Резонансные оптические и магнитооптические эффекты в наноструктурах и фотонных кристаллах

на правах рукописиЖданов Александр ГригорьевичРЕЗОНАНСНЫЕ ОПТИЧЕСКИЕ ИМАГНИТООПТИЧЕСКИЕ ЭФФЕКТЫ ВНАНОСТРУКТУРАХ И ФОТОННЫХ КРИСТАЛЛАХСпециальность 01.04.21 - лазерная физикаАвторефератдиссертации на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукМосква - 2011Работа выполнена на кафедре квантовой электроники физического факультета Московского государственного университета имени М.

В. ЛомоносоваНаучный руководитель: доктор физико-математических наукФедянин Андрей АнатольевичОфициальныеоппоненты:доктор физико-математических наук,доцент Мишина Елена Дмитриевна,Московский государственный техническийуниверситет радиотехники, электроники иавтоматики, Москвакандидат физико-математических наук,доцент Белотелов Владимир Игоревич,кафедра фотоники и физики микроволн,физический факультетМГУ имени М.В. Ломоносова, МоскваВедущая организация:Учреждение Российской академии наукИнститут общей физики им.

А.М. ПрохороваРАН, МоскваЗащита состоится 15 декабря 2011 года в 16 часов 30 мин. на заседаниидиссертационного совета Д 501.001.31 при Московском государственном университете имени М.В. Ломоносова по адресу: 119991, Москва, Ленинские горы, МГУ, ул. Академика Хохлова, дом 1, стр. 62, корпус нелинейной оптики,аудитория им. С.А. Ахманова.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультета МГУ.Автореферат разослан “Ученый секретарь диссертационногосовета Д 501.001.31, к.ф.-м.н., доцент” ноября 2011 г.Т.М. ИльиноваОбщая характеристика работыДиссертационная работа посвящена экспериментальному изучению оптических и магнитооптических эффектов в наноструктурах и фотонных кристаллах, вызванных воздействием лазерного излучения.

Основной задачей работы является подбор экспериментальных техник и экспериментальное изучение резонансных оптических и магнитооптических эффектов в наноструктурах различной размерности: металлических наночастицах, периодическинаноструктурированных поверхностей металла, и многослойных диэлектрических структурах (фотонных кристаллах) в видимом, ближнем ИК, ближнем УФ диапазонах.Резонансное усиление оптических и магнитооптических эффектов в наноструктурах различной размерности обусловлено различными механизмами.В случае нульмерных металлических наноструктур (наночастицы) усилениеоптических эффектов обусловлено возбуждением локальных плазмонов.

Оптическое поле многократно усиливается в области пространства сопоставимой с размерами частицы. Оптическая частота резонанса обусловлена размерами частиц, материалом частиц и их окружением. Плазмонный резонанскрайне чувствителен к ближайшему окружению частиц и может применяться в химических сенсорах для детектирования ультрамалых концентрацийвеществ. Наиболее яркие плазмонные эффекты наблюдаются на наночастицах благородных металлов: серебра и золота. Для экспериментального наблюдения плазмонного усиления локального поля вблизи одиночных металлических наночастиц неообходимо зафиксировать частицу в пространстве ипоместить в область частицы невозмущающий зонд.

Уникальной экспериментальной методикой, позволяющей работать с одиночными микро- и нанообъектами, является метод лазерного (оптического) пинцета. Этот методпозволяет зафиксирвать прозрачный объект в пространстве и измерять силовые воздействия в масштабах нескольких фемтоньютонов. Применяя метод фотонно-силовой микроскопии, можно провести прямую спектроскопиюплазмонных свойств нано- и микро- объектов по величине силового взаимодействия исследуемого объекта с лазерным излучением калиброванной интенсивности, что невозможно сделать любыми другими методами.Резонансные оптические эффекты в двумерных металлических наноструктурах, т.е. наноструктурированных поверхностях металлов, обусловлены резонансным возбуждением поверхностных плазмон-поляритонов.

Резонансное возбуждение происходит при условии фазового синхронизма между тангенциальной составляющей падающей электромагнитной волны, вектором обратной решетки периодической структуры поверхности и волновым1вектором поверхностного плазмон-поляритона. Эти условия выражаются врезонансных особенностях частотно-угловых спектров коэффициента отражения подобных структур. По аналогии с фотонными кристаллами (многослойными диэлектрическими структурами) подобные структуры могут бытьназваны двумерными плазмонными кристаллами. Намагниченность такойнаноструктуры приводит также к резонансным особенностям в спектрах магнитооптических эффектов.

Как и для наночастиц наиболее удобными материалами являются серебро и золото. С другой стороны, эти материалы необладают ферро- или ферримагнитным упорядочением, следовательно, непроявляют магнитооптических эффектов. Магнитные материалы, обладаютбольшим поглощением на длине волны оптического диапазона, длина пробега поверхностного плазмона мала, следовательно эффективность резонансного возбуждения поверхностного плазмона на периодически структурированной металлической поверхности мала. Возможным компромиссом междуэффективностью резонансного возбуждения поверхностных плазмонов и величиной магнитооптических эффектов является рассмотрение никеля.Резонансные эффекты в фотонных и магнитофотонных кристаллах обусловлены резонансами многолучевой интерференции.

В случае одномерных(многослойных) структур имеют место оптические резонансы подобные резонансам Фабри-Перо. Оптические спектры коэффициентов отражения и пропускания могут быть описаны на языке фотонной запрещенной зоны по аналогии с электронной запрещенной зоной для обычных кристаллов в физикетвердого тела. Наличие ферро- или ферримагнитого упорядочения в слоях такой структуры приводит к появлению аксиально-симметричных недиагональных компонент тензора диэлектрической проницаемости соответствующих слоев структуры.

Аксиальная симметрия обуславливает нечетностьинверсии по времени, что приводит к невзаимным магнитооптическим эффектам, таким как эффект Фарадея. В магнитофотонных кристаллах эффект Фарадея может значительно усиливаться по сравнению с однороднойпластиной за счет конструктивной многолучевой интерференции благодаряневзаимной природе эффекта.

Резонансные условия усиления эффекта Фарадея в магнитофотонных кристаллах могут быть выражены и в терминахфотонной запрещенной зоны и закона дисперсии. Угол фарадеевского вращения плоскости поляризации благодаря невзаимности эффекта может рассматриваться как часы, отсчитывающие время взаимодействия излучения свеществом. Таким образом, замедление групповой скорости может интерпретироваться как увеличение времени взаимодействия излучения с веществом,с одной стороны, и как увлечение числа проходов в структуре за счет мно2гократных переотражений в слоях структуры, с другой стороны, что приводит к частотно-угловому резонансу магнитооптического эффекта Фарадея.Особенности динамики распространения ультракоротких лазерных импульсов и сверхбыстрой динамики эффекта Фарадея служат дополнительнымподтверждением подобных механизмов усиления в многослойных фотонныхструктурах.В нульмерных наноструктурах (металлические наночастицы) оптическиерезонансы обусловлены возбуждением локальных плазмонов, в двумерныхи квазитрехмерных наноструктурах (наноструктурированные поверхностиметаллов) оптические резонансы обусловлены возбуждением поверхностныхплазмон-поляритонов.

В случае одномерных магнитофотонных кристалловимеют место резонансы схожие с резонансами Фабри-Перо, вызванные многолучевой интерференцией в слоях структуры. При наличии магнитного материала также возникает усиление магнитооптических эффектов.Целью диссертационной работы является экспериментальное обнаружение, изучение и систематизация резонансных оптических и магнитооптических эффектов в наноструктурах различной размерности и фотонных кристаллах, вызванных структурной дисперсией образца.Актуальность работы заключается в фундаментальном интересе к механизмам оптических резонансов и резонансному усилению магнитооптическихэффектов в наноструктурах и фотонных кристаллах.

Растущий интерес кплазмонным наноструктурам и наночастицам сопровождается большим количеством работ в этой области, однако, малоохваченной областью, остается магнитоплазмоника, т.е. изучение резонансов магнитооптических эффектов имеющих плазмонную природу. Работ, посвященных изучению одиночных плазмон-активных наночастиц, сравнительно мало.