Диссертация (Резонансные оптические эффекты при оптическом, магнитном и акустическом воздействиях на плазмон-поляритоны в слоистых структурах), страница 4

В настоящее время эти методыосновном,длявозбуждениялокализованныхплазмонполяритонов и редко применяются на практике, в отличие от призменных ирешеточного методов, которые применяются, например, в сверхчувствительныхсенсорах [21,22].1.1.3 Локализованные плазмон-поляритоны в металлических наночастицахРис. 1.8 Схема возникновения локализованного плазмонного резонанса в наночастице: еслиметаллическая наночастица помещена в переменное электромагнитное поле, то электроныпроводимости смещаются относительно ионной решетки металла.

На противоположныхповерхностях индуцируются заряды разных знаков, появляется возвращающая сила,пропорциональная смещению электронов. В результате система ведет себя как осциллятор снекоторой собственной частотой колебаний.20При уменьшении размеров металла до величины порядка глубиныпроникновения электромагнитного поля (~20 нм) свойства поверхностныхплазмон-поляритонов сильно зависят от геометрических размеров элементовметаллической структуры [4,12]. В отличие от случая бесконечной границыметалл-диэлектрик,вметаллическихнаночастицахилинаностержняхэлектромагнитная волна смещает все свободные электроны проводимостиотносительно ионов кристаллической решетки в частице (Рис.

1.8). В результатеэтого поверхностные заряды разных знаков на противоположных концах частицыили стержня создают возвращающее поле, величина которого пропорциональнасмещениюэлектроновотносительноионнойрешетки.Даннаясистемапредставляет собой осциллятор, свойства которого определяются эффективноймассой электрона, плотностью электронов в металле и геометрией частицы.Локализованные плазмонные резонансы наблюдаются в видимом иближнем ИК диапазонах, и их частоты сильно зависят от формы, материалачастиц, окружающего их диэлектрика. Это свойство используется, например, присоздании химических и биологических сенсоров: при контакте с биообъектами(ДНК, вирусы, антитела) плазмонные эффекты позволяют более чем на порядокувеличить интенсивность сигналов флуоресценции, т.

е. значительно расширяютвозможности обнаружения, идентификации и диагностики биологическихобъектов диэлектрика [1-4,12,23].1.2Магнитооптическиеэффектыводнородныхиструктурированных материалахВ середине 19 века Майкл Фарадей обнаружил и исследовал воздействиемагнитного поля на свет. В настоящее время предлагаются различные типыустройств нанофотники, в которых магнитооптические эффекты применяются длямодуляции характеристик света при частотах внешнего воздействия вплоть дотерагерцового диапазона [24,25].

Магнитооптические эффекты открывают21возможность управления поляризацией и интенсивностью света посредствомвнешнего магнитного поля. Наиболее перспективными в этом плане являютсяэффекты Фарадея и Керра.1.2.1 Магнитооптические эффекты в однородных материалахЭффект ФарадеяВ 1845 году Майк Фарадей экспериментально обнаружил, что плоскостьполяризации линейно поляризованного света поворачивается, когда он проходитчерез боросиликатное стекло и другие вещества, намагниченные параллельноволновому вектору световой волны [24,26,27].

При этом угол поворота φпропорционален напряженности внешнего магнитного поля Н и расстоянию L,которое свет проходит внутри среды:  VHL,(1.10)где V – постоянная Верде, зависящая от свойств среды и температуры. Знак θзависит от направления внешнего магнитного поля.Рис. 1.9 Схема эффекта Фарадея: плоскость поляризации линейно поляризованного светаповорачивается при его прохождении через вещество, намагниченное вдоль направленияраспространения электромагнитной волны; величина угла поворота φ зависит от модулянамагниченности M, направление поворота – от направления М.Однако, если свет, прошедший через намагниченную среду, отражается,например, от зеркала и проходит через среду второй раз, а магнитное поле не22меняет свое направление, то угол φ удваивается. Эта особенность являетсяосновным отличием эффекта Фарадея от естественной оптической активности, вслучае которой для двойного прохождения света φ = 0.Эффект КерраМагнитооптическийэффектКерра(ЭК)заключаетсявизменениихарактеристик световой волны при ее отражении от поверхности намагниченногоматериала.

Впервые ЭК был исследован шотландским ученым Джоном Керром в1877 году [28]. В проводимых исследованиях Дж. Керр заметил, что линейнополяризованный свет, падающий нормально на полюс электромагнита, вотражении приобретает эллиптическую поляризацию, причем оси эллипсаповернуты на некоторый угол относительно начальной плоскости поляризации.Выделяют три типа ЭК в зависимости от взаимной ориентации плоскостипадения света и вектора намагниченности среды: полярный, меридиональный иэкваториальный (Рис.

1.10).Рис. 1.10 Конфигурации магнитооптического эффекта Керра: (а) полярная, (б) меридиональная,(в) экваториальная. k – волновой вектор падающей световой волны, ζ – угол падения, M векторнамагниченности материала.При полярном и меридиональном ЭК происходит вращение плоскостиполяризации световой волны и появление эллиптичности при отражении линейнополяризованного света.

Особенностью этих двух конфигураций ЭК являетсяналичие ненулевой проекции волнового вектора k падающей световой волны на23направление намагниченности M материала. На практике полярный ЭКприменяется, в частности, для считывания данных в магнитооптическихносителях информации [29].Экваториальный эффект Керра (ЭЭК) наблюдается, когда плоскость падениясвета и вектор намагниченности материала взаимно ортогональны (Рис. 1.10в).При этом наблюдается изменение интенсивности и фазы отраженного линейнополяризованного света. Поэтому количественно ЭЭК можно охарактеризоватьвеличинойотносительногоизмененияинтенсивностипрошедшегоилиотраженного света при намагниченности структуры M в противоположныхнаправлениях:I (  M )  I ( M ).I (0)(1.11)В геометрии ЭЭК проекция волнового вектора падающей электромагнитнойволны на направление намагниченности равна нулю, поэтому ЭЭК относят к такназываемым поперечным магнитооптическим эффектам. ЭЭК является нечетнымпо намагниченности и обращается в ноль при нормальном падении света, так какв такой конфигурации нет разницы между противоположными направлениямивнешнего магнитного поля.

Это свойство ЭЭК применяется при использованиинамагниченных зеркал в качестве невзаимных оптических элементов [24,26].Также наблюдение ЭЭК позволяет исследовать магнитные свойства материалов иприменяется в магнитооптических носителях информации [24,29]. Относительныеизменения интенсивности при ЭЭК (1.11) при отражении света от гладкихнамагниченных поверхностей обычно не превышает 10-3 для ферромагнитныхматериалов [24,26,30].Магнитооптический обратный эффект ФарадеяВ последнее время огромный интерес вызывают магнитооптические приборы имагнитные носители информации высокой плотности. Эти практические целистимулируют теоретические исследования в области процессов намагничивания24вещества и его перемагничивания на временных масштабах порядка пикосекунд именьше. Ультракороткие оптические лазерные импульсы в настоящее времямогут быть использованы для управления намагниченностью в металлферромагнитных композитах на временах, составляющих несколько сотенфемтосекунд [31–34].

Это возможно благодаря обратному эффекту Фарадея.Обратный эффект Фарадея (ОЭФ) заключается в приобретении постояннойнамагниченностисредой,вкоторойраспространяетсяэллиптическиполяризованная электромагнитная волна. ОЭФ был впервые теоретическипредсказан Л.П. Питаевским в 1960 году [35–37].Сверхбыстрыйконтрольнамагниченностиматериаловнавременныхмасштабах нескольких фемтосекунд при возникновении обратного эффектаФарадея экспериментально продемонстрирован несколькими коллективами.Например, в 2005 году в антиферромагнетиках при использовании циркулярнополяризованныхфемтосекундныхлазерныхимпульсовиндуцировалосьмагнитное поле внутри образца порядка 5 кЭ [34].ОбратныйфемтосекундногоэффектФарадеятакжемагнитооптическогоможетспособаиспользоватьсяпереориентацииспиновдлявферромагнитных пленках.

Оптический контроль намагниченности в данныхРис. 1.11 Схема обратного эффекта Фарадея – возникновение намагниченности вещества припрохождении через него эллиптически поляризованного света. Модуль индуцированнойнамагниченности |δМ| зависит от степени эллиптичности света, направление δМ – отнаправления вращения вектора напряженности электрического поля Е электромагнитнойволны.25композитах продемонстрирован экспериментально при использовании двухлазеров в импульсном режиме [33,34].В экспериментах использовались двациркулярно поляризованных в противоположных направлениях импульса равноймощности.