Автореферат (Резонансные оптические эффекты при оптическом, магнитном и акустическом воздействиях на плазмон-поляритоны в слоистых структурах)

На правах рукописиХохлов Николай ЕвгеньевичРЕЗОНАНСНЫЕ ОПТИЧЕСКИЕ ЭФФЕКТЫ ПРИ ОПТИЧЕСКОМ,МАГНИТНОМ И АКУСТИЧЕСКОМ ВОЗДЕЙСТВИЯХНА ПЛАЗМОН-ПОЛЯРИТОНЫ В СЛОИСТЫХ СТРУКТУРАХСпециальность 01.04.03 – радиофизикаАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукМосква, 2015Работа выполнена на кафедре фотоники и физики микроволнфизического факультета Федерального государственного бюджетногообразовательного учреждения высшего образования «Московскийгосударственный университет имени М.В.Ломоносова»Научный руководитель:доктор физико-математических наук, доцентБелотелов Владимир ИгоревичОфициальные оппоненты:Фраерман Андрей Александрович, доктор физико-математических наук,Институт физики микроструктур Российской академии наук, заместительдиректора, заведующий отделом магнитных наноструктур, ведущийнаучный сотрудникПавлов Виктор Владимирович, доктор физико-математических наук,Физико-технический институт имени А.Ф.

Иоффе Российской академиинаук, ведущий научный сотрудникВедущая организация:Федеральное государственное автономное образовательное учреждениевысшегообразования«Санкт-Петербургскийнациональныйисследовательский университет информационных технологий, механики иоптики»Защита диссертации состоится « »2015 года вчасовна заседании диссертационного совета Д 501.001.67 на физическомфакультетеМосковскогогосударственногоуниверситетаимени М.В.Ломоносова по адресу: 119991, ГСП-1, Москва, Ленинскиегоры, МГУ имени М.В.Ломоносова, дом 1, строение 2, физическийфакультет, физическая аудитория имени Р.В.

Хохлова.С диссертацией можно ознакомиться в Отделе диссертаций Научнойбиблиотеки МГУ имени М.В.Ломоносова по адресу: 119192, г. Москва,Ломоносовский просп., 27.Автореферат разослан «» февраля 2015 года.Ученый секретарьдиссертационного советаД 501.001.67, к.ф.-м.н.Королев Анатолий Федорович2Общая характеристика работыДиссертационная работа посвящена исследованию резонансныхоптических эффектов в периодических наноструктурированныхматериалах при оптическом, магнитном и акустическом воздействии наповерхностные плазмон-поляритоны и волноводные моды.Актуальность работы обусловлена необходимостью увеличенияэффективностиуправленияоптическимизлучениемиплазмон-поляритонами, связанной с развитием технологий нанофотоники.Крометого, большуюважностьимеетзадача уменьшенияпространственных и временных масштабов, на которых реализованконтроль оптических мод. Описание закономерностей взаимодействиясвета с плазмонными структурами необходимо для создания новыхустройств оптической обработки и передачи информации.За последние десятилетия развитие технологии привело квозможности создания структур с перестраиваемыми оптическимисвойствами и характерными размерами порядка нескольких десятков именее нанометров.

Применение таких структур позволяет управлятьхарактеристиками оптического излучения на пространственныхмасштабах, меньших длины волны света. Повышение эффективностиуправления достигается, главным образом, за счет наноструктурирования,а не оптимизации химического состава материалов. Прикладной интерес кнаноструктурированным средам обусловлен возможностью их применениядля управления оптическими сигналами в новых устройствахинтегральной оптики и нанофотоники, для создания новых типованализаторов химического состава жидкостей и газов, обладающихвысокой чувствительностью и малыми временами отклика.Быстро развивающейся ветвью фотоники является плазмоника,которая открывает возможности для сочленения устройств электроники ифотоникивинтегральныхмикросхемах,повышенияпределачувствительности био-, химических и других сенсоров.

Ключевымобъектом изучения плазмоники являются плазмон-поляритоны –связанные колебания электромагнитного поля световой волны и3электронов проводимости металла или полупроводника. Для возбужденияплазмон-поляритонов оптическим излучением необходимо выполнениеусловий фазового синхронизма, которые достигаются, в частности, внаноструктурированных средах. При возбуждении плазмон-поляритоновпроисходит локализация электромагнитной энергии на пространственныхмасштабах, меньших длины волны излучения, что повышаетэффективность взаимодействия фотонов и электронов.

Эта особенностьплазмонныхструктурможетиспользоватьсядлясочленениятрадиционных устройств электроники и оптических элементов передачи иобработки информации.В большинстве практически значимых случаев важной являетсявозможность управления оптическими свойствами плазмонных структур,например, их коэффициентами отражения и прохождения.

К настоящемувремени предложено значительное количество методов такого активногоуправления посредством внешнего воздействия. В качестве внешнеговоздействия применяются электрическое или магнитное поля, нагревматериалов, акустические волны и др. Зависимость оптических свойствплазмонных структур от внешнего воздействия может использоваться вразличных сенсорах: магнитного поля, акустических колебаний и др.Цельюдиссертационнойработыявляетсятеоретическоеиэкспериментальноеизучениеособенностейоптическихимагнитооптических эффектов и закономерностей, связанных свозбуждением плазмон-поляритонов и волноводных мод в плазмонныхструктурах при внешнем оптическом, магнитном и акустическомвоздействиях.Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:1.Разработать теорию и провести анализ нелинейного взаимодействияимпульсов плазмон-поляритонов при фотовозбуждении электроновметалла.2.Развить и экспериментально проверить теоретические модели,описывающие интенсивностные и поляризационные магнитооптическиеэффекты в периодических структурированных средах.43.Построить теоретическую модель ближнепольного взаимодействияакустических и плазмон-поляритонных мод.

Провести анализ условийусиления акустооптических эффектов при структурировании плазмоннойпленки.Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем:1.Впервые выполнено теоретическое исследование изменениядлительностиивременизадержкимеждуимпульсамиплазмон-поляритонов при фотовозбуждении электронов металла.2.Предсказано появление намагниченности структуры за счетобратного эффекта Фарадея при распространении поверхностныхплазмон-поляритонов вдоль границы металл / магнитный диэлектрик.3.Предложена теоретическая модель, описывающая особенностипоявления и усиления экваториального эффекта Керра при возбужденииплазмон-поляритонов на границе металл/воздух в магнитоплазмонныхструктурах.4.Впервые экспериментально продемонстрировано появление ирезонансное усиление магнитооптических эффектов при возбужденииволноводных и плазмонных мод магнитофотонных кристаллов сплазмонной решеткой.5.Впервые исследовано резонансное изменение оптическогокоэффициента отражения акустической сверхрешетки с плазмоннымпокрытием при взаимодействии поверхностных плазмонных иакустических мод.Практическая значимость работыРезультаты, изложенные в диссертации, могут быть применены длясоздания новых типов устройств обработки и записи информацииоптическими и магнитооптическими методами, а также для повышениячувствительности сенсоров магнитного поля и акустических волн.5Научные положения и результаты, выносимые на защиту:1.При фотовозбуждении электронов металла фемтосекунднымплазмонным импульсом накачки длительность сигнального импульсаизменяется на 30%, если плотность энергии лазерного импульса накачкисоставляет порядка 1,5 мДж/см2.

При этом изменение временной задержкимежду импульсами зависит от их параметров и достигает 25 фс.2.Поверхностные плазмон-поляритоны, распространяющиеся вдольграницы металл / магнитный диэлектрик, индуцируют намагниченностьдиэлектрика за счет обратного эффекта Фарадея.3.Магнитооптический экваториальный эффект Керра при возбужденииплазмон-поляритоновнаграницеметалл/воздухобусловленвзаимодействием плазмон-поляритонов на границах металл/воздух иметалл/магнитный диэлектрик и может быть описан моделью связанныхосцилляторов.4.В магнитофотонных кристаллах с плазмонным покрытием привозбуждении волноводных мод, локализованных в брэгговских зеркалах имикрорезонаторном слое, магнитооптические эффекты Фарадея и Керрарезонансно усиливаются в несколько раз.5.Модуляция оптического коэффициента отражения за счетакустических волн в плазмонном кристалле резонансно усиливается внесколько десятков раз при одновременном возбуждении щелевых илокализованных плазмонных мод.Достоверность результатов обусловлена адекватностью использованныхфизических моделей и математических методов, выбранных для решенияпоставленных задач, корректностью использованных приближений, атакже соответствием результатов теоретических и численных расчетов иэкспериментальных данных.

Все используемые в экспериментахизмерительные приборы были протестированы и откалиброваны, ихинструментальная погрешность определялась независимо в ходе тестовыхэкспериментов с заведомо предсказуемыми результатами. Экспериментывыполнялись многократно с повторяемыми результатами. Результаты6опубликованы в рецензируемых журналах, обсуждены на международныхконференциях, семинарах.Личный вклад автораВсе представленные в диссертации результаты получены автором личноили при его определяющем участии. Содержание диссертации и основныеположения, выносимые на защиту, отражают персональный вклад автора вопубликованные работы.

Подготовка к публикации полученныхрезультатов проводилась совместно с соавторами, при этом вкладдиссертанта был определяющим.ПубликацииОсновные результаты исследований отражены в 27 публикациях, из них 4статьи в рецензируемых научных журналах, включенных в переченьведущих периодических изданий ВАК [П1-П4], 3 статьи в прочихжурналах [П5-П7] и 20 публикаций в сборниках трудов и тезисовконференций.Апробация диссертационной работыРезультаты работы представлены на 21 докладе на научных конференцияхв России и за рубежом: Международный симпозиум по магнетизму«MISM» (Москва, 2011, 2014), Международная конференция пометаматериалам, фотонным кристаллам и плазмонике «META 2014»(Сингапур, 2014), Международная конференция по оптике «CAOL 2013»(Судак, 2013), Международный симпозиум по магнетизму и оптике«MORIS 2013» (Сайтама, Япония, 2013), Международная школа поплазмонике «Summer School on Plasmonics 3» (Каржез, Франция, 2013),Международная конференция «Days on diffraction 2012» (Санкт-Петербург,2012), Международная конференция «ICONO/LAT 2013» (Москва, 2013),Международная конференция «Фундаментальные проблемы оптики»(Санкт-Петербург, 2010, 2012), Всероссийская школа-семинар «Физика иприменение микроволн» (Москва, 2011, 2013), Международная школа длямолодых ученых «Когерентная оптика и оптическая спектроскопия»7(Казань, 2010), Международная конференция молодых ученых«Ломоносов» (Москва, 2010, 2013), Всероссийская школа-семинар«Волновые явления в неоднородных средах» (Москва, 2010, 2012, 2014).Структура, объем и содержание работыДиссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, спискацитируемой литературы.