Диссертация (Резонансные оптические эффекты при оптическом, магнитном и акустическом воздействиях на плазмон-поляритоны в слоистых структурах), страница 13

Вблизи точек пересечения дисперсий двух ППП мод резонанс ЭЭКнаблюдается не только при возбуждении ППП на границе металл / магнитный диэлектрик(красная пунктирная линия), но и для ППП на границе золото / воздух (черная пунктирнаялиния). Для Х и Г точек первой зоны Бриллюэна величина ЭЭК равна нулю из-за возбужденияплазмон-поляритонов, распространяющихся в противоположные стороны. На рис. (в)представленочисленнорассчитанноераспределениеквадратамодулянапряженностимагнитного поля |H|2 при угле падения света ζ=49° и энергии фотона 1,38 эВ (при пересечениидисперсий ППП на разных границах золота).74конечной толщины решетки и наличия воздушных щелей.Тогда собственные частоты каждой из ППП мод описываются выражением[155]:2 1 2a  b2  (a2  b2 )2  412 ,2(3.3)где ωa и ωb – парциальные частоты осцилляторов, т.е.

частоты ППП на границевоздух/металлиметалл/магнитныйдиэлектриксоответственно,ε1,2–коэффициенты связи, зависящие от параметров решетки. Если ωa и ωbразличаются между собой значительно, т.е. | ωa2 - ωb2 | ≫12 , тогда оба ПППпочти не связаны друг с другом и ω± ≈ ωa, ωb. По мере того, как ωa и ωb становятсяближе друг к другу, взаимодействие ППП на двух границах усиливается, и ω±начинает зависеть от каждой из частот ωa и ωb. Резонансная частота ωb зависит отнамагниченности образца. Следовательно, из-за наличия связи между двумямодами (3.3), обе частоты ω± смещаются при наличии внешнего магнитного поля.Поэтому вблизи пересечения двух дисперсионных кривых ППП на границахметалл/воздух и металл/магнитный диэлектрик происходит усиление величиныЭЭК для каждой из мод.

Максимальная амплитуда ЭЭК в данном экспериментесоставила 8,5% для энергии фотона 1,4 эВ и угла падения 47°, т.е. вблизи точкирасщепления дисперсионных кривых ППП.На Рис. 3.7(в) приведен пример распределения магнитного поля световойволны вблизи решетки при расщеплении двух мод ППП (ζ = 49°, энергия фотона1,38 эВ). Приведенное распределение поля подтверждает написанные вышерассужденияоб одновременном возбужденииППП на обеихграницахвоздух/металл и металл / магнитный диэлектрик.

Величина ЭЭК при этомсоставила 7,5%.Экспериментальные результаты, представленные в этом разделе, получены всотрудничестве с научной группой проф. М. Байера, Технический университетг.Дортмунд,Германия;образцыплазмонных75кристалловизготовленывлабораториидоктораАчанта.В.Гопала,Институтфундаментальныхисследований им. Тата г. Мумбай, Индия.3.3 Усиление магнитооптических эффектов в магнитофотонныхкристаллах с плазмонной решеткойУсиление магнитооптических эффектов при взаимодействии света cнамагниченной пленкой может быть достигнуто за счет увеличения оптическогопути света внутри этой пленки. Это происходит, в частности, за счет возбужденияв магнитофотонном кристалле (МФК) мод резонатора Фабри-Перо, образованногомагнитным дефектом, окруженным брэгговскими зеркалами (Глава 1). Такжеусиление магнитооптических эффектов происходит при возбуждении гибридныхплазмонно-волноводных мод в структуре металлическая решетка / магнитнаяпленка / подложка (Глава 1).В ходе работы проведены экспериментальные исследования оптических имагнитооптическихсвойствструктур,сочетающихМФКиодномернопериодические металлические плазмонные решетки.

В периодических структурахтакого типа могут одновременно возбуждаться оптические резонансы, связанныес поверхностными плазмон-поляритонами (ППП) на границах металлическойрешетки и модами магнитофотонного кристалла. При этом при дифракции светана плазмонной решетке внутри МФК возбуждаются не только собственные модымикрорезонатора, но и волноводные моды, локализованные в брэгговскихзеркалах. Возбуждение таких мод приводит к появлению новых резонансов вспектрах коэффициентов отражения и пропускания структуры внутри фотоннойзапрещенной зоны, а также усилению магнитооптических эффектов Фарадея иКерра, связанных с этими резонансами.3.3.1 Структура исследуемых магнитофотонных кристаллов с плазмоннымпокрытиемНа Рис. 3.8(а) изображена схема исследуемого образца МФК с плазмоннымпокрытием(ПМФК).Магнитофотонный76кристаллсостоитиздвухдиэлектрическихбрэгговскихмагнитоактивногослоязеркализ(БЗ)ипомещенноговисмут-замещенногоиттриегомежду нимиферрит-граната(Bi:YIG).

Этот слой является микрорезонаторным дефектом МФК. Каждоебрэгговское зеркало состоит из четырех пар чередующихся слоев диоксида титанаи диоксида кремния (TiO2 и SiO2). Образцы МФК выращены на подложках изплавленого кварца. Магнитоактивный дефект состоит из подслоя (М1) с составомBi1,0Y0,5Gd1,5Fe4,2Al0,8O12 и основного слоя (М2) с составом Bi2,8Y0,2Fe5O12. Такимобразом,МФКописываетсяследующейструктурнойформулой:[подложка/(TiO2/SiO2)4/М1/М2/(SiO2/TiO2)4].

Использование двойного слоя Bi:YIGсвязано с особенностями технологического процесса выращивания пленок: слой сповышенным содержанием висмута обладает плохой адгезией по отношению кдиоксиду кремния, и выращивание пленки состава Bi2.8Y0.2Fe5O12 достаточнойтолщины непосредственно на брэгговском зеркале приводило к ее разрушению.ПоэтомунаслойсначалаSiO2наносиласьпленкассоставомBi1.0Y0.5Gd1.5Fe4.2Al0.8O12, которая служила подложкой для выращивания основногомагнитного слоя с высоким содержанием висмута.

Подробное описание процессаизготовления МФК представлено в работе [156]. Исследуемые образцы МФКизготовленыгруппойподруководствомА.Н.Шапошникова,Крымскийфедеральный университет имени В.И. Вернадского, г. Симферополь.Золотая плазмонная решетка нанесена на дополнительный слой SiO2,который сглаживает неровности поверхности верхнего слоя TiO2 МФК (Рис.3.8(а)).Решеткаизготовленапутемтермическогоосаждениязолотаспоследующим использованием электронно-лучевой литографии в сочетании среактивным ионным травлением Ar-ионной плазмой. Технологический процессизготовления золотых решеток описан в работе [73].

Решетки наносилисьисследовательской группой под руководством проф. Ачанта В. Гопала, Институтфундаментальных исследований имени Тата, г. Мумбаи, Индия.Оптимальные значения параметров золотой решетки (толщина слоя золотаhAu, период решетки d, ширина щели wslit) и толщина дополнительного верхнегослоя SiO2 были численно найдены в результате условной многомерной77оптимизации методом Монте-Карло; для расчета магнитооптического откликаструктуры использовался метод связанных мод в пространстве Фурье (RigorousCoupled-Wave Analysis, RCWA), расширенный на гиротропные среды (Глава 1).Изготовленная с учетом результатов оптимизации решетка имеет параметрыhAu = 60 нм, d = 370 нм, wslit = 220 нм и нанесена на дополнительный слой SiO2 столщиной 100 нм. Проверка параметров изготовленной решетки проведена насканирующемэлектронноммикроскопе(Рис.3.8(б))влабораториикриоэлектроники кафедры атомной физики, физики плазмы и микроэлектроникифизического факультета МГУ имени М.В.

Ломоносова.(а)(б)(в)(г)Рис. 3.8. (a) Схема исследуемого образца ПМФК. Составные слои: D1 - слои SiO2 (толщины 117нм внутри БЗ и 100 нм верхнего, под золотой решеткой), D2 - слои TiO2 (толщины 76 нм), M1 иM2 – магнитоактивные слои Bi1.0Y0.5Gd1.5Fe4.2Al0.8O12 и Bi2.8Y0.2Fe5O12, соответственно,(толщины 72 и 271 нм), полоски на верхней грани МФК изображают золотую решетку (высотаhAu = 60 нм, период d = 370 nm, ширина воздушной щели wslit = 220 нм).

(б) СЭМ-изображениеметаллической решетки при углах наблюдения 0о (основной рисунок) и 70° (врезка).(в) Оптическая фотография светового пятна при фокусировке на поверхности образца вконфигурации для измерения эффекта Фарадея; квадратная область – область с золотойрешеткой. (г) СЭМ-изображение границ области с золотой решеткой и гладкого золота.783.3.2 Экспериментальная установка для измерения магнитооптическихэффектовНа Рис.

3.9 представлена схема экспериментальной установки для измерениямагнитооптических эффектов. В качестве источника света использоваласьгалогенная лампа, имеющая непрерывный спектр в диапазоне длин волн 3602400 нм. Свет от лампы с помощью ахроматического дублета Л1 с фокуснымрасстоянием 75 мм фокусировался на pin-hole диафрагме Д1 диаметром 100 мкмдля создания точечного источника излучения с однородным распределениеминтенсивности.

Далее свет коллимировался ахроматическим дублетом Л2 сфокусным расстоянием 150 мм и проходил через ирисовую диафрагму Д2 срегулируемым диаметром 12-0,7 мм для уменьшения угловой апертурыфокусируемого на образец пучка менее 0,5о. После прохождения диафрагмы Д2световой пучок фокусировался ахроматическим дублетом Л3 с фокуснымрасстоянием 150 или 300 мм на образец, расположенный между полюсамиэлектромагнита ЭМ.Рис. 3.9. (а) Схема экспериментальной установки для измерений магнитооптических эффектов впрохождении в экваториальной конфигурации намагниченности. Условные обозначения: Д –диафрагмы, Л – ахроматические дублеты, П – поляризатор, А – анализатор, С – спектрограф,ЭМ – электромагнит, БП – блок питания, ПК – компьютер.