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

Московский государственный университетимени М. В. ЛомоносоваФизический факультетна правах рукописиАфиногенов Борис ИгоревичФемтосекундная и нелинейно-оптическая спектроскопия фотонныхкристаллов в присутствии таммовских плазмон-поляритонов01.04.21 – лазерная физикаДиссертация на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукНаучный руководитель:доктор физико-математических наук,профессор А.

А. ФедянинМосква — 2016ОГЛАВЛЕНИЕ2ОглавлениеВведение5Глава IОбзор литературы121. Таммовские плазмон-поляритоны в фотонных кристаллах . . . . . . . . .121.1. Основные понятия. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .121.2. Оптические свойства таммовских плазмон-поляритонов. . . . .161.3.

Гибридные состояния таммовских плазмон-поляритонов . . . .182. Оптические методы исследования сверхбыстрых процессов . . . . . . . .242.1. Методики измерения длительности фемтосекундных оптических импульсов. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . .242.2. Методика «накачка-зонд» и её применения . . . . . . . . . . . . . . . .273. Усиление нелинейно-оптических эффектов локализованными состояниями электромагнитного поля . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .35Глава IIФемтосекундная динамика релаксации таммовских плазмон-поляритонов441. Измерение стационарных оптических свойств таммовских плазмонполяритонов .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .441.1. Экспериментальные образцы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .441.1.1. Образец серии 1 . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .451.1.2. Образец серии 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .461.1.3. Образец серии 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .461.2. Спектроскопия коэффициентов отражения и пропускания исследуемых образцов . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .48ОГЛАВЛЕНИЕ32. Экспериментальное исследование фемтосекундной динамики релаксации таммовских плазмон-поляритонов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .533. Численные расчеты фемтосекундной динамики релаксации таммовских плазмон-поляритонов. . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .624. Фемтосекундная спектроскопия коэффициента отражения структуры фотонный кристалл-металл при возбуждении таммовского плазмон-поляритона. . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .67Глава IIIГенерация второй и третьей оптических гармоник в структурах фотонный кристалл-металл при возбуждении таммовских плазмон-поляритонов781. Усиление генерации второй оптической гармоники при возбуждениитаммовского плазмон-поляритона в случае резонансной накачки . . .791.1. Спектроскопия интенсивности второй оптической гармоникив образцах серии 1. .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .791.2. Измерение угловой зависимости эффективности генерациивторой оптической гармоники в образцах серии 2 . . . . . . . . . .862. Усиление генерации второй оптической гармоники при возбуждениитаммовского плазмон-поляритона в случае резонансной второй гармоники. . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .893. Усиление генерации третьей оптической гармоники при возбуждении таммовских плазмон-поляритонов в случае двойного резонансанакачки и третьей гармоники . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .924. Численные расчеты усиления генерации второй и третьей оптических гармоник при возбуждении таммовских плазмон-поляритонов994.1. Случай резонансной накачки . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . 1004.2. Случай резонансной второй гармоники . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1044.3. Случай двойного резонанса накачки и третьей гармоники. . . 105ОГЛАВЛЕНИЕ4Глава IVГибридное состояние таммовского и поверхностного плазмон-поляритонов1091. Экспериментальное обнаружение гибридного состояния таммовского и поверхностного плазмон-поляритонов . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . 1091.1. Экспериментальная установка . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1091.2. Исследование оптических свойств гибридного состояния таммовского и поверхностного плазмон-поляритонов методом частотно-угловой спектроскопии . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1112. Численные расчеты и аналитическая модель гибридного состояния115Заключение124Список литературы126ПриложениеМетод матриц распространения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141Введение5ВведениеДиссертационная работа посвящена экспериментальному исследованию оптических и нелинейно-оптических свойств структур фотонный кристалл-металлическая плёнка (ФК/металл) методами фемтосекундной и нелинейно-оптическойспектроскопии.

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 и изучению оптических свойствгибридных локализованных состояний в данных структурах.В последнее десятилетие существенно возрос интерес к созданию новых элементных баз для вычислительных устройств, призванных заменить существующие электронные компоненты. Одной из альтернатив являются оптическиекомпьютеры, в которых источником сигнала служат световые импульсы. Важным направлением исследования в данной области является изучение оптических свойств локализованных состояний электромагнитного поля. К подобным состояниям можно отнести поверхностные плазмон-поляритоны (ППП),поверхностные электромагнитные волны в фотонных кристаллах (ПЭВ) и моды оптических волноводов.

Возбуждение описанных состояний характеризуется увеличением локальных электромагнитных полей, что приводит к усилениюнелинейно-оптических эффектов, таких как генерация оптических гармоник,нелинейно-оптический эффект Керра и других. Указанные эффекты позволяютговорить о возможности применения локализованных состояний для созданияактивных элементов фотоники, лазеров и полностью оптических модуляторовизлучения.Актуальность работы обусловлена проблемой полностью оптического управления электромагнитным излучением на фемтосекундных масштабах времени.Исследуемые в данной работе образцы представляют собой набор диэлектрических слоёв (одномерный ФК), покрытый полупрозрачной плёнкой металла.Они обладают уникальными оптическими свойствами, определяющимися преж-Введение6де всего геометрией структуры и, во вторую очередь, диэлектрическими свойствами материалов, входящих в неё.

В данных структурах возможно возникновение локализованных состояний электромагнитного поля, получивших название таммовских плазмон-поляритонов (ТПП), во многом схожих по свойствамс ППП, ПЭВ, микрорезонаторными модами в фотонных кристаллах и др. В тоже время, ТПП отличаются слабыми требованиями к параметрам возбуждающего излучения, в частности, для возбуждения данных состояний не требуетсявыполнения условий синхронизма тангенциальных компонент волновых векторов, ТПП могут возбуждаться для любой поляризации падающего излучения.В спектрах коэффициентов отражения и пропускания струткур ФК/металлданные состояния проявляются в виде узких резонансов на частотах внутрифотонной запрещённой зоны (ФЗЗ) ФК.

За счёт изменения геометрии структуры можно добиться перестройки резонансной частоты возбуждения данныхсостояний в широком спектральном диапазоне. Поскольку спектральная ширина резонанса ТПП составляет несколько нанометров, ожидается, что времяжизни ТПП составляет несколько десятков фемтосекунд. С другой стороны,из-за малой спектральной ширины резонанса ТПП, незначительный сдвиг егоцентральной частоты должен приводить к существенному изменению условийотражения излучения на длинах волн, соответствующих склонам резонансногоконтура. Указанные свойства определяют перспективу использования ТПП вновых полностью оптических устройствах управления электромагнитным излучением и мотивируют исследования временно́й динамики возбуждения и релаксации данных состояний, а также исследования модификации оптическогоотклика структур ФК/металл при возбуждении ТПП. Систематических исследований данных вопросов до настоящего времени не проводилось.Как было показано теоретически, возбуждение ТПП связано с существенным усилением электромагнитного поля вблизи границы раздела ФК/металл.Данное явление должно приводить к усилению генерации второй и третьейоптических гармоник в случае совпадения частоты излучения накачки и резонансной частоты возбуждения ТПП.