Диссертация (Магнитоиндуцированные эффекты в оптическом и нелинейно-оптическом отклике металлических наноструктур), страница 4

В то же время,в работе [24] было экспериментально продемонстрировано возбуждениелокального плазмона в наношариках из никеля, являющегося худшимпроводником. В работе исследовались спектры отражения наночастицникеля диаметром ∼ 10 нм находящихся в матрице SiO2 и показаноусиление поглощения в окрестности длины волны 330 нм, что совпалос теоретически рассчитанным положением плазмонного резонанса.Возможность наблюдения плазмона была также показана в структуре изпараллельно расположенных нитей никеля диаметром 40-180 нм и длиной5 мкм [25].На поверхности металлов (точнее, на границе раздела сред сположительной и отрицательной диэлектрической проницаемостями)также могут существовать связанные колебания электромагнитного поляи электронного газа в металле, распространяющиеся вдоль границыраздела и называющиеся поверхностными плазмон-поляритонами [39].Стоит отметить работу [40], где наблюдался достаточно добротныйрезонанс, связанный с возбуждением плазмон-поляритонов на границевоздух/никель, что также подтверждает возможность наблюденияплазмонных эффектов в металлах, обладающих низкой проводимостью,подобных никелю.1.2.2.Плазмонный резонанс в продолговатых частицахСуществуют ряд факторов, влияющих на величину и спектральноеположение плазмонных мод металлических наночастиц и соответствующихфакторов локальных оптических полей.

Прежде всего – снятиевырождения и частотное расщепление собственных плазмонных модметаллической частицы при отклонении её формы от сферической.Вторым фактором, определяющим плазмонный спектр индивидуальнойчастицы, является диэлектрическая проницаемость окружающей средыили сред, если рассматриваются частицы на подложке. Увеличениедиэлектрической проницаемости приводит к длинноволновому сдвигуплазмонного резонанса. И, наконец, плазмонный спектр ансамбля19металлических частиц в значительной степени определяется дипольнымвзаимодействием между частицами, а, следовательно, их поверхностнойплотностью в пленке. В общем случае собственные моды произвольнойчастицы описываются решениями интегрального уравнения [41]:∫︁ − 1^ − ⃗′ ) * (⃗′ )⃗′ , (⃗) =(⃗(1.11)4^ − ⃗′ ) = ∇′ ∇′ 1 , (∇∇) = 2 .где функция Грина (⃗ |⃗−⃗′ |Поле внутри изолированного однородного эллипсоида с полуосями a,b(, ≪ /) выглядит следующим образом (где ось сонаправлена с осьювращения эллипсоида а) [42, 32]: = 0 (0, ) = 1 +(01−1 ) 0, , = , , ,(1.12)где - факторы деполяризации, 0 ≤ ≤ 1, причем + + = 1; 0 , 1 , – диэлектрические проницаемостиэллипсоида и окружающей среды, соответственно.

По условию резонансаФЛП, ( )−1 () = 0, вычисляют резонансные частоты . Еслидиэлектрическую проницаемость эллипсоида задать моделью Друде(0 () = 1 − ( /)2 )и положить 1 = 1, выражения длярезонансных частот примет вид:√︀(1.13) = · ,где - плазменная частота. Факторы деполяризации = = 21 (1 −2 ) ≡ ⊥ , причем, если < , то ≡ ‖ = 1−3 (ℎ − ), а если > ,22 1/2то = 1+. Для одиночной3 ( − ), где эксцентриситет = |1 − 2 |сферы = = = 1/3, тогда приходим к формуле (1.10).

Дляэллипсоида с полуосями > факторы деполяризации ‖ > 1/3, ⊥ <1/3, поэтому, согласно 1.13, продольная резонансная частота смещаетсявлево, а поперечная - вправо по оси частот относительно резонанснойчастоты одиночной сферы. В случае < получаем ‖ < 1/3, ⊥ >1/3, тогда продольная резонансная частота смещается в высокочастотнуюобласть, а поперечная - в низкочастотную. Для цилиндра, ось которогорасположена вдоль оси z, = 0, = = 1/2, а для пластины = = 0, = 1.Учет наличия подложки, на которой находится массив с вытянутымичастицами может быть произведен методом построения изображения20частицы в подложке [32, 41]. Приняв расстояние от центра эллипсоида доподложки за а диэлектрическую проницаемость подложки 1 и вводя = (2 − 1 )/(2 + 1 ) можно получить следующее выражение для ФЛП:(︂)︂−12 = −1(0 − 2 ); ⊥ = 1; ‖ = 2.(1.14)0 +243Рассмотрение модификации ФЛП одиночного эллипсоида в массивечастиц c объемной концентрацией согласно [43, 41] приводит квыражению)︁−1(︁−1 = 0 ± (0 − 2 ),(1.15)6где знаки относятся к поперечной и продольной модам соответственно.1.2.3.Генерация второй гармоники в плазмонных структурахРассмотримнелинейно-оптическийоткликметаллическойнаночастицы.

Как уже было сказано, поле внутри нее может существенноотличаться от поля накачки, в особенности, в спектральной окрестностиплазмонной моды. Если исследовать генерацию ВГ в ней, то в выражении⃗(1.7) вместо амплитуды внешнего поля ()нужно подставить амплитудулокального поля. Тогда, учитывая (1.10), получим [41]:2⃗⃗2 ∝ |^(2) : ()()|∝ 2 (2)4 ()2 ,(1.16)где - интенсивность излучения накачки. Таким образом, интенсивностьВГ пропорциональна четвертой степени фактора локального поля начастоте накачки, а также квадрату фактора локального поля наудвоенной частоте из-за усиления поля, излучаемого источниками ВГ.

Вслучае резонанса будет наблюдаться значительное усиление интенсивностиВГ (т.е. будет наблюдаться гигантская ВГ), целиком определяемаяэлектромагнитными механизмами. Для гигантской ВГ оба факторалокального поля, на частоте накачки и второй гармоники, как правило, немогут быть одновременно резонансными из-за большого частотного сдвигапри этом нелинейном эффекте.Экспериментально усиление сигнала ВГ при “участии” поверхностныхплазмонов было впервые показано в работе [44] для шероховатойповерхности серебра. Для контролируемого нанесения шероховатостиповерхность серебра помещали в электрохимическую ячейку и подвергалипоследовательным циклам анодного травления в растворе электролита.

В21качестве источника излучения накачки был взят лазер Nd:АИГ на длиневолны 1.064 мкм, угол падения 45∘ . При этом наблюдался диффузный,практически изотропный и неполяризованный сигнал ВГ. Кроме ВГ, вспектре отклика образца наблюдался сигнал в широком диапазоне длинволн (от 3.5 до 6 мкм). Интенсивность второй гармоники в 104 превысиласигнал от гладкой пленки серебра. Похожие результаты были полученыдля шероховатой поверхности золота. Наблюдаемое усиление сигнала ВГсоставило 103 .Другим объектом, в котором возможно возбуждение локальныхплазмонов являются островковые пленки серебра (ОПС) – металлическиечастицы серебра, изолированные друг от друга, средний размер которыхколеблется в пределах ≈ 1 ÷ 100 нм. ОПС представляют интересиз-за характерного усиления нелинейно-оптических процессов, такихкак гигантское комбинационное рассеяние (ГКР) и гигантская втораягармоника.

Оно заключается в значительном увеличении интенсивностиВГ (на несколько порядков, по сравнению с гладкими поверхностямиметаллов) при отражении света. Генерация гигантской ВГ в островковыхпленках серебра впервые экспериментально наблюдалась в работе [45].В этой работе было обнаружено усиление интенсивности ВГ в ОПС натри порядка, по сравнению с интенсивностью ВГ от гладкой поверхностисеребра.

Исследовалась зависимость интенсивности ВГ как функцияэффективной толщины серебряной пленки. При нулевой массовой толщинеинтенсивность начинала возрастать и достигала максимума при толщине3.6 нм, далее опять спадала до нуля при толщине 6.5 нм, потом при толщине∼ 10 нм выходила на постоянный уровень по интенсивности, составляющийпорядка 10% от значения в максимуме.В работе [46] исследовалось влияние размерных эффектов на процессгенерации гигантской ВГ ультрамалыми металлическими частицами. Былиизучены островковые пленки серебряных частиц радиусом 10÷100 нм.Интенсивность ВГ для таких пленок:2 ∝ ( ^(2) (2)2 ()) )2 ,(1.17)где = - массовая толщина, - объем островка, поверхностная плотность частиц, ^(2) - квадратичная восприимчивость, - фактор локального поля, - плотность мощности излучениянакачки.

Накачкой служило излучение импульсного Nd3+ :АИГ лазера.22Зависимость нормированного сигнала ВГ от логарифма среднего радиусаостровков приведена на рис. 1.1. Для объяснения наблюдаемогоявления в статье приведен предполагаемый механизм, приводящийк увеличению квадратичной восприимчивости малых металлических(2)частиц, по сравнению с квадратичной восприимчивостью ^0 такогоже объема в сплошном металле. Последняя в металлах с решеткой,обладающей центром симметрии, в дипольном приближении обращается(2)в ноль в силу правил отбора по четности.

Величина ^0 определяетсяследующим порядком мультипольного разложения: квадрупольным имагнитодипольным членами, поэтому является весьма малой. Увеличение(2)^0 в малых частицах может быть связано с частичным снятием запретапо четности, приводящим к ненулевому дипольному вкладу. Такое снятиеможет быть вызвано отклонением формы частиц от центросимметричной.При этом интерференция дипольного и магнитодипольного вкладов винтенсивность ВГ отсутствует из-за 90∘ -ного фазового сдвига междувекторами соответствующих нелинейных поляризаций.Рис.1.1 :Экспериментальныеточки-зависимостьлогарифманормированнойинтенсивности гигантской ВГ, G, от логарифма среднего радиуса островков [46].При отражении от ансамблей хаотически расположенных отдельныхнаночастиц происходит диффузное рассеяние света на частоте второйгармоники, известное как гиперрелеевское рассеяние (ГРР).