Диссертация (1097826), страница 22
Текст из файла (страница 22)
Следовательно, их положение, главным образом, зависит оттолщины магнитной пленки hd и от периода решетки. В то же время максимумкоэффициента пропускания связан с возбуждением бегущего ППП, или возбуждениемщелевоймодыФабри-Перо,илислокализованнойплазмон-поляритонной модой. Частоты возбуждения этих собственных волн структурызависят не только от толщины магнитной пленки, но также сильно зависят и отширины щели, от толщины металлической решетки hm и от периода решетки.Таким образом, меняя либо ширину щели, либо толщину магнитной пленки,удается достичь совпадения пиков в спектрах угла Фарадея и оптического пропускания.Еще одной особенностью резонансов эффекта Фарадея на частотах квазиТЕ-мод является то, что эллиптичность Ψ обращается в ноль на частоте максимума угла Фарадея (рис.
3.3). Это также крайне важно для практических применений плазмонных кристаллов для усиления эффекта Фарадея. Вблизи резонан144 са Φ и Ψ демонстрируют спектральные зависимости, аналогичные зависимостям, соответственно, мнимой и действительной частей диэлектрической проницаемости вблизи линии поглощения в соответствие с соотношениями Крамерса-Кронига. Это может быть объяснено следующим образом. Как следует изуравнений (1.5) и (1.6), для однородных пленок ~ g ' , а ~ g '' , и поэтомувблизи линии поглощения они действительно подчиняются соотношениям Крамерса-Кронига.
В случае плазмонного кристалла также возникает резонанс, ноуже структурный, а не связанный с электронными переходами в атомах. Поэтому вновь возникает аналогичная спектральная зависимость [190,191].Зависимость угла Фарадея от толщины магнитной пленки при наблюдениина фиксированной длине волны показана на рис. 3.5. На данной длине волны взависимости от толщины магнитной пленки возбуждается локализованнаяплазмон-поляритонная волна, создающая максимумы коэффициента пропускания типа (1). При толщине магнитной пленки 537 нм максимум прохождениясовмещается с максимумом угла Фарадея.Из рис. 3.5 следует, что все резонансы квази-ТЕ-мод сопровождаются положительными максимумами угла Фарадея, а все резонансы квази-ТМ-мод сопровождаются отрицательными резонансами угла Фарадея.
Стоит подчеркнуть,что в отличие от резонансов коэффициента пропускания, резонансы угла Фарадея наблюдаются в точности на резонансных частотах квази-ТЕ- и ТМ-мод, поэтому наблюдение эффекта Фарадея может служить надежным методом дляизучения спектра собственных мод металло-диэлектрической структуры. Крометого, наблюдаются периодические колебания угла Фарадея и коэффициентапропускания (максимумы типа (2)), обусловленные интерференцией прямо проходящей (без возбуждения резонансов структуры) волны в магнитной пленке.145 30.920.810.700.6-10.5T0.4(1)(1)0.3(2)(2)(2)0.2(2)0.20.4-2-3-4(2)-5(2)0.10.00.0(1)(1)(1)1.0-60.60.81.01.2-7h (мкм)Рис. 3.5: Пропускание (нижняя кривая) и угол Фарадея (верхняя кривая) в зависимости от толщины магнитного слоя при наблюдении на длине волныλ = 883 нм.
Вертикальные пунктирные линии показывают длины волн квазиТМ-мод, а штриховые - длины волн квази-ТЕ-мод. Остальные параметры структуры и конфигурация падения такие же, как для рис. 3.2 [192].1.4. Эффект Фарадея в двумерном кристаллеУсиление эффекта Фарадея также возможно и в двумерном плазмонномкристалле (рис. 3.6) [193-195].Также как и для одномерного плазмонного кристалла, параметры структурыможно подобрать так, чтобы максимум вращения Фарадея совпал с максимумомпропускания (рис. 3.6а). При этом вращение плоскости поляризации наблюдается как в прошедшем, так и в отраженном свете (рис. 3.6в).
Эллиптичность вмаксимуме вращения обнуляется.146 (град.) T λ (мкм)(в)(град.) (б)λ (мкм)Рис. 3.6: Спектры оптического пропускания (сплошная линия на (a)), угла эффекта Фарадея (штриховая линия на (a) и сплошная линия на (б)), и эллиптичности (штриховая линия на (б)), угла полярного эффекта Керра (сплошная линия на (в)) и эллиптичности (штриховая линия на (в)) для плазмонного кристалла с двумерной периодичностью. Параметры: hm = 68 нм, hd = 118 нм,d = 750 нм, r = 395 нм. ε 2 5,5 0,0025i и g 0,01 0,002i . Металл – золото[193].147 zyExΦ ((град.))kметаллмагнитнныйдиэлектррикподложкка(аа)(б)λ (мккм)Рис.
3.7: (а) СхемаСдвуумерного плазмоннного криссталла. (бб) Спектрыы коэффиицики поглощенния (краснная криваая) иентоов оптического проопусканияя (синяя кривая)углаа Фарадеяя (черная сплошнаяя кривая) для двуммерного пллазмонноого кристааллас параметрамми: перииоды по осям OOx и Oy dx = dy = 305 нм,, hm = 93 нм,роттверстия r = 130 ннм.
εd = 4,88, g (1 0.15i) 102 . Металлл –hd = 100 нм, размерзолоото. Штрииховая линия покказывает угол Фаррадея дляя случая непокрыытойпленнки.ием квази-ТЕ модыы. В струкктуРезонансс на рис. 33.6 обусловлен воззбужденирах с двумеррной перииодичносттью возниикает таккже возмоожность уусиления эфдения ППП, распроостраняющщихся воо взаимно орфектта Фарадеея за счетт возбуждтогоональных направлеениях. Действителььно, преддположимм, что светт падает ннормалььно на пллазмонныый кристаллл и поляяризован вдоль осси Ox (риис. 3.7а). ПриПэтомм его часттота совпаадает с чаастотой воозбуждениия ППП, рраспрострраняющеггосяна границегммеждумееталличесской решееткой и ддиэлектрииком.
Тоогда светооваяволнна возбуддит две пплазмонныые волныы, распросстраняющщиеся вдооль оси OOx ипроттивоположжно ей. ЕЕсли магннитный сслой не ннамагничеен, то таккая волнаа невозббудит плаазмоны в направленннии оси OOy, т.к. у нее нет соответстввующих кком148 понент электромагнитного поля ( E y , Ez , H x ). Если же магнитная пленка намагничена в полярной конфигурации, то ППП становится квази-ТМ поляризованным и он приобретает линейные по g компоненты поля. Так как у ППП, распространяющегося по оси Oy, возникают компоненты поля ( E x , H y , H z ), которыеприсутствуют в падающей волне, то он может бытьвозбужден волной, поляризованной вдоль Ox.При возбуждении ППП в ортогональном направлении (вдоль оси Oy) вближнем электромагнитном поле появляется компонента электрического поляE y , ортогональная к падающей поляризации. В результате рассеяния на отвер-стиях структуры, эта компонента появляется и в дальнем поле и вносит дополнительный вклад в поворот плоскости поляризации и в спектре угла Фарадея начастоте возбуждения ППП возникает резонанс.
Это подтверждается моделированием для конкретного плазмонного кристалла, у которого есть плазмонныйрезонанс в нужном диапазоне длин волн (рис. 3.7). Как следует из спектра коэффициента поглощения на рис. 3.7.б, в данном случае ППП возбуждается приλ = 808 нм. Именно на этой длине волны наблюдается отрицательный максимумугла Фарадея. При этом угол Фарадея увеличивается в 3 раза по сравнению сослучаем магнитной пленки, не покрытой золотой решеткой.2.
Экспериментальное наблюдение эффекта Фарадея2.1. Образцы и методика измеренийЭкспериментальное исследование эффекта Фарадея было проведено в одномерных плазмонных кристаллах, у которых ширина щелей r 0.75d . Поскольку ширина щелей превышает ширину золотых полосок, то эффективностьвозбуждения распространяющихся плазмонных волн существенно меньше, чем149 в рассмотренных выше структурах. Основную роль играют локализованныеплазмонные резонансы. Как и в случае наблюдения экваториального эффектаКерра, параметры структуры были рассчитаны таким образом, чтобы в диапазоне длин волн 750 – 1050 нм наблюдались локализованные плазмонные резонансы.Магнитная пленка плазмонного кристалла получена методом импульсноголазерного осаждения.
При этом сначала на подложку из кварца был нанесентонкий буферный слой иттриевого феррита-граната толщиной 10 нм. Для перевода образца в ферромагнитное состояние он был отожжен при температуре1000°C. После этого был напылен основной слой висмут замещенного ферритграната толщиной 140 нм.
Метод лазерного осаждения позволил достичь практически полного замещения ионами висмута (Bi3Fe5O12), что необходимо дляполучения больших величин фарадеевского вращения в сравнении с магнитными пленками с неполным замещением. Так, удельное вращение Фарадея полученной пленки на длине волны λ=750 нм составляет 1.8 °/мкм, в то время какдля пленки, полученной методом жидкофазной эпитаксии с неполным замещением ионами висмута, оно значительно меньше: 0.3 °/мкм.
Вместе с тем оптическое поглощение в пленках, полученных методом жидкофазной эпитаксии в несколько раз меньше.Для получения металлической решетки на поверхность магнитной пленкибыл нанесен термическим осаждением слой золота толщиной 65 нм. Одномерная решетка в золоте была получена методом электронно-лучевой литографии и последующего процесса lift-off. В результате было получено несколькообразцов плазмонных структур, с периодами от 400 нм до 500 нм и постояннойшириной полосок золота, равной 150 нм (рис. 3.8).150 (a)d(б)Рис. 3.8: (а) Плазмонная структура и (б) изображение структуры в сканирующемэлектронном микроскопе [195].Рис.
3.9: Схема экспериментального наблюдения эффекта Фарадея в одномерном плазмонном кристалле.Используемая при исследовании эффекта Фарадея экспериментальная установка аналогична экспериментальной установке, использованной при изученииэкваториального эффекта Керра (см. §3.5.2 Главы II). Но для создания внешнегомагнитного поля вместо электромагнита использована система кольцевых постоянных магнитов, создающих в области образца магнитное поле величиной120 мТл в направлении, перпендикулярном плоскости образца (рис. 3.9). Дляизмерения угла Фарадея использованы поляризатор и анализатор.
Поляризаторориентирован так, чтобы электрическое поля падающего излучения было151 направлено либо вдоль, либо перпендикулярно щелям. Угол Фарадея определялся положением анализатора при минимальной интенсивности проходящегосвета.2.2. Резонансное усиление эффекта Фарадея при возбуждении плазмонноволноводных модСпектр угла Фарадея при нормальном падении света, поляризованного перпендикулярно щелям (ТМ-поляризация), показан на рис.
3.10.(б)ΦΦ/ Φ0T(a)λ (нм)λ (нм)Рис. 3.10: (а) Спектры угла Фарадея, нормированного на величину угла Фарадея 0 для однородной магнитной пленки, не покрытой металлической решеткой,для трех плазмонных кристаллов с периодами d=400 нм (красная кривая),450 нм (черная кривая) и 495 нм (синяя кривая). (б) Спектры угла Фарадея(красная кривая) и коэффициента пропускания (черная кривая) для плазмонногокристалла с d=495 нм и угла Фарадея для однородной магнитной пленки (синяякривая).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
