Диссертация (1097826), страница 19

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 19)

В соответствии с этим, дисперсионныекривые, обозначенные (1) относятся к модам 1-го порядка, (2) – к модам второгопорядка и (3) – к модам третьего порядка (рис. 2.16).Единственная компонента ТЕ-моды ( E y ) касательна к границе разделамежду металлом и диэлектриком.

С другой стороны, электромагнитное полеTM-мод имеет электрическую компоненту, перпендикулярную к этой границе( E z ). Поэтому из граничных условий следует, что TE-моды менее чувствительны к наличию щелей в золотом слое плазмонного кристалла. Это приводит кболее узким резонансам, связанным с ними, и к большей величине добротностиТЕ-мод по отношению к добротности ТМ-мод. Кроме того, дисперсия ТЕ-модсущественно ближе к дисперсии волноводных мод в волноводе с однороднымистенками. Напротив, дисперсионные кривые ТМ-мод существенно отклоняются120 от дисперсионных кривых для волновода с однородными стенками.

Это выражается в том, что в плазмонном кристалле образуются достаточно широкиестоп-зоны для ТМ-мод (рис. 2.16а). Поле ТМ-мод имеет локализацию околограницы с металлической решеткой, поэтому можно сказать, что ТМ-моды обладают плазмонными свойствами (рис. 2.16б).с-1с-1(3)(2)(2)(1)(a)(б)Рис. 2.16: (а) Рассчитанная дисперсионная диаграмма для TM- (черные кривые)и TE-мод (серые кривые) экспериментально изученного плазмонного кристаллав ненамагниченном состоянии.

На вставке показана область вблизи точки Г, вкоторой имеет место вырождение ТМ- и ТЕ-мод. Закрашенные и открытыекружки показывают симметричные и антисимметричные моды, соответственно.Числа (1) – (3) показывают номер порядка моды (см. в тексте). (б) Контурныеграфики распределения компонент электромагнитного поля ТМ-мод E z и H y вточке Г. Все величины нормированы на единицу [181].121 Кроме волноводных мод также возможно возбуждение локализованныхплазмонных ТМ-мод. В изученном образце плазмонного кристалла наблюдаетсягибридизация волноводной ТМ моды и локализованной моды, в результате чегонаблюдаются две гибридные моды на частотах 2, 746  1015 c 1 и 2,817  1015 c 1 .

Этоподтверждено распределением компонент поля H y и E z на этих частотах(рис. 2.16б).Важной особенностью изучаемого плазмонного кристалла является то, чтоего ТМ- и ТЕ-моды 1-го порядка в точке Г имеют практически совпадающуючастоту (см. вставку к рис. 2.16), соответствующую длине волны λ = 705 нм.Спектры пропускания для падающей почти по нормали (угол паденияθ = 0,3°) ТМ-поляризованной волны (ψ = 0º) в изучаемом диапазоне длин волнимеют три резонанса Фано, связанных с возбуждением симметричных ТМ-мод(верхняя кривая на рис. 2.17а).

Аналогично, спектры пропускания для падающей почти по нормали ТЕ-поляризованной волны (ψ = 90º) имеют три резонансаФано, связанных с возбуждением симметричных ТЕ-мод (верхняя кривая нарис. 2.17б). При падении света, близком к нормальному антисимметричные моды практически не возбуждаются и в спектрах они никак не проявляются.Свет промежуточной поляризации, соответствующей углу   36 возбуждает одновременно и ТЕ- и ТМ-моды, что наблюдается в спектре пропускания(рис. 2.17в). Это наиболее выражено для ТМ- и ТЕ-мод 3-го порядка, т.к. ониразнесены спектрально по длине волны на 10 нм. При этом спектр пропусканияимеет две особенности при длине волны 639 нм (TM-резонанс) и 649 нм (TEрезонанс).122 620640STM3660680700S720740TM10.150.150.100.100.004230620700S720740STM2TM110-1-2-6680(b)(б)0.002660STM30.05x x (a)(а)6-46400.200.05620STM20.20-2ASTE3640ASASTE2TE1-3660 680 700720wavelengthλ (нм) (nm)620740AS620640ASTE2660680TE1700720740wavelengthλ (нм)(nm)640STM30.20ASTE3660680STM2700720740STM10.150.100.050.0015(c)(в)10x50-5-10AS-15TE3-20620640ASTE2660680700wavelengthλ (нм)(nm)ASTE1720740Рис.

2.17: Экспериментально измеренные спектры пропускания (верхние кривые) и нечетный (тонкие нижние кривые) и четный (толстые нижние кривые)МИЭ при трех различных углах поляризации: ψ = 0° (a), ψ = 90° (б) и ψ = 36°(в). Угол падения около 0,3°. МИЭ измерен при внешнем магнитном поле160 мТл. Стрелки показывают положение ТЕ- и ТМ-резонансов, найденные иззакона дисперсии на рис. 2.16 [181].Если внешнее магнитное поле достаточной величины приложено в плоскости плазмонного кристалла и перпендикулярно щелям, то магнитная пленкастановится однородно намагничена в плоскости. В результате спектры пропускания модифицируются и возникает МИЭ вблизи частот квази-ТЕ-мод123 (рис.

2.17). И четный, и нечетный эффекты принимают наибольшие значения надлине волны 705 нм, на которой одновременно возбуждаются квази-ТМ- и квази-ТЕ-моды. При этом четный эффект достигает величины δeven = 0,6 %, а нечетный δodd = 2 %.При освещении структуры волной ТМ- или ТЕ-поляризации возникаеттолько четный МИЭ (толстая красная линия на рис. 2.17а,б). Нечетный эффектвозможен исключительно при промежуточных поляризациях падающей волны,т.е.

при 0    90 (например, при   36 , рис. 2.17в). Он возникает как только симметрия освещения нарушается, т.е. при наклонном падении света. Поэтому нечетный эффект уже достаточно большой при очень малом угле падения  0, 3 и только незначительно возрастает при больших углах падения. Этоего сильно отличает от нечетного интенсивностного эффекта для гладких пленок, который достигает максимума при больших углах падения.4.3.2. Проявление эффекта в ближнем оптическом полеКак следует из приведенного выше анализа, МИЭ связан с модификациейоптического ближнего поля, вызванной внешним магнитным полем.Поскольку и четный, и нечетный эффекты связаны с возбуждением одних итех же мод, в этом параграфе рассмотрим подробнее только четный МИЭ.Распределение электромагнитного поля в области плазмонного кристаллапри падении ТМ-поляризованного излучения на длине волны, соответствующейвырождению (λ=705 нм), для ненамагниченной и меридионально намагниченной структур свидетельствует о появлении квази-ТЕ-моды в последнем случае(рис.

2.18a,б). Это следует из возникновения компоненты поля E y , которая является одной из основных компонент квази-ТЕ-моды (рис. 2.18б). Пространственное распределение E y совпадает с распределением E y в квази-ТЕ-моде124 (рис. 2.18б,в). При намагничивании плазмонного кристалла распределение компоненты поля H y почти не изменяется (рис. 2.18д,е). Это указывает на то, чтоМИЭ, связанный с квази-ТМ-модами, существенно слабее.Рис.

2.18: Контурные графики распределения электромагнитного поля в областиплазмонного кристалла. (a,б): Поле Ey в ненамагниченной (a) и в намагниченной(б) структурах при нормальном падении ТМ-поляризованного света. Поле нормировано на компоненту поля Hy падающего света. (в,г): Компоненты поля Ey(в) и Hy (г) квази-TE-моды в намагниченной структуре. (д,e) Компонента поляHy в ненамагниченной (д) и намагниченной (е) структуре при нормальном падении TM-поляризованного света. Длина волны падающего света λ=705 нм.125   705 нм(а)z y (б)H x H k B   705 нмkB=0Hy10H||5.13.451.700.0-5-10(в)  651 нм(г)H H k B   651 нмkB=0Hy10H||0.30.250.100.0-5-10Рис. 2.19: Рассчитанное распределение магнитного поля электромагнитной волны в плазмонном кристалле. Компонента магнитного поля H y , параллельнаящелям золотой решетки, показана контурными графиками.

Компонента магнитного поля волны, лежащая в плоскости, перпендикулярной щелям решетки H ||( H||  H x e x  H z e z , где e x и e z - единичные векторы вдоль осей Ох и Оz, соответственно) показана стрелками. Распределение поля показано на длинах волн705 нм (а,б) и 651 нм (в,г) для намагниченного (а,в) и ненамагниченного (б,г)плазмонного кристалла. Свет падает под прямым углом и имеет ТМполяризацию. Параметры плазмонного кристалла соответствуют экспериментально исследованной структуре. Внешнее магнитное поле B = 160 мТл. Поскольку компоненты поля H y и H || смещены относительно друг друга по фазена  2 , то они показаны в различные моменты времени, при которых они принимают максимальные по модулю значения [182].126 В согласии с приведенным выше анализом, основные компоненты полявозбужденной квази-ТЕ моды антисимметричны (например, компонента поляE y , см.

рис. 2.18в), а индуцированные компоненты поля этой моды симметричны (например, компонента поля H y , см. рис. 2.18г).На рис. 2.19 показано распределение двух ортогональных компонент магнитного поля электромагнитной волны в плазмонном кристалле при возбуждении квази-ТЕ мод 1-го и 3-го порядков. Видно, что их амплитуды различаютсяпримерно в 5 раз, что указывает на то, что перекачка энергии из ТМ в ТЕ модунаиболее эффективна, когда квази-ТМ мода возбуждается в структуре. Отношение энергии электромагнитного поля двух мод, примерно равное 25, хорошо согласуется с наблюдаемым отношением величины четного МИЭ вблизи двух резонансов, равным 19 (Рис.2.17а).Для экспериментального образца симметричные и антисимметричные ТЕмоды практически совпадают. Кроме того, они также спектрально близки к ТМмодам.

Поэтому для изучения взаимосвязи между симметрией мод и МИЭ рассмотрим структуру, для которой симметричные и антисимметричные ТМ- и ТЕрезонансы достаточно разделены по частоте (рис. 2.20). В согласии с рассуждениями выше, из рис. 2.20а следует, что наибольший МИЭ возникает именно начастотах антисимметричной квази-ТЕ-моды.Поскольку магнитное поле также модифицирует ТМ-моды, следует ожидать при падении ТМ-поляризованной волны (ψ = 0°) появление МИЭ и вблизичастот квази-ТМ-мод. Расчеты показывают, что на этих частотах МИЭ действительно возникает, но его величина существенно меньше (на два порядка величины), чем величина эффекта вблизи ТЕ-мод. Антисимметричные квази-ТМмоды и симметричные квази-ТЕ-моды не приводят к какому-либо эффекту, таккак при нормальном падении ТМ-поляризованной волны их возбуждение невозможно.127 TESASTM TMeven (x103)1.0TMTEATMTESTEA TMSТМполяризацияTM-pol.incidenceпадающего света0.50.0-0.5-1.0(a)(а)ТEполяризацияTE-pol.incidenceпадающего света0.5even (x103)SA0.0-0.5(b)(б)660680700720740wavelength(nm)λ (нм)Рис.

2.20: Четный МИЭ, рассчитанный для плазмонного кристалла со следующими параметрами: d = 360 нм, высота решетки hm = 63 нм, ширина щелей r = 270 нм, толщина магнитиной пленки hd = 860 нм). (a) Падающая волнаTM-поляризована, (б) падающая волна ТЕ-поляризована. Вертикальные линиипоказывают спектральное положение ТМ-мод (черные линии) и TE-мод (серыелинии), которые симметричны (штриховые линии) или антисимметричны(штрих-пунктирная линия). Свет падает по нормали. Оптические и магнитооптические параметры плазмонного кристалла соответствуют экспериментальному образцу [181].Теперь обратимся к случаю, когда структуру освещают ТЕ-поляризованной(ψ = 90°) волной (рис.

Характеристики

Список файлов диссертации