Автореферат (Фемтосекундная и нелинейно-оптическая спектроскопия фотонных кристаллов в присутствии таммовских плазмон-поляритонов)

на правах рукописиАфиногенов Борис ИгоревичФемтосекундная и нелинейно-оптическаяспектроскопия фотонных кристалловв присутствии таммовских плазмонполяритонов01.04.21 - лазерная физикаАвторефератдиссертации на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукМосква — 20162Работа выполнена на кафедре квантовой электроники физического факультета Московского государственного университета имени М.

В. ЛомоносоваНаучный руководитель:доктор физико-математических наук,профессор Федянин Андрей АнатольевичНаучный консультант:доктор физико-математических наук,профессор Панов Владимир ИвановичОфициальные оппоненты:доктор физико-математических наук,ведущий научный сотрудникМерзликин Александр МихайловичИнститут теоретической и прикладной электродинамики Российской академии науккандидат физико-математических наук,доцентИорш Иван ВладимировичСанкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптикиВедущая организация:Физический институт им.

П. Н. Лебедева Российской академии наукЗащита состоится 20 апреля 2017 г. в 15:00 на заседании диссертационного совета Д 501.001.31 при Московском государственном университете имени М. В. Ломоносова по адресу: 119991, Москва, Ленинские горы, д. 1, стр. 62, корпус нелинейной оптики, аудитория им. С. А.

Ахманова. С текстом диссертации можно ознакомиться в Отделе диссертацийНаучной библиотеки МГУ имени М.В. Ломоносова (Ломоносовский пр-т,д. 27), на сайте физического факультета МГУ имени М.В. Ломоносоваphys.msu.ru/rus/research/disser/sovet-D501-001-31/, и на сайте диссертационного совета istina.msu.ru/dissertation_councils/councils/387244/.Автореферат разослан «» февраля 2017 г.Ученый секретарьдиссертационного совета Д 501.001.31,кандидат физико-математических наукА.А.

Коновко3Общая характеристика работыДиссертационная работа посвящена экспериментальному исследованию оптических и нелинейно-оптических свойств структур «фотонный кристаллметаллическая плёнка» (ФК/металл) методами фемтосекундной и нелинейно-оптической спектроскопии. Особое внимание уделено исследованию динамики модификации лазерных импульсов, отраженных от подобных структур, изучению влияния возбуждения локализованных состояний электромагнитного поля на нелинейно-оптический отклик структур ФК/металл иизучению оптических свойств гибридных локализованных состояний в данных структурах.В последнее десятилетие существенно возрос интерес к созданию новых элементных баз для вычислительных устройств, призванных заменитьсуществующие электронные компоненты. Одной из альтернатив являютсяоптические компьютеры, в которых источником сигнала служат световыеимпульсы.

Важным направлением исследования в данной области являетсяизучение оптических свойств локализованных состояний электромагнитного поля. К подобным состояниям можно отнести поверхностные плазмонполяритоны (ППП), поверхностные электромагнитные волны в фотонныхкристаллах (ПЭВ) и моды оптических волноводов. Возбуждение описанныхсостояний характеризуется увеличением локальных электромагнитных полей, что приводит к усилению нелинейно-оптических эффектов, таких какгенерация оптических гармоник, нелинейно-оптический эффект Керра идругих.

Указанные эффекты обусловливают применение локализованныхсостояний для создания активных элементов фотоники, лазеров и полностью оптических модуляторов излучения.Актуальность работы обусловлена проблемой полностью оптическогоуправления электромагнитным излучением на фемтосекундных масштабахвремени. Исследуемые в данной работе образцы представляют собой набордиэлектрических слоёв (одномерный ФК), покрытый полупрозрачной плёнкой металла. Они обладают уникальными оптическими свойствами, определяющимися прежде всего геометрией структуры и, во вторую очередь, диэлектрическими свойствами материалов, входящих в неё.

В данных структурах возможно возникновение локализованных состояний электромагнит-4ного поля, получивших название таммовских плазмон-поляритонов (ТПП),во многом схожих по свойствам с ППП, ПЭВ, микрорезонаторными модамив фотонных кристаллах и др. В то же время, ТПП отличаются слабыми требованиями к параметрам возбуждающего излучения, в частности, для возбуждения данных состояний не требуется выполнения условий синхронизматангенциальных компонент волновых векторов, ТПП могут возбуждатьсядля любой поляризации падающего излучения. В спектрах коэффициентовотражения и пропускания струткур ФК/металл данные состояния проявляются в виде узких резонансов на частотах внутри фотонной запрещённойзоны (ФЗЗ) ФК. За счёт изменения геометрии структуры можно добитьсяперестройки резонансной частоты возбуждения данных состояний в широком спектральном диапазоне. Поскольку спектральная ширина резонансаТПП составляет несколько нанометров, ожидается, что время жизни ТППсоставляет несколько десятков фемтосекунд.

С другой стороны, из-за малой спектральной ширины резонанса ТПП, незначительный сдвиг его центральной частоты должен приводить к существенному изменению условийотражения излучения на длинах волн, соответствующих склонам резонансного контура. Указанные свойства определяют перспективу использованияТПП в новых полностью оптических устройствах управления электромагнитным излучением и мотивируют исследования временно́й динамики возбуждения и релаксации данных состояний, а также исследования модификации оптического отклика структур ФК/металл при возбуждении ТПП.Систематических исследований данных вопросов до настоящего времени непроводилось.Как было показано теоретически, возбуждение ТПП связано с существенным усилением электромагнитного поля вблизи границы разделаФК/металл. Данное явление должно приводить к усилению генерации второй и третьей оптических гармоник в случае совпадения частоты излучениянакачки и резонансной частоты возбуждения ТПП.

Поскольку в резонансеТПП максимальное усиление поля наблюдается внутри объема структуры,можно говорить о перспективности метода нелинейно-оптической спектроскопии для зондирования скрытых границ раздела и активных слоёв.Большое число работ посвящено исследованию так называемых гибрид-5ных состояний, которые определяются возбуждением нескольких мод электромагнитного поля в одном экспериментальном образце. В частности, были исследованы гибридные состояния ТПП и экситонов Ванье-Мотта, ТППи микрорезонаторных мод, нескольких таммовских плазмонов. Интерес кизучению гибридных состояний связан с созданием компактных лазеровна основе структур, поддерживающих гибридные состояния. В подобныхструктурах возможна перекачка энергии из одной моды в другую с последующим усилением поля и генерацией когерентного излучения.

Другим типом гибридного состояния, изученным в диссертационной работе, являетсягибридное состояние таммовского и поверхностного плазмон-поляритонов.Важность исследования его свойств обусловлена необходимостью управления законом дисперсии ППП для расширения возможностей существующихсенсоров на их основе. На момент проведения исследований существовалолишь несколько теоретических работ, посвященных данной проблеме. Натекущий момент опубликованы исследования по практическому применению гибридных состояний ТПП и ППП.Целью диссертационной работы является экспериментальное исследование спектральных, угловых и временны́х характеристик оптического отклика фотоннокристаллических структур, поддерживающих возбуждениетаммовских плазмон-поляритонов, а также исследование нелинейно-оптического отклика данных структур.Научная новизна работы состоит в следующем:1.

Впервые измерены кросс-корреляционные функции фемтосекундныхлазерных импульсов, отраженных от структуры ФК/металл при различных углах падения и поляризации излучения. Показано, что в случае возбуждения ТПП кросс-корреляционные функции деформируются, причем величина деформации зависит от поляризации и угла падения излучения.2. Проведена фемтосекундная спектроскопия коэффициента отраженияструктуры фотонный кристалл-металлическая плёнка в схеме «накачка-зонд». Показано, что при перекрытии спектров импульса зонда ирезонансного контура ТПП наблюдается существенное усиление моду-6ляции коэффициента отражения, связанное со спектральным сдвигомрезонанса таммовского плазмон-поляритона.3.

Впервые экспериментально продемонстрировано резонансное усилениегенерации второй и третьей оптических гармоник при возбужденииТПП в структурах ФК/металл. Изучены поляризационная, угловая испектральная зависимости коэффициента усиления. Исследован вопросо механизмах усиления.4. Экспериментально обнаружено гибридное состояние таммовского и поверхностного плазмон-поляритонов при условиях полного внутреннегоотражения излучения от структуры ФК/металл. Показана поляризационная селективность данного состояния и обнаружено расталкиваниедисперсионных кривых ТПП и ППП.Практическая значимость работы заключается в разработке новыхподходов к полностью оптическому управлению электромагнитным полеми разработке новых методик оптического зондирования объектов.На защиту выносятся следующие основные положения:1.

Возбуждение таммовских плазмон-поляритонов в структурах фотонный кристалл-металлическая пленка приводит к модификации фемтосекундных лазерных импульсов, отраженных от данных образцов. Вчастности, наблюдается удлинение заднего фронта импульса, причемвеличина удлинения зависит от угла падения излучения на структуруи от поляризации падающего излучения.2. Изменение комплексной диэлектрической проницаемости тонкой плёнки золота, индуцированное фемтосекундным лазерным импульсом,приводит к спектральному сдвигу резонанса таммовского плазмон-поляритона, возбуждаемого в структуре фотонный кристалл-металлическая плёнка. Спектральная зависимость относительного изменениякоэффициента отражения структуры имеет асимметричный профиль,причем максимальная величина относительного изменения коэффициента отражения структуры фотонный кристалл-металлическая плёнка7в двадцать раз больше, чем металлической плёнки при той же мощности излучения накачки.3.