Диссертация (1097826), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Впервые взаимосвязь между оптическими и магнитнымиявлениями была продемонстрирована в работах М. Фарадея в 1845 г., в которыхон обнаружил явление вращения плоскости поляризации линейно поляризованной волны при ее прохождении через материал, помещенный в продольное магнитное поле [1]. Немного позже Дж. Керр установил, что аналогичный эффектвозникает и в отраженном свете [2]. Кроме того, было показано, что при определенных условиях возникает интенсивностный магнитооптический эффект, состоящий в изменении коэффициента отражения при перемагничивании магнитного материала. Наряду с эффектами Фарадея и Керра существуют и другиемагнитооптические эффекты, связанные с преобразованием поляризации илиинтенсивности падающего излучения.Магнитооптические эффекты имеют наибольшую величину в ферромагнитных металлах, таких как железо, никель и кобальт. В то же время ферромагнит6 ные металлы непрозрачны в видимом и ближнем инфракрасном диапазонах иобладают значительными оптическими потерями.
Поэтому большую значимость имеют ферромагнитные диэлектрики, обладающие несколько меньшейвеличиной магнитооптических эффектов, но в то же время существенно меньшим коэффициентом поглощения. Среди них, необходимо отметить висмут содержащие ферриты-гранаты. Эти материалы могут иметь относительно сложный химический состав, включающий различные редкоземельные ионы. В экспериментальных работах, проведенных в 70-е – 80-е годы прошлого столетиясоветскими и зарубежными учеными, достигнут существенный прогресс в получении материалов, обладающих одновременно большой магнитооптическойактивностью и малыми оптическими потерями [3]. Так, были созданы пленкисостава Bi2Dy1Fe5O12 толщиной около 10 мкм, которые только незначительноменяли интенсивность прошедшего через них света, но в то же время поворачивали плоскость его поляризации на угол 45º.
Полученные результаты позволилипредложить ряд применений магнитооптических материалов в различных оптических устройствах. Некоторые из них получили практическое развитие.Например, на базе эффекта Фарадея созданы оптические невзаимные элементы,необходимые для устойчивой работы лазерных систем.Вместе с тем современный уровень развития технологий приводит к миниатюризации оптических элементов, что накладывает существенные ограниченияна размер их составных частей. В частности, возникает необходимость использовать магнитооптические эффекты в магнитных материалах существенноменьших размеров (порядка 1 мкм или даже меньше).
В этом отношении, чистохимический подход, в котором большие величины магнитооптических эффектов достигаются подбором оптимального состава магнитного вещества, ужепрактически исчерпал себя.В то же время в последнее десятилетие получил распространение новыйподход, в котором оптические свойства материалов модифицируют не только за7 счет изменения химического состава, но и за счет искусственно созданной геометрической структуры. При этом характерный размер геометрической структуры должен быть сравним или быть меньше длины волны излучения, используемого при работе с этим материалом.В случае, когда размеры отдельного структурного элемента материала существенно меньше длины волны излучения, он может рассматриваться как квази-однородный.
Такой искусственно созданный материал получил название метаматериала [4]. В этом случае применимы методы эффективной среды, в которых материал, так же как и однородный, характеризуется диэлектрической проницаемостью ε и магнитной проницаемостью μ, однако эти параметры существенно отличаются от параметров для однородной среды. Подбирая форму,размер и структуру единичного элемента, образующего материал, можно получить резонансные особенности в частотных спектрах ε и μ.
При этом возникаютобласти частот, в которых обе проницаемости становятся отрицательными и реализуется случай отрицательного преломления.Если же размер структурного элемента сравним с длиной волны, то важнуюроль играет не только их форма и размер, но и относительное расположение.Наибольший интерес представляет периодическое расположение элементов.Хотя периодические структуры рассматривались в оптике, начиная с работ лорда Релея в конце IXX века, их большая значимость для современной оптики была раскрыта в работах Э. Яблоновича только в конце 80-х годов прошлого века,вызвавших большой интерес ученых к этому направлению [5]. Тогда же дляописания широкого класса периодических структур был введен термин “фотонный кристалл”, подчеркивающий аналогию между оптикой периодическихструктур и теорией твердого тела, в которой рассматривается движение электронов в периодическом потенциале кристалла твердого тела.
Многочисленныеисследования фотонных кристаллов показали, что оптические явления в нихприобретают резонансный характер и связанные с ними оптические эффекты8 возрастают на один или несколько порядков величины. Это обусловливаетбольшую фундаментальную и прикладную значимость таких материалов.По сути дела, подход, связанный с наноструктурированием оптических материалов, представляет собой новую парадигму в современной оптике, в рамкахкоторой возникает возможность создавать материалы с заданными оптическимисвойствами. Причем возникающие резонансы обусловлены в основном не электронной, а геометрической структурой материала. При этом большую роль играют электромагнитные моды материала, поскольку их возбуждение приводит кнаиболее эффективному взаимодействию падающего излучения с наноструктурированным материалом, а, следовательно, и к наиболее выраженным резонансам различных оптических эффектов.
Характер собственных волн материала зависит от его структуры и от составляющих его веществ. Так, в чисто диэлектрических материалах возможно возбуждение волноводных мод. В то же время вгибридных металло-диэлектрических структурах возбуждаются поверхностныеплазмон-поляритоны (ППП) – связанные колебания электронной плазмы и локализованного электромагнитного поля.Структуры, в которых возможно возбуждение ППП, в настоящее время вызывают повышенный интерес, что даже привело к возникновению нового раздела современной оптики – плазмоники. Большая значимость плазмонполяритонных волн обусловлена высокой степенью их локализации вдоль границы раздела между металлом и диэлектриком и возникающей вследствие этогоконцентрацией электромагнитной энергии.
Это приводит к усилению различных оптических эффектов. Кроме того, локализация электромагнитного поляпозволяет эффективно сочленять оптические элементы и устройства электроники. Металло-диэлектрические структуры, в которых металл или диэлектрикперфорирован периодической системой щелей или отверстий, представляют собой фотонный кристалл для ППП, поэтому по аналогии их можно назвать“плазмонными кристаллами”.9 Поскольку периодическое наноструктурирование позволяет модифицировать оптические свойства различных материалов, следует ожидать, что оно может привести и к значительному усилению магнитооптических эффектов в требуемом диапазоне частот.
Можно предположить, что при распространении света через периодическую структуру магнитооптические эффекты Фарадея, Керраи ряд других эффектов будут резонансно усилены и, кроме того, могут возникнуть новые эффекты, обусловленные наличием структуры.
Таким образом, фотонные кристаллы перспективны для современной магнитооптики.Наряду с этим, в настоящее время существует необходимость модулироватьс помощью периодических структур характеристики не только прошедшего илиотраженного излучения в дальнем оптическом поле, но и собственных волн вближнем оптическом поле. Это, в частности, важно для интегральной оптики, вкоторой информационные потоки передаются импульсами волноводных модили ППП. В этом отношении использование магнитооптических эффектов в периодических системах обладает большими перспективами.Кроме модуляции собственных волн внешним магнитным полем существуют также и другие подходы.
Так, недавно было экспериментально продемонстрировано, что возможно перемагничивание образца посредством фемтосекундных лазерных импульсов круговой поляризации [6]. Кроме того, диэлектрическую проницаемость металла можно сверхбыстро изменять (на временныхмасштабах ~ 500фс) посредством воздействия мощным фемтосекундным лазерным импульсом. При этом меняется дисперсия плазмонных импульсов, распространяющихся вдоль поверхности металла, и возникает возможность управления ими.
Если при этом плазмонный импульс распространяется вдоль периодической структуры, то следует ожидать, что эффективность такого воздействиясущественно возрастет.Целью диссертационной работы является изучение резонансных явлений,возникающих при взаимодействии оптического излучения с периодическими10 наноструктурами, содержащими металлические и магнитные материалы, и разработка новых наноструктурированных материалов для эффективного контроляэлектромагнитных волн в ближнем и дальнем оптических полях.Актуальность работы обусловлена, прежде всего, достаточно слабым наданный момент развитием оптики и магнитооптики периодических структурированных сред, содержащих металлы и магнитные материалы. До сих пор небыло исследовано, как магнитооптические эффекты, хорошо изученные для однородных пленок, модифицируются в структурированных материалах.
Так жене была исследована взаимосвязь резонансных особенностей этих эффектов свозбуждение собственных волн структуры. В работе поднимается такой актуальный вопрос, как возможность управления посредством внешнего магнитногополя или воздействия лазерным импульсом электромагнитными модами в периодически структурированных материалах.Научная новизна работы состоит в следующем:предложен и разработан новый наноструктурированный материал - магнитный плазмонный кристалл, позволяющий эффективно управлять поляризацией и интенсивностью света и поверхностными плазмон-поляритонами посредством внешнего магнитного поля;впервые исследовано резонансное усиление магнитооптических эффектов вмагнитных плазмонных кристаллах и создана теория этого усиления;впервые созданы образцы магнитных плазмонных кристаллов и экспериментально обнаружено резонансное усиление в них экваториального эффектаКерра в 103 раз и эффекта Фарадея в 10 раз по сравнению с магнитнымипленками без плазмонного слоя;предсказан и экспериментально продемонстрирован магнитооптический интенсивностный эффект, возникающий в плазмонных кристаллах за счет возбуждения волноводных мод в волноведущем слое, намагниченном меридионально, т.е.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
