Магнитооптические эффекты в периодических наноструктурированных средах

На правах рукописиКалиш Андрей НиколаевичМАГНИТООПТИЧЕСКИЕ ЭФФЕКТЫВ ПЕРИОДИЧЕСКИХ НАНОСТРУКТУРИРОВАННЫХ СРЕДАХ01.04.03 – радиофизикаАвторефератдиссертации на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукМосква, 2013 г.РаботавыполненанафизическомфакультетеМосковскогогосударственного университета имени М.В.ЛомоносоваНаучный руководитель:кандидат физико-математических наукБелотелов Владимир ИгоревичОфициальные оппоненты:доктор физико-математических наукГоловань Леонид Анатольевич,доцент кафедры общей физики и молекулярнойэлектроники физического факультета МГУ имениМ.В.Ломоносовадоктор физико-математических наук, профессорГиппиус Николай Алексеевич,ведущий научный сотрудник Института общейфизики имени А.М.

Прохорова Российскойакадемии наукВедущая организация:Федеральноегосударственноебюджетноеобразовательноеучреждениевысшегопрофессиональногообразования«СанктПетербургский национальный исследовательскийуниверситетинформационныхтехнологий,механики и оптики»Защита диссертации состоится «27» февраля 2013 года в 17:30 часов назаседании диссертационного совета Д 501.001.67 на физическом факультетеМосковского государственного университета имени М.В.Ломоносова по адресу:119991, г. Москва, ГСП-1, Ленинские Горы, МГУ, физический факультет, Южнаяфизическая аудитория.С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной научнойбиблиотеке МГУ имени М.В.Ломоносова.Автореферат разослан «Ученый секретарьдиссертационного советаканд.

физ.-мат. наук» января 2013 года.Королев Анатолий ФёдоровичОбщая характеристика работыДиссертационнаямагнитооптическихработасвойствпосвященаискусственныхтеоретическомусред,сисследованиюцельюдостиженияэффективного управления поляризацией и интенсивностью излучения, а такжеоткликом в ближнем поле.Актуальность темы исследованияК настоящему времени развитие технологии привело к возможностисоздания искусственных сред с перестраиваемыми оптическими свойствами ипозволяющими управлять характеристиками излучения. Свойства таких средопределяются главным образом их структурными особенностями. Для решенияэтих задач широкое применение находят наноструктурированные среды.Наноструктурирование дает возможность создавать среды с требуемымисвойствами,усиливатьоптическиеэффекты,чтоважнодлясозданияминиатюрных устройств обработки информации, приобретать новые оптическиесвойства оптических эффектов за счет оптимизации геометрической структуры итопологии.

Ранее эти цели достигались путем подбора оптимального химическогосостава используемых веществ. Характерный размер структурных элементовсоставляет десятки и сотни нанометров, что и объясняет название таких сред.Фундаментальная значимость наноструктурированных сред связана не только сновыми свойствами, но и с разработкой новых теоретических подходов для ихописания. Прикладной интерес к таким средам обусловлен возможностью ихприменения в интегральной оптике, в создании новых устройств.

Примераминаноструктурированных сред являются плазмонные системы, нанокомпозиты ифотонные кристаллы.Фотонные кристаллы – это материалы, оптические свойства которыхмодулированы в пространстве, причем период модуляции сравним с длинойволныиспользуемогоэлектромагнитногоизлучения.Какправило,пространственный период близок к величине λ/4, что для оптического диапазонасоставляет несколько сот нанометров.

Таким образом, фотонный кристалл – этопериодическая наноструктурированная среда. На основе фотонных кристалловможно создавать оптические фильтры и идеальные отражатели, лазеры и3высокоэффективныеволноводы,преобразователичастоты,поляризаторы,суперпризмы и т.д. Существуют также искусственные среды для поверхностныхволн. Если поверхность является металлической, то такой волной являетсяповерхностный плазмон-поляритон.

Если поверхность является периодической(например, по форме), то такая структура является плазмонным кристаллом.Интерес к поверхностным плазмон-поляритонным волнам связан с локализациейэлектромагнитного поля в малой приграничной области и возможностью еговолноводного распространения.Для практических целей оказывается важной возможность управлятьоптическими свойствами наноструктурированных сред, например, положениемзапрещенной зоны фотонного кристалла и ее шириной. Одним из наиболееэффективных методов является использование магнитных материалов. Кромеочевидной возможности изменения оптических свойств среды под действиемвнешнего магнитного поля, это приводит к появлению целого ряда эффектовмагнитооптики, обусловленных наличием намагниченности в среде.Основными магнитооптическими эффектами являются эффекты Фарадея,Коттона-Мутона и Керра.

Эффект Фарадея заключается в повороте плоскостиполяризации линейно поляризованной волны при прохождении через магнитнуюсреду в случае, когда волна распространяется вдоль вектора намагниченностисреды. Если волна распространяется перпендикулярно намагниченности, товозникает эффект Коттона-Мутона, заключающийся в появлении эллиптичностиу прошедшей линейно-поляризованной волны. В отличие от эффекта Фарадея,эффект Коттона-Мутона является квадратичным по намагниченности. ЭффектКерра – это поверхностный магнитооптический эффект, возникающий приотражении волны от магнитной среды.

В зависимости от взаимной ориентацииплоскости падения, плоскости поляризации волны и намагниченности среды онможет заключаться в повороте плоскости поляризации отраженной волны либо визменении интенсивности отраженной волны, обусловленном намагниченностью.На практике ячейки Фарадея находят применение в качестве оптическихмодуляторов и затворов.Магнитооптические материалы представляют большой интерес дляинтегральнойоптики,например,для4созданияоптическихизоляторов,циркуляторов и других невзаимных элементов. Из-за необходимости достижениявысоких значений магнитооптических эффектов в последние годы объектомактивныхисследованийсталинаноструктурированныесредысмагнитооптическими свойствами, таких как одно-, двух- и трехмерные фотонныекристаллы, содержащие магнитные материалы. Выдающиеся резонансныеоптические и магнитооптические свойства магнитных фотонных кристалловоткрывают новые пути их применения в интегральной оптике: в качествеоптических изоляторов, затворов, циркуляторов, модуляторов, а также датчиковмагнитного поля и т.д.Актуальность работы обусловлена, в первую очередь, фундаментальным иприкладным интересом к усилению магнитооптических эффектов, связанных суправлением поляризацией и интенсивностью излучения, в структурированныхсредах.

Теоретическим исследованиям в области магнитоплазмоники до сих порне уделено должного внимания. С другой стороны, актуальной задачей являетсяпоискновыхспособовуправленияизлучением.Вчастности,вструктурированных средах возникают новые магнитооптические эффекты, неимеющиеаналоговводнородныхсредах,которыеимеютбольшуюфундаментальную и прикладную значимость. Кроме того, в работе изучаетсявозможность управления излучением в магнитных материалах особого типа –средах с тороидным магнитным упорядочением.Цельюдиссертационноймагнитооптическихэффектов,работыявляетсявозникающихвтеоретическоефотонныхописаниекристаллахиплазмонных структурах, и разработка новых способов эффективного управленияхарактеристиками оптического излучения. В работе решались следующие задачи:1.

Развитие теоретических моделей, описывающих как интенсивностные, такиполяризационныемагнитооптическиеэффектывпериодическихструктурированных средах, возникающие при возбуждении собственныхволн структуры, выявление физической природы эффектов.2. Теоретическое исследование ближнепольных магнитооптических эффектовв магнитоплазмонных структурах.53.

Исследование магнитооптических эффектов, возникающих в средах стороидным магнитным упорядочением, и возможностей их усиленияпосредством структурирования.Научная новизна диссертационной работы:1. Впервые построена теория усиления магнитооптического эффекта Фарадеяв фотонных кристаллах в окрестности краев запрещенной зоны и выявленасвязь эффекта с явлением замедления света.2.

Обнаруженыинтенсивностныйиполяризационныйэффектыприотражении волны от поверхности среды, обладающей магнитнымтороидным упорядочением и продемонстрировано, что указанные эффектымогут быть усилены на порядок величины путем наноструктурирования.3. Впервыеразвитааналитическаявзаимодействиесветастеория,качественномагнитоплазмоннымиописывающаякристаллами,намагниченными в полярной или меридиональной конфигурации, привозбуждении собственных мод.4. Спомощьюразработаннойтеориипредсказанмеридиональныйинтенсивностный эффект, обусловленный возбуждением собственных модмагнитоплазмонногокристалла,описаныегосвойства,атакжеособенности эффекта Фарадея в магнитоплазмонных кристаллах.5.