Диссертация (Фемтосекундная и нелинейно-оптическая спектроскопия фотонных кристаллов в присутствии таммовских плазмон-поляритонов), страница 4

Исследуемый образецфотонного кристалла содержал магнитные слои висмут-замещенного иттриевого граната, в которых происходило фарадеевское вращение плоскости поляризации излучения, проходящего через ФК. При возбуждении ТПП на границе раздела такого фотонного кристалла и тонкой немагнитной металлическойпленки величина результирующего фарадеевского угла поворота резонанснымобразом увеличивалась до 4 раз вблизи длины волны возбуждения ТПП.В работе [29] было показано, что возможно уменьшение величины поглощения электромагнитного поля в металле при возбуждении ТПП в структуре,подобной фотоннокристаллическому микрорезонатору.

В подобных структурахвозможно возбуждение нескольких мод ТПП, характеризующихся различнымпространственным распределением электромагнитного поля. У некоторых моднаблюдается локализация в металлических слоях пучностей поля, что приводитк усилению поглощения. У других мод наблюдается локализация узлов поля,следствием чего является уменьшение поглощения излучения и более высокаядобротность резонанса ТПП.1.3. Гибридные состояния таммовских плазмон-поляритоновТаммовские плазмон-поляритоны возбуждаются на внутренней границе раздела фотонного кристалла и металла при любом угле падения и поляризацииГлава I.

Обзор литературы19излучения. Частоту их возбуждения можно варьировать в пределах ФЗЗ ФКпутем изменения толщин металла и верхнего слоя ФК. Подобная «неприхотливость» таммовских плазмонов к условиям возбуждения стала определяющей для развития большого направления исследований структур, в которыхтаммовские плазмон-поляритоны могут быть возбуждены наравне с другимилокализованными состояниями (ЛС).

Кроме того, была продемонстрированавозможность создания лазеров [30, 31], однофотонных источников [32] и перестраиваемых источников излучения [33] на основе гибридных остояний ТПП иэкситонных мод. Большое количество проведенных в этой области исследований объяснялось тем, что закон дисперсии возникающего «гибридного» состояния ТПП-ЛС существенно модифицирован по сравнению с законами дисперсииТПП и ЛС, возбуждающихся независимо.

Кроме того, управляя одним из законов, можно косвенно управлять и вторым, что особенно важно в случае состояний, которые являются немодифицируемыми при независимом возбуждении.Статья [34] посвящена исследованию гибридного состояния ТПП и микрорезонаторной моды1 . Для экспериментального изучения был изготовлен фотонный кристалл с микрорезонаторным слоем, внутри которого находилась пленкасеребра в форме клина толщиной от 0 нм до 40 нм. Схема образца показана нарисунке 1.4(а) В результате спектроскопии коэффициента пропускания образцапри различных значениях толщины серебряной пленки было показано, что приувеличении толщины плёнки серебра, амплитуда резонанса микрорезонаторноймоды уменьшается, в то время как амплитуда резонанса ТПП увеличивается.Были получены зависимости спектральных положений микрорезонаторной моды и ТПП от толщины микрорезонаторного слоя, показанные на рисунке 1.4(б).оказано, что дисперсионные кривые микрорезонаторной моды и ТПП расталкиваются.В работе [35] рассматривался фотонный кристалл, состоящий из слоев AlAs/1Авторы статей [31,34] во введении к [31] говорят о гибридном состоянии микрорезонатор-ной моды и двух таммовских плазмон-поляритонов и приводят экспериментальные данные,на которых явно видно три возбуждения.

Однако далее в численных расчетах и обсужденииречь идет уже только об одном ТПП и микрорезонаторной моде.Глава I. Обзор литературы20Рис. 1.4: (а) Схема образца. Толщина слоя серебра, внесенного в микрорезонаторменяется плавно от 0 до 40 нм на расстоянии в 100 мкм. (б) Результаты численногорасчета коэффициента пропускания образца, показывающие зависимость длины волны возбуждения таммовского плазмон-поляритона от толщины микрорезонаторногослоя. Видно, что два резонанса не могут возбуждаться при одной и той же длиневолны [34].GaAlAs, покрытый серебряной пленкой. Кроме того, слои GaAlAs содержали квантовые ямы InGaAs, обеспечивавшие возбуждение экситона. Измеренчастотно-угловой спектр коэффициента отражения образца без серебряной пленки для получения дисперсионной кривой экситона.

Затем такие же измеренияпроводились для образца с нанесенной пленкой металла. При этом в спектре коэффициента отражения наблюдалось несколько резонансов, соответствующихвозбуждению ТПП и экситона (рис. 1.5). На рисунке 1.5(а) приведен частотноугловой спектр образца без серебряной пленки, на котором явно видна дисперсионная кривая экситона. На рисунке 1.5(б) показан спектр образца с серебряной пленкой. На нем видны две непересекающиеся кривые, соответствующиеТПП и экситону.

Пунктирными линиями отмечены теоретические дисперсионные кривые каждого возбуждения по отдельности. Видно, что при возбуждении гибридного состояния дисперсионные кривые отталкиваются. Кроме того,измерялись спектры люминесценции структуры для разных углов падения излучения. При возбуждении ТПП в спектре люминесценции появлялись два бо-Глава I. Обзор литературы21Рис. 1.5: (а) Экспериментальный и (б) численный частотно-угловой спектр коэффициента отражения [35].ковых пика, спектральные положения которых существенно зависели от углападения излучения на образец. Был сделан вывод о связи этих пиков с возбуждением гибридных состояний экситона и ТПП. В работе [36], вышедшей сразупосле [35], приводится теоретическое обоснование возможности возбуждениягибридного состояния экситона и ТПП.

Проведены расчеты количественногосдвига дисперсионных кривых экситона и ТПП.В работе [31] изучался образец аналогичный образцу из работы [34]. Авторы также исследовали взаимодействие микрорезонаторной моды и ТПП, однакопомимо спектральных были получены и угловые зависимости. Было показано,что с увеличением угла падения ТПП расщепляется на две моды с ортогональными поляризациями, а также построена строгая теоретическая модельвзаимодействия микрорезонаторной моды и ТПП.Статья [37] стала продолжением работы [31]. Авторы исследовали структуру, показанную на рисунке 1.6. В такой структуре одновременно возбуждаются два таммовских плазмон-поляритона и микрорезонаторная мода. Дисперсионные кривые этих возбуждений в части 3 образца расталкиваются весьмасложным образом, позволяющим добиться перекачки энергии в то возбуждение, которое может излучать за пределы структуры.

Авторам удалось добитьсяГлава I. Обзор литературы22Рис. 1.6: Схема образца с микрорезонаторным слоем. Область 1 не содержит металла.Область 2 содержит слой серебра толщиной 40 нм. В области 3 все слои периодическиструктурированы (период полос 7.4 или 11.1 мкм) [37].когерентного излучения при облучении структурой нерезонансной накачкой.В работе [38] были проведены исследования свойств ТПП, возникающих награнице раздела ФК – металлический микродиск2 . В качестве образца использовался одномерный фотонный кристалл GaAs/AlAs с квантовыми точками,внедрёнными в верхний слой, на который были нанесены микродиски золотадиаметром от 1.7 до 20 мкм. Исследовались спектры люминесценции квантовыхточек над микродисками разного диаметра.

На рисунке 1.7 показаны частотноугловые спектры интенсивности люминесценции квантовых точек в зависимо-Энергия фотона, эВсти от размера золотых дисков. Видно, что для диска диаметром 20 мкм, вмкммкммкммкммкмРис. 1.7: Частотно-угловые спектры интенсивности люминесценции квантовых точекдля различного размера золотых микродисков [38].спектре наблюдается парабола, соответствующая закону дисперсии ТПП. Длядисков диаметров 4 мкм и меньше параболического закона дисперсии не наблю2Статья [39] тех же авторов, вышедшая в 2012 году, является определенным повторениемданной работы, включающим несколько новых результатов.

В частности, в ней приводятсярасчеты, позволяющие увеличить эффективность фотолюминесценции структуры, предложенной в работе [38].Глава I. Обзор литературы23дается: в спектрах можно выделить дискретные энергетические моды, энергиякоторых увеличивается с уменьшением размера дисков.Статья [40] посвящена теоретическому исследованию одновременного возбуждения таммовского и поверхностного плазмон-поляритонов. Рассматривается тройная система «одномерный ФК – пленка серебра – планарная золотаянаноструктура». ППП в такой структуре может возбуждаться дифракционнымобразом.

В работе теоретически показано, что дисперсионные кривые ТПП,ППП и локализованного плазмона расталкиваются при их одновременном воз-Длина волны, нмбуждении (рис. 1.8). Теоретически показано усиление поля в области перекры-ЛППрасталкиваниеПППdm, нмРис. 1.8: Зависимость длины волны возбуждения поверхностных состояний от толщины верхнего слоя фотонного кристалла.