Магнитооптические эффекты в периодических наноструктурированных средах, страница 2

Впервыепроанализированоэлектромагнитногоокруженнуюдиэлектрикамиполяявлениеплазмонанамагниченнымиивтуннелированиячерезметаллическуюэкваториальнойпродемонстрированаэнергиипленку,конфигурациивозможностьуправленияхарактеристиками эффекта туннелирования внешним магнитным полем.6. Впервыеразвитааналитическаятеория,описывающаясвойстваплазмонных мод типа Фабри-Перо в плазмонных кристаллах и их влияниена оптический отклик структуры в дальнем поле.7.

Продемонстрировано,чтоэкваториальныйэффектКерравмагнитоплазмонном кристалле имеет резонансные особенности привозбуждении собственных мод, а именно поверхностных блоховскихплазмонов, квазиволноводных квази-ТМ-мод, а также плазмонных мод6типа Фабри-Перо. Предложено теоретическое объяснение особенностейэффекта.Практическая значимость диссертационной работы:Исследуемыеявленияинаноструктурированныематериалымогутбытьприменены в новом поколении устройств обработки, передачи и записиинформации, в которых необходима сверхбыстрая модуляция поляризации илиинтенсивности световой волны.

Кроме того, плазмонные кристаллы и фотонныекристаллы, содержащие магнитные материалы, могут быть использованы длясверхчувствительных сенсоров магнитного поля и биосенсоров.Научные положения и результаты, выносимые на защиту:1. Усиление магнитооптического эффекта Фарадея в фотонных кристаллах посравнению с однородной средой, связанное с явлением замедления света.2. Усиление интенсивностного эффекта и поворота плоскости поляризациисвета по крайней мере на порядок величины в фотонных кристаллах,содержащих материалы с магнитным тороидным упорядочением.3. Новый интенсивностный магнитооптический эффект, обусловленныйвозбуждениемсобственныхмодмагнитоплазмонногокристалла,намагниченного в меридиональной конфигурации.4.

Теориярезонансныхинтенсивностныхиполяризационныхмагнитооптических эффектов в магнитоплазмонных кристаллах привозбуждении собственных мод структуры.5. Управляемоетуннелированиеэлектромагнитнойэнергииплазмон-поляритона через металлическую пленку, окруженную намагниченными вэкваториальной конфигурации объемными диэлектриками.6. РезонансноеусилениемагнитоплазмонныхэкваториальногокристаллахприэффектавозбужденииКерравповерхностныхплазмонов, квазиволноводных мод, а также магнитоплазмонных мод типаФабри-Перо. Теория плазмонных мод типа Фабри-Перо в плазмонныхкристаллах.7Достоверность результатов обеспечивается следующими обстоятельствами. Вопервых, в работе проводятся сравнения результатов аналитического рассмотренияи численных расчетов, и они демонстрируют хорошее согласие.

Во-вторых,достоверность численных расчетов подтверждается достигнутой в результатеоптимизацииалгоритмовустойчивостьюисходимостьюполученныхрезультатов, а также сравнением полученных результатов с опубликованнымирезультатами, полученными другими методами, и с экспериментальнымиданными.В-третьих,рядпредсказанныхвработеэффектовавторомличнополучилэкспериментальное подтверждение.Личный вклад автораВсепредставленныерезультатыполученыилипринепосредственном участии. Использованные расчетные программы, реализующиеметод матриц перехода и метод связанных мод в пространстве Фурье, былисозданы автором самостоятельно.Структура, объем и содержание работыДиссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, трех приложений исписка цитируемой литературы. Работа содержит 167 страниц, включает 39рисунков, 3 таблицы и 129 библиографических ссылок.Апробация диссертационной работы:Результаты работы представлены на следующих научных конференциях вРоссии и за рубежом: Международный симпозиум по магнетизму «MISM»(Москва, 2005, 2008, 2011), Международная конференция «Functional materials –ICFM» (Крым, 2005, 2007, 2009), конференция «Ломоносов» (Москва, 2005,2010), Всероссийская школа-семинар «Физика и применение микроволн»(Москва, 2005, 2007, 2009, 2011), «Современное состояние и приоритеты развитияфундаментальных наук в регионах» (Краснодар 2005), Международная школа длямолодых ученых «Когерентная оптика и оптическая спектроскопия» (Казань,2005, 2008, 2010), Всероссийская школа-семинар «Волновые явления внеоднородных средах» (Москва, 2006, 2008, 2010, 2012), «Новые магнитные8материалы(Москва,микроэлектроники»2007,2008),(Москва,«ICONO/LAT»2006),«Ломоносовские(Минск,2007;Казань,чтения»2010),Международная конференция молодых ученых и специалистов «Оптика» (СанктПетербург, 2007, 2009, 2011), «MediNano» (Стамбул, 2008), Международнаяконференция «Фундаментальные проблемы оптики» (Санкт-Петербург, 2008,2010), «Bilateral Russian-French Workshop on Nanoscience and Nanotechnologies»(Москва, 2008), “Progress In Electromagnetics Research Symposium PIERS” (Пекин,2009; Москва, 2009), «ETOPIM» (Крит, 2009), «Spin Waves» (Санкт-Петербург,2009), Международная конференция «Новое в магнетизме и магнитныхматериалах» (Москва, 2009), «International conference on magnetism ICM»(Карлсруэ,2009),«SummerSchoolonPlasmonics»(Поркероль,2009),«Nanophotonics» (Тцукуба, 2010), “Wave Electronics and Its Applications in theInformationand«EASTMAG»Telecommunication(Екатеринбург,Systems”2010),(Санкт-Петербург,«TerahertzRadiation:2010),GenerationandApplication» (Новосибирск, 2010), Международная конференция «Лазернаяфизика и оптические технологии» (Минск, 2010), «International Conference onLaser and Fiber-Optical Networks Modeling – LFNM» (Харьков, 2011), «META»(Париж, 2012).Основные результаты диссертации опубликованы в 23 печатных работах (изних 17 статей в реферируемых журналах).Содержание работыВовведенииобоснованаактуальностьтемыисследований,сформулирована цель работы и описана структура диссертации, изложеныосновные научные положения, выносимые на защиту.Перваяглавапредставляетсобойобзортеоретическихиэкспериментальных работ, посвященных магнитооптическим эффектам, общимсвойствамповерхностныхмагнитооптическимматериалов,такихплазмон-поляритонныхсвойствамкакфотонныепериодическихкристаллы9иволн,оптическиминаноструктурированныхплазмонныеструктуры.Рассмотрены оптические свойства сред, обладающих тороидным магнитнымупорядочением.

Также приводится описание методов численного расчетаоптическихимагнитооптическихсвойствпериодическихнаноструктурированных материалов. В частности, особое внимание уделенометоду матриц перехода для расчета характеристик слоистых структур и методусвязанных мод в пространстве Фурье (RCWA).Во второй главе рассматриваются особенности магнитооптическихэффектов в одномерных фотонных кристаллах. Глава состоит из трех частей.В первой части проводится теоретическое рассмотрение явления усилениямагнитооптического эффекта Фарадея в спектральной окрестности краевзапрещенной зоны в одномерных фотонных кристаллах. Для удельного углаФарадея в бесконечном фотонном кристалле можно получить соотношение:Φ=ωQ ,2Vgr(1)где ω – частота волны, Vgr – групповая скорость блоховской волны в фотонномкристалле, Q = ∫ u TM (r )Q(r )u TE (r )dr , u nTMk / TE (r ) - амплитуда блоховской волны,nknkS1Q(r ) - магнитооптический параметр среды.Формула (1) свидетельствует отом,чтоуголФарадея обратнопропорционален групповой скорости волны.

На границах фотонной запрещеннойзоны групповая скорость обращается в нуль, в чем заключается явлениемедленного света. Таким образом, усиление эффекта Фарадея на границахфотонного кристалла связано с замедлением света, которое приводит кувеличению эффективного времени взаимодействия света со средой (рис. 1).Учет конечного числа слоев приводит к выводу, что спектр угла Фарадеяприобретает осцилляции вокруг среднего значения, описываемого формулой (1).Результаты численных расчетов согласуются с результатами аналитическогорассмотрения (рис.

2).10Рис. 1. Спектры коэффициентаРис. 2. Спектр угла Фарадея,пропускания (верхняя сплошная линия),рассчитанный численно для конечнойугла Фарадея (нижняя сплошная линия) иструктуры (сплошная кривая) и уголгрупповой скорости (пунктирная линия)Фарадея, рассчитанный по формуле (1)для магнитного фотонного кристалла,(пунктирная кривая). Параметры те же,состоящего из 120 пар четвертьволновыхчто на рис. 1.магнитных (ε=4,84, Q=0,002) инемагнитных (ε=3,71) слоев.Во второй части рассмотрены особенности эффекта Фарадея в одномерныхфотонных кристаллах при наклонном падении света. Рассматриваются фотонныекристаллы, обладающие одним или несколькими структурными дефектами в видеслоя удвоенной толщины.Особенности эффекта Фарадея при наклонном падении связаны с различиемв поведении s- и p-поляризаций.

Для структуры, содержащей один дефект,величина пропускания в резонансе практически не зависит от угла падения, афарадеевский угол меняется значительно, что представляет практическуюважность. В спектре пропускания для структуры с двумя дефектами наблюдаетсяне только различие в формах резонансов s- и p-волн, но и различие в ихположении, составляющее несколько нанометров.Для многодефектных структур характерны очень узкие резонансы вспектрах оптического пропускания. Положение резонанса зависит от гирации, аследовательно, и намагниченности и внешнего магнитного поля.