Отзыв оппонента И.В. Иорша (Фемтосекундная и нелинейно-оптическая спектроскопия фотонных кристаллов в присутствии таммовских плазмон-поляритонов)

ОТЗЫВ официального оппонента на диссертацию Б. И. Афиногенова «Фемтосекундная и нелинейнО-оп гическая спектроскопня фотонных кристаллов и присутствии гаммовских плазмон-поляритоновэ, представленную на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.21 - лазерная физика Диссертационная работа Б.И. Афиногенова посвящена исследованию оптических и нелинейно-Оптических свойств таммовских плазмон-поляритонов в системах фотонный кристалл — металлическая пленка. Таммовские плазмон поляритоны ~ТПП) являются лОкалитованными состояниями злект1юмаГнитнОГО ПОля и активно изучиОтся иа протяжении последних десяти лет.

Диссертация состоит из Введения, четырбх глав н Заключения. Список цитированной литературы содержит 119 ссылок. Материал изложен на страницах с 1й по 125ю, а также на страницах 140 — 142 Приложения. Во Введении дана общая характеристика работы, обоснован выбор темы Диссертации и указаны причины интереса к изучению оптических свойств ТПП. Кроме того. во Введении сформулирована актуальность работы. ей научная новизна и практическая значимость, приведбн перечень положений, выносньгых на защиту, с указанием личного ~клада авто1за Диссертации.

Даны сведения об апробации работы на ведущих всероссийских и международных конференциях, а также в виде публикаций в журналах, входящих в международные базы Феб о1 Бс1епсе, Бсорпз. Гла~а 1 содержит обзор литературы по теме диссертации. В неча~с обзора приводится аналогия между задачами из квантовой механики и оптики и объясняетсл происхождение термина «таммовский плазмон-полярнтонл. Далее следует информация об оптических свойствах ТПП и их гибридных состояний.

Вторая часть первой главы посвящена обзору оптических методик детектирования сверхбыстрых процессов в твбрдых телах и наноструктрурах, а также некоторым интересным результатам, полученным с их помощью. Третья ~леть содержит информацию о механизмах усиления нелинейиоОптмческих зффектов лОкализОванными состояниями злектромапзитного поля. Обзор ~ап~~ан логично и структурированно. содерхпгг всю информацию, важную понимания дальнейшего текста Диссертации. и показывает глубокое знание Б.И.

Афиногеновым областей исследования по теме Диссертации. В конце Главы 1 приведен перечень выводов. сделанных автором из литературы. а также сформулированы цели и задачи исследования в рамках диссертационной рабаты. 1 лава В посвящена и~~ледованию фемтасекундной динамики ТПП с ~омощью красскорреляцианных методов и мегодики «накачка-зонд». В начале приводятся характеристики образцов. представляющих собой одномерные фотонные кристаллы (брэгговские отражатели). покрытые полупрозрачными плйнками металлов (золото и серебро). Показаны результаты спектроскопии коэффициентов отражения и пропускания, а также результаты численных расчетов методом матриц распространения, в хорошей степени совпадающие с экспериментам.

Вторая часть Главы В содержит информацию об изучении временной динамики релаксации ТПП методом измерения кросс-корреляционных функций (ККФ) лазерных импульсов, отраженных от образцов. Для данных исследований использовалась установка, детальное описание которой приведено в тексте Диссертации. Установка позволяла измерять ККФ импульсов с центральной длиной волны в диапазоне 760 — 810 нм, отраженных от образцов под угламн ат 7 до 45 градусов, с временньгм разрешением 1 фс. Высокая точность измерений обусловливалась полной автоматизацией установки н исполыюванием схем сннхроннага дегектирования.

Автором показано. что при отражении импульса длительностыа 50 фс от образца возникает удлинение заднего фронта ККФ. связанное с переизлучением света из моды ТПП. Из анализа затянутого заднего фронта ККФ делается вывод а времени жизни ТПП, составляющем несколько десятков фемтосекунд. Подобные измерения прн различных углах падения и поляризации фемтасекундных импульсов показали. что время жизни ТПП существенно зависит ат вышеуказанных параметров и может изменяться в пределах от 21 до 42 фс.

Были также проведены численные расчеты методом конечных разностей во временной области, пазволящие по известной ККФ восстановить временной профиль электрического поля импульса, отраженного от образца. Согласие численных расчетов и экспериментальных результатов говорит в поддержку точности измерений и правильности интерпретации полученных результатов. Четвертая часть второй ~лавы посвящена исследованию влияния возбуждения ТПП на фемтасекундную динамику коэффициента отражения образца фотонный кристалл— металлическая пленка.

Известно. что взаимодействие лазерного излучения с электронной подсистемой металла приводит к модуляции диэлектрической проницаемосги металла (ДП). Как была показана в литературе. длина волны возбуждения ТПП зависит от действительной части ДП. а ширина резонансного контура — от мнимой части ДП. Таким образом. при модуляции ДП металла возникает спектральный сдвиг и изменение ширины резонанса ТПП. Для изучения данного эффекта Автором использовалась методика фемтосекундной спектроскопии коэффициента отражения образца фотонный кристалл-- металлическая плбнка в схеме «йакачка-зойд». Схема была реализована в эксперймейтальйой установке, подробйо опйсанйоЙ в тексте Диссертации. Автоматизацйя установки н использование схемы синхронного детектирования с высокой частотой модуляции, а также использование кросс-цолярнзационной схемы позволило добиться точности измерения относительного изменения коэффициента отражения на уровне 10 '.

В спектре отйосйтельного измейеййя коэффициента отражения образца йаблюдается асимметричныЙ резонанс, связанныЙ со спектральным сдвигом контура ТПП. Глава 11! содержит обширный материал по нелинейно-оптической спектроскопии образцов при возбуждении в них ТПП. В работе рассмотрены трн случая усиления генерации оптических гармоник. Первый соответствует условиям локализаций электромагнитного поля излучения накачки на границе раздела фотонный кристалл— металл из-за возбуждения ТПГ1. Поскольку интенсивность второй оптической гармоники 1ВГ) пропорциональна квадрату интенсивности излучения накачки, локализация поля прйводйт к резонансному усйлеййю йнтейсйвйостй ВГ прй вьгполнеййй условий возбуждения ТПП.

Автором была проведена частотная и угловая спект1юскопия интенсивности ВГ. генерированной в образце и в референсной металлической плбнке и показано. что возбуждение ТПП в образце приводит к увеличению интенсивности ВГ в 200 раз. Приведбнные результаты численного расчйта методом матриц распространения с учетом йелййеййостй сдоба совпадакл с эксперймейтальйымй даййымй с очейь хорогпей точностью. ВтороЙ случаЙ усиления генерации ВГ в образце соответствует увеличению фактора Парселла на частоте ВГ при условии ее совпадения с резонансной частотой ТПП. Данный случай интересен тем.

что накачка является нерезонансноЙ то есть в образце не возникает локализаций электромагнитного поля излучения накачки. В то же время эффективность генерации ВГ увеличивается на собственных частотах образца. в частности на частоте возбуждения ТПП. Эффект аналогичен эффекту Парселла, описывающему увеличение вероятйостй спонтайного излучения у сйстемы, помещенноЙ в резойатор. В даййом случае излучающей системой является тонкий прнповерхностный слой металла на границе раздела металл — фотонный кристалла, а в качестве резонатора выступает образец, который обеспечивает с одной стороны металлическое отражение, а с другой стороны — брэгговское.

Результаты эксперимента в этом случае также сравниваются с реэуль*агами раечка ~~тодо~ матриц распространения. Третий случай, описанный в Главе Ш. соответствует комбинации двух. описанных выше. За счет специальной геометрии фотонного кристаала, излучение накачки оказывается в резонансе с фундаментальной модой ТПП„а излучение третьей оптической гармоники (ТГ) - в резонансе с высшей модой ТПП. Таким образом интенсивность ТГ Оказывается усиленной за счет обоих вьппеуказанных механизмов. Приведены результаты угловой зависимости интенсивности ТГ для различных комбинаций поляризаций излучений накачки н ТГ.

показано, что максимальный нелинейно-оптический отклик наблюдается для рр-комбинации поляризаций. Кроме того, вид угловой зависимости интенсивности ТГ н амплитуда инка. Связан~~~о с ТПП, зависит от Ориентации образца относительно падающего излучения. Данный эффект по-видимому связан с разным типом пространственного распределения электромагнитного поля в Образце при различных Ориентациях и является интересным с точки зрения управления эффективностью генерации Оптическон гармоники. Глава ! У Диссертации посвящена изучению гибридного состояния ТПП и поверхностного плазмона (ПП). Иесмот)эя на простоту экспе)эиментальной установки, полученные результаты являются крайне наглядными и лажными с точки зрения возможности управления днсперснон ной кривой ПП. Метод частотно-угловой спектроскопии коэффициента отражения, использованный автором.

позволяет напрямую визуализировать дисперсионные законы таммовского и поверхностного плазмонов. Показано. что возбуждение гибридного состояния приводит к расталкиванию днсперсионных кривых ТПП н ПП. прнчйм последняя смещается в длинноволновую область спектра на 80 нм по сравнению с дисперсионной кривой ПП, возбуждающегося независимо от ТПП. Численные расчйгы показывают, что величиной смещения можно управлять, изменяя толщину металлической плбнки, причбм при больших тол1цинах последней (около 70 нм) гибридизация не возникает, то есть ТПП и ПП возбуждаются в образце незавнсимО.

По диссертационной работе имеются следукнпне замечания. ). На мой взгляд. во вступительной части работы можно бы было уделить больше внимания тому„чтобы указать в чем Отличия (преимуществ~/недосгаткн) систем, поддерживающих Таммовские плазмон-полярнтоны по сравнению с плазмонными наноструктурамн нлн микро(эезонаторамн с точки зрения нх нелинейных оптических свойств. 2.

На мой взгляд, разделение причин усиления генерации второй гармоники на обусловленные эффектом Парселла н усилением локального поля является нескОлько искусственно в случае пространственно-ряс пределе нньгх истОчникОВ сигнала второй гармоники (объемного нелинейного кристалла), В атом случае, оба эффекта являктгся взанмосвязными и трудно разделимыми. Учет обоих эффектов в этом ~лучае правильней проводить В рамках формализма функций Грина. Сделанные замечания не снижжот общей высокой оценки работы Б.И. Афиногенова. Научные результаты н выводы диссертации детально обоснованы. Достоверность и новизна научных положений не вызывает сомнения. В тексте диссертации автор явно выделяет его личный вклад в получении научных результатов, Основные результаты диссертации опубликованы в ведущих зарубежных журналах и неоднократно докладьгвались на международных конференциях.

Автореферат правильно отражает содержание диссертации, На основании вьппесказанного считазо, что диссертация Б.И. Афиногенова является Оригинальным научным трудом, результаты кОтороГО имегот как научнОС. так и практическое значение. Диссертация удовлетворяет всем требованиям ВАК России для диссертаций, представляемых на соискание ученой степени кандидата физикоматематических наук по специальности 01.04.21 — лазерная физика, а ее автор, Борис Игоревич Афиногенов, заслуживает присуждения ученой степени Кандидата физикоматематических наук, Иорш Иван Владимирович К.ф,-м.н., Доцент кафедры Нанофотоннкн и Метаматерналов„ Университет ИТМО, Санкт-Петербург, Биржевая линия 14, 199034 Тел.

+79052195432 1: ~ййф~ф1ЬМ~й.щ .