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

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТимени М.В. ЛОМОНОСОВАФИЗИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТНа правах рукописиХохлов Николай ЕвгеньевичРЕЗОНАНСНЫЕ ОПТИЧЕСКИЕ ЭФФЕКТЫПРИ ОПТИЧЕСКОМ, МАГНИТНОМ И АКУСТИЧЕСКОМ ВОЗДЕЙСТВИЯХНА ПЛАЗМОН-ПОЛЯРИТОНЫ В СЛОИСТЫХ СТРУКТУРАХСпециальность 01.04.03 – радиофизикаДиссертация на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукНаучный руководитель:доктор физ.-мат. наук, доцентБелотелов В.И.Москва, 2015ОглавлениеВведение .......................................................................................................................... 5Глава 1.

Общие вопросы оптики и магнитооптики плазмонных структур ... 121.1 Плазмон-поляритоны ............................................................................................. 121.1.1 Поверхностные плазмон-поляритоны на плоской границе разделаметалл / диэлектрик ......................................................................................

131.1.2 Возбуждение поверхностных плазмон-поляритонов................................ 171.1.3 Локализованныеплазмон-поляритонывметаллическихнаночастицах ................................................................................................. 201.2 Магнитооптические эффекты в однородных и структурированныхматериалах ............................................................................................................... 211.2.1 Магнитооптические эффекты в однородных материалах ........................ 211.2.2 Магнитооптические эффекты в магнитофотонных кристаллах .............. 261.2.3 Магнитооптические эффекты в плазмонных структурах .........................

281.3 Фотовозбуждение электронов металла лазерным импульсом ........................... 301.4 Активная плазмоника.............................................................................................. 341.4.1 Изменение свойств плазмон-поляритонов при фотовозбужденииэлектронов металла .......................................................................................

371.4.2 Изменениесвойствплазмон-поляритоноввовнешнеммагнитном поле ............................................................................................. 381.4.3 Акустическая модуляция свойств плазмон-поляритонов......................... 391.5 Численныйметодрасчетаоптическогооткликапериодическихслоистых сред .......................................................................................................... 41Глава2.Взаимодействиеимпульсовплазмон-поляритоновпри фотовозбуждении электронов металла ........................................................... 452.1 Процессы фотовозбуждения и термализации электронов металла прираспространении импульса поверхностных плазмон-поляритонов ........................ 462.2 Теоретическое описание динамики импульсов плазмон поляритоновнакачки и сигнального в приближении медленно меняющейся амплитуды ..........

5022.3 Выбор оптимальных параметров для эффективного взаимодействияимпульсов поверхностных плазмон-поляритонов..................................................... 542.4Феноменологическийанализ измененийдлительностиимпульсовплазмон-поляритонов.................................................................................................... 572.5 Изменение длительности плазмонных импульсов и задержки между ними .... 60Выводы к главе ..............................................................................................................

64Глава3.Резонансноеусилениемагнитооптическихэффектовпри возбуждении плазмон-поляритонов ................................................................ 663.1 Обратный эффект Фарадея при распространении поверхностныхплазмон-поляритонов....................................................................................................

663.2 Особенности экваториального эффекта Керра в магнитоплазмонныхкристаллах ...................................................................................................................... 713.3 Усиление магнитооптических эффектов в магнитофотонных кристаллах сплазмонной решеткой ................................................................................................... 763.3.1Структураисследуемыхмагнитофотонныхкристалловсплазмонным покрытием .......................................................................................

763.3.2 Экспериментальная установка для измерения магнитооптическихэффектов................................................................................................................. 793.3.3 Методика измерений эффекта Фарадея ..................................................... 813.3.4 Методика измерений экваториального эффекта Керра ........................... 833.3.5Оптическиехарактеристикиисследуемыхмагнитофотонныхкристаллов с плазмонным покрытием ................................................................ 833.3.6 Магнитооптические эффекты в исследуемых магнитофотонныхкристаллов с плазмонным покрытием ................................................................

89Выводы к главе ...................................................................................................... 963Глава4.Акустическоеуправлениеповерхностнымиплазмон-поляритонами .............................................................................................. 974.1Взаимодействиеакустическойволныиоптическихмодплазмонной решетки ..................................................................................................... 984.1.1 Распространение акустической волны в сверхрешетке ...........................

984.1.2. Акустическая модуляция параметров структуры .................................... 994.2 Методика расчета .................................................................................................. 1034.3 Особенности взаимодействия оптических мод плазмонной решетки иакустической волны .................................................................................................... 1054.3.1Модуляциикоэффициентаотраженияпривозбужденииповерхностных плазмон-поляритонов ..............................................................

1054.3.2Модуляциикоэффициентаотраженияпривозбуждениилокализованных плазмон-поляритонов и щелевых мод ................................. 109Выводы к главе ............................................................................................................ 113Заключение ................................................................................................................. 114Список публикаций по теме диссертации ............................................................ 116Список литературы...................................................................................................

1204ВведениеДиссертационная работа посвящена исследованию резонансных оптическихэффектов в периодических наноструктурированных материалах при оптическом,магнитном и акустическом воздействии на поверхностные плазмон-поляритоны иволноводные моды.За последние десятилетия развитие технологии привело к возможностисоздания структур с перестраиваемыми оптическими свойствами и характернымиразмерами порядка нескольких десятков и менее нанометров.

Применение такихструктур позволяет управлять характеристиками оптического излучения напространственных масштабах, меньших длины волны света. Повышениеэффективностиуправлениядостигается,главнымобразом,засчетнаноструктурирования, а не оптимизации химического состава материалов.Прикладной интерес к наноструктурированным средам обусловлен возможностьюих применения для управления оптическими сигналами в новых устройствахинтегральной оптики и нанофотоники, для создания новых типов анализаторовхимического состава жидкостей и газов, обладающих высокой чувствительностьюи малыми временами отклика.Быстро развивающейся ветвью фотоники является плазмоника, котораяоткрывает возможности для сочленения устройств электроники и фотоники винтегральныхмикросхемах,повышенияпределачувствительностибио-,химических и других сенсоров.

Ключевым объектом изучения плазмоникиявляются плазмон-поляритоны – связанные колебания электромагнитного полясветовой волны и электронов проводимости металла или полупроводника. Длявозбужденияплазмон-поляритоновоптическимизлучениемнеобходимовыполнение условий фазового синхронизма, которые достигаются, в частности, внаноструктурированныхсредах.Привозбужденииплазмон-поляритоновпроисходит локализация электромагнитной энергии на пространственныхмасштабах, меньших длины волны излучения, что повышает эффективностьвзаимодействия фотонов и электронов.