случаем гладкогоферромагнетика. ЭЭК также усиливается при отражении света от благородныхметаллов, помещенных в сильное магнитное поле [104].

Их магнитооптическиесвойства обусловлены силой Лоренца, действующей на электроны проводимости.Гибридные структуры, состоящие из нескольких слоев благородных и ферромагнитных металлов, также использовались в качестве плазмонных кристаллов [98, 105] (рис. 1.10(б)). Затухание распространяющихся ППП в подобныхструктурах значительно меньше, чем в чистых ферромагнитных металлах, поэтому эффект резонансного усиления ЭЭК имеет большую амплитуду.Усиление ЭЭК при возбуждении ППП происходит из-за смещения плазмонного резонанса в поперечном магнитном поле. Такое смещение имеет местотолько для распространяющихся (т.е. не локализованных) ППП.

Магнитное поле слабо влияет на положение резонансных частот локализованных плазмонов.Как следствие, при возбуждении локализованных плазмонов усиление ЭЭК ненаблюдается. Тем не менее, взаимодействие локализованных и распространяющихся поверхностных плазмонных мод приводит к изменению дисперсионнойхарактеристики ППП и, как следствие, к изменению сигнала при ЭЭК [97,106](рис. 1.10(в)). Помимо этого, локализованные ППП оказывают влияние на вторую гармонику ЭЭК, что было продемонстрировано экспериментально в работах [107].Случай, когда намагниченность материала перпендикулярна направлениюраспространения ППП, также интересен, так как при этом появляется эффектневзаимного оптического пропускания, когда коэффициенты пропусканияплазмонного кристалла со стороны золота и со стороны подложки значительноразличаются.

Если вместо благородного металла в плазмонном кристалле ис47  пользуется идеальный проводник, то на некоторых частотах кристалл являетсяабсолютно прозрачным в одном направлении и отражает практически все излучение, падающее на него с обратной стороны [108]. Этот эффект также объясняется смещением плазмонных резонансов при намагничивании кристалла.Главной проблемой всех вышеописанных подходов является то, что присутствие в структуре ферромагнитного металла приводит к относительно большим оптическим потерям.

Это ограничивает возможности применения наноструктурированных плазмонных материалов в магнитооптике. С другой стороны, если в структурах использовать только полупроводники или благородныеметаллы, без ферромагнитных металлов, то для получения того же по величинеЭЭК необходимо прикладывать огромные магнитные поля, составляющие несколько тесла. Именно поэтому плазмонные кристаллы, состоящие из ферромагнитных диэлектриков и благородных металлов, имеют больший потенциалдля практического применения.

Это подтверждается результатами исследований, проведенных в главах II и III данной работы.4.2. Поляризационные эффектыУсиление магнитооптических поляризационных эффектов при возбужденииППП происходит в двух случаях: когда намагниченность структуры перпендикулярна плоскости пленки или когда параллельна ей и коллинеарна направлению распространения ППП или волноводной моды в структуре.

К магнитооптическим поляризационным эффектам относятся эффект Фарадея и полярный имеридиональный эффекты Керра (см. §1.2 этой главы).В работе [109] рассмотрены оба случая взаимного расположения слоя гладкого полупроводника и вектора внешнего магнитного поля. Показано, что магнитное поле не вносит линейных по намагниченности изменений в дисперсиюплазмонных мод структуры, но влияет на компоненты электромагнитного поля.48  Поляризационные магнитооптические эффекты изучались в различныхмногослойных металло-диэлектрических системах с намагниченными металлическими или диэлектрическими слоями [110-113]. Одна из первых экспериментальных демонстраций влияния плазмонных мод на вращение плоскости поляризации описана в работе [114]. Авторы этой работы, без упоминания о поверхностных плазмонных волнах, сообщили об оптическом усилении керровскоговращения в тонкой железной пленке, намагниченной в меридиональномнаправлении.В ряде работ [112, 113] сообщалось об усилении полярного эффекта Керра.Однако такое усиление сопровождалось уменьшением интенсивности отраженного сигнала.

Об усилении эффекта Фарадея при возбуждении ППП сообщалосьв [110]. В качестве плазмонной структуры использовалась пленка из висмутзамещенного феррит-граната, покрытая шероховатым слоем золота. Был сделанвывод о том, что основной вклад в усиление эффекта Фарадея в подобных системах вносится поворотом поляризации ППП, возбуждаемых на границе раздела металла и диэлектрика.В работах [98-100,115-120] также изучались эффекты Фарадея и Керра впериодических металло-диэлектрических структурах.

В частности, авторы работы [115] экспериментально исследовали эффект Керра в полярной геометриипри отражении видимого света от перфорированной пленки из кобальта. Показано, что вблизи максимумов пропускания света эффект Керра ослабляется повеличине на порядок. В работах [116,117], посвященных изучению эффекта Фарадея, магнитная среда размещалась либо внутри отверстий в металле [116], либо сам металл являлся ферромагнетиком [117].Двумерные плазмонные кристаллы на основе пленки из кобальта рассматривались в [99] (рис. 1.10д).