Диссертация (1097826), страница 9
Текст из файла (страница 9)
Продемонстрировано, что двумерная система отверстий оказывает влияние не только на магнитооптический эффект Керра, нотакже и на магнитные свойства структуры. Это выражается в увеличении коэр49 цитивного поля в плоскости намагниченности при увеличении диаметра отверстий и появлении компоненты намагниченности, лежащей вне плоскости пленки.С помощью внешнего магнитного поля в плазмонных кристаллах, состоящих из перфорированного золота, нанесенного на тонкую гладкую ферромагнитную пленку, был модулирован коэффициент пропускания. При этом наблюдения велись в скрещенных поляризаторах [118]. Хотя влияние плазмонов наэти эффекты и было отмечено, но усиление магнитооптических эффектов привозбуждении ППП обнаружено не было.Большинство описанных выше периодических структур изготавливалисьметодами электронно-лучевой литографии и последующего травления.
Но существуют и другие способы изготовления плазмонных кристаллов. Например,авторы [98] изготовили двумерную плазмонную структуру путем напыления Coили Ni на поверхность коллоидного кристалла из ПММА (рис. 1.10 (г)). Установлено, что существуют резонансные особенности в спектрах керровскоговращения. Они связаны с возбуждением ППП и резонансами, соответствующими многократному отражению и интерференции света от подложки из коллоидного кристалла и наноструктурированной пленки. В работе [102] использованметод самоорганизации (рис. 1.10 (е)).
При этом был изготовлен плазмонныйкристалл из полимерных монослоев, расположенных на никелевой подложке.Авторы сообщили об увеличении полярного и экваториального эффектов Керрапри возбуждении в никеле ППП. Однако было показано, что разупорядоченность в структуре уменьшает усиление этих эффектов. Еще один тип магнитоплазмонной периодической структуры изготовлен путем осаждения многослойных массивов Co/Pt на сферы из полистирола [119].Значительное количество недавних исследований посвящено эффектам Фарадея и Керра в структурах с локализованными плазмонными резонансами [120133]. В работе [121] изучены никелевые наноферромагнетики. Продемонстри50 рована сильная связь между локализованными плазмонами и меридиональнымэффектом Керра.
Авторы также показали наличие фазового сдвига в керровскомвращении, который индуцирован комбинацией анизотропной поляризуемости имагнитооптических свойств наночастиц никеля.Магнитооптическая активность, наведенная сильным магнитным полем внаночастицах золота, изучалась в работах [122, 123].Генерация второй гармоники при намагниченности хиральных микроструктур никеля исследована в [124].Увеличение керровского вращения при возбуждении локализованных ПППобнаружено также и в системах нанопроводов Ni [125], в «сэндвичевых» многослойных наноструктурах Au/Co/Au [126, 127] и в ферримагнитных гранатовыхпленках с включениями золотых частиц [128-131]. Авторы [127] отмечают, чтоанизотропия формы ферромагнитных наночастиц может стать дополнительнойстепенью свободы, которая способствует дальнейшему увеличению магнитооптических эффектов.Увеличение полярного эффекта Керра при возбуждении локализованныхповерхностных плазмонов также было предсказано для гранулированных ферромагнитных композитов [132].Несмотря на довольно большое число работ, посвященных усилению эффектов Фарадея и Керра в плазмонных структурах, физическая природа этогоувеличения до сих пор четко не формулировалась.
В качестве объяснения рассмотрены несколько механизмов усиления. Один из них связан с существеннымувеличением локального электромагнитного поля в непосредственной близостиот металлических структур при плазмонном резонансе. Хотя все поляризационные эффекты являются линейными по намагниченности, но такой механизм всееще может вносить определенный вклад, так как спин-орбитальное взаимодействие, отвечающее за связь магнитного и оптического полей, чувствительно камплитуде локального электрического поля [133].
Спин-зависимые поверхност51 ные эффекты предлагались в качестве объяснения сильной зависимости коэффициента пропускания массива кобальт-золотых микрочастиц от внешнего магнитного поля [134].Другой возможный механизм учитывает то, что возбуждение ППП мод ведет к изменению поляризации ближнего поля в структуре и, следовательно, изменяет отклик в дальнем поле. Наконец, возбуждение плазмонных или волноводных мод может усиливать вращение поляризации за счет увеличения эффективной длины распространения света в магнитной части структуры.Следует отметить, что также сообщалось об увеличении фарадеевского икерровского вращений при возбуждении в них волноводных мод в системах, состоящих только из диэлектриков [135, 136].5.
Оптическое возбуждение электронов в благородных металлахОптические свойства металлов, таких как золото, серебро, медь, определяются, в основном, вкладом от свободных валентных электронов и хорошо описываются в рамках модели Друде (см. уравнение (1.21)). Однако модель Друдетребует коррекции, чтобы учесть вклад от межзонных переходов. В уравнении(1.21) это учтено членом ib ( ) . В золоте межзонным переходом является переход из d-зоны в p-зону, происходящий при энергии ~2.4 эВ (рис. 1.11). С нимсвязан характерный желтый цвет этого металла [137].
Межзонные переходывносят наибольший вклад в нелинейный отклик золота, т.к. при них происходитпереход электронов в возбужденные состояния с высокими энергиями. Вместе стем нелинейные процессы, связанные с изменением энергии свободных электронов, также могут быть существенны.52 Рис. 1.11: Зоннная струкктура золота вблиззи токи L зоны Брииллюэна [137].Нелинеййные своййства благгородных металловв, в частноости золоота и серебра,довались в тонкихх пленкаах в осноовном прри помощщи методдикиранеее исслед“наккачка-зонддированиие” [138-147]. Осноовную ролль при этоом играетт поглощеениеоптиической ээнергии в металле,, которое приводиит к коротткоживущщему измеенениюю распредделения ээлектроноов по эннергиям и к модиификациии оптичесскихсвоййств золотта.
При ээтом в моодели Друуде возмоожно измменение ччастоты эллектроннных столлкновенийй и фуннкции, опиисывающщей межзоонные перреходы ib ( ) .Плаззменная ччастота p практиччески не мменяется.Временнная динаммика нелиинейного возбужддения в бблагороднных металллахможжет быть рразбита наа несколькко этаповв [148-1500] (рис. 1.112).Падающщий импулльс накаччки возбуждает ээлектроныы, находяящиеся нижеуроввня Фермми. Если энергияэффотонов иимпульса накачки меньше ээнергии ммежзоннного d-перрехода, тоо оптичесская энерггия перехоодит тольько к своббодным эллектроннам. В реззультате возникаетт неравноовесное (ннетермичееское) распределенние.В теечение пеервой пиккосекундыы происхоодит элекктрон-электронное рассеяниие и53 возникает термализация электронов.
При этом распределение Больцмана поэнергиям электронов соответствует повышенной температуре системы Te T0 .После внутренней термализации, а частично и в процессе нее, горячие электроны (термализованные и нетермализованные) медленно передают энергию кристаллической решетке за счет электрон-фононного взаимодействия и решетканагревается. Происходит, так называемая, внешняя термализация.
Температурарешетки немного повышается и становится Tl T0 . На существенно большихвременных масштабах кристаллическая решетка остывает, передавая энергиюокружающей среде.Рис. 1.12: Эволюция функции распределения электронов в металле при воздействии на него импульса лазерного излучения. Изменения в распределении электронов приводят к изменениям диэлектрической проницаемости металла [150].54 Для усиления воздействия света на золото можно использовать структуруплазмонного кристалла. Недавно оптические свойства плазмонных кристаллов спериодически перфорированным золотом или диэлектриком на поверхностигладкого золота были изучены двухчастотным методом накачки-зондирования[138-139]. Показано, что вблизи плазмонного резонанса возникает сверхбыстрая(субпикосекундная) модуляция коэффициента отражения порядка 10%.
Такиебольшие значения модуляции достигнуты, используя поток энергии порядка 50мДж/см2 и при возбуждении межзонных переходов. Однако существенным недостатком работы вблизи межзонных переходов являются большие оптическиепотери, которые сильно уменьшают эффективность возбуждения ППП. Похожая проблема возникает и при работе с плазмонными кристаллами из алюминия[147].В диссертационной работе исследовано данное явления в отношении егоприменения для контроля распространения ППП (см.
главу VI). При этом выбраны частоты возбуждения вдали от энергии межзонных переходов (~1,55 эВ).Хотя, с одной стороны, это приводит к снижению эффективности фотовозбуждения, но, с другой стороны, позволяет работать в области, где оптические потери существенно меньше и длина распространения ППП больше.6. Методы расчета оптических свойств периодических наноструктур6.1.Метод матриц переносаДля описания и моделирования свойств одномерных фотонных кристалловчасто используется метод матриц переноса, который заключается в следующем[151].55 Введем систему координат так, чтобы ось z была нормальна к границамслоев, и рассмотрим электромагнитное поле в n-ом слое (рис.1.13).
Оно можетбыть представлено в виде суперпозиции нормальных мод. Нормальными модами в одномерном случае являются четыре волны, которые распространяютсянезависимо друг от друга в каждом из двух направлений и обладают различными поляризациями. Количество нормальных мод обусловлено порядком волнового уравнения, получаемого из уравнений Максвелла. Нормальные моды находятся с помощью уравнения Френеля, которое для случая однородной неизотропной среды имеет вид:где n c n 2 E n (n E ) ˆ E ,(1.29)k , k — волновой вектор, ˆ — тензор диэлектрической проницаемо-сти (магнитная проницаемость полагается равной единице).Введем 4-х компонентный столбец An , составленный из амплитуд напряженности электрического поля для каждой нормальной моды в начале n-го слоя(в точке zn). Введем также матрицу-пропагатор, или матрицу распространенияPn , описывающую распространение нормальных моды в пределах n-го слоя исвязывающую амплитуды нормальных моды в начале и конце n-го слоя (то естьв точках zn и zn+1).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
