Диссертация (1102700), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Всвязи с этим актуальным является развитие метода микроскопии второйгармоники для изучения локальных свойств хиральных наноструктур.Цель работы состояла в исследовании основных свойств квадратичного нелинейно-оптического отклика планарных хиральных металлических7наноструктур в форме плоской спирали (буквы G), расположенных в упорядоченном массиве на твердотельной подложке.Задачи работы:• исследование генерации второй оптической гармоники в одиночныхнаноструктурах в форме буквы G методом микроскопии второй гармоники с разрешением по поляризации.• исследование генерации второй оптической гармоники в массивах хиральных наноструктур с осью симметрии первого порядка, образованных квадратной решеткой наноструктур, имеющих форму буквыG.• исследование генерации второй оптической гармоники в массивах хиральных наноструктур в форме буквы G с элементарной ячейкой,состоящей из четырех наноструктур и имеющей ось симметрии четвертого порядка.Обоснованность и достоверность результатов подтверждаетсяхорошей повторяемостью экспериментальных данных.
Сами экспериментыбыли выполнены на современном экспериментальном оборудовании. Достоверность полученных экспериментальных данных была подтвержденарезультатами численного моделирования параметров взаимодействия образцов с электромагнитным полем, выполненных различными численнымиметодами. Результаты исследований обсуждались на семинарах и докладывались на профильных международных и российских конференциях. Большая часть результатов была опубликована в российских и международныхрецензируемых журналах.Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:• Впервые методом микроскопии второй гармоники с разрешением пополяризации исследовано пространственное распределение состоянияполяризации излучения второй гармоники от единичной хиральнойнаноструктуры в форме буквы G.8• Впервые экспериментально и методами численного моделированияисследована анизотропия излучения на частоте второй гармоники вмассиве планарных хиральных наноструктур в форме буквы G с элементарной ячейкой, состоящей из одной наноструктуры.• Обнаружена и исследована зависимость эффекта циркулярного дихроизма второй гармоники от угла падения излучения накачки в массиве планарных хиральных наноструктур в форме буквы G с элементарной ячейкой, состоящей из четырех наноструктур.• Обнаружена и исследована зависимость эффективности генерацииправо- и лево-циркулярно поляризованного излучения второй гармоники при линейно поляризованном излучении накачки для разныхэнантиомеров (эффект, обратный круговому дихроизму второй гармоники) в массиве планарных хиральных наноструктур в форме буквы G.• Обнаружена и исследована азимутальная анизотропия поворотаплоскости поляризации излучения второй гармоники массива планарных хиральных наноструктур в форме буквы G с элементарнойячейкой, состоящей из четырех наноструктур и обладающей осьюсимметрии четвертого порядка.
Показано, что направление поворотаглавных осей эллипса поляризации второй гармоники противоположно для энантиомеров.Практическая и научная значимость полученных результатовсостоит в развитии экспериментальных подходов, основанных на генерации второй оптической гармоники, для комплексной диагностики планарных хиральных наноструктур.
Обнаруженные нелинейно-оптические эффекты, связанные с хиральностью наноструктур, могут найти применениев широком круге задач, от разработки оптических сенсоров до созданияоптических логических элементов.Защищаемые положения:1. В отдельной наноструктуре в форме буквы G с характерным размером 1 мкм излучение второй гармоники сильно локализовано и яв-9ляется частично поляризованным, причем ориентация главных осейэллипса поляризации различна для энантиомеров.2. Зависимость факторов локального поля на частоте накачки от азимутального угла структуры определяет азимутальную анизотропиюизлучения на частоте второй гармоники в массиве планарных хиральных наноструктур в форме буквы G с элементарной ячейкой,состоящей из одной наноструктуры.3.
Эффект циркулярного дихроизма второй гармоники в массиве планарных хиральных наноструктур в форме буквы G с элементарнойячейкой, состоящей из четырех наноструктур, имеет сильную зависимость от угла падения излучения накачки. Знак усредненного повсем азимутальным положениям образца значения эффекта различендля энантиомеров.4. В планарных хиральных наноструктурах в форме буквы G существует эффект, обратный эффекту циркулярного дихроизма второй гармоники и состоящий в различной эффективности генерации право- илево-циркулярно поляризованного излучения второй гармоники дляэнантиомеров при линейно поляризованном излучении накачки.5.
Направление поворота главных осей эллипса поляризации второйгармоники в массиве планарных хиральных наноструктур в формебуквы G с элементарной ячейкой, состоящей из четырех наноструктур, различно для энантиомеров.Личный вклад автора. Все полученные в данной работе результаты, кроме особо оговоренных случаев сравнений с более ранними работами, являются оригинальными и получены лично автором или при егонепосредственном участии в лаборатории нелинейной оптики наноструктур и фотонных кристаллов кафедры квантовой электроники и лаборатории экспериментальной квантовой оптики и нанофотоники кафедры общейфизики и волновых процессов физического факультета Московского Государственного Университета имени М.В.Ломоносова, а также лабораториимолекулярной электроники и фотоники химического факультета Левенского Католического Университета, Бельгия.
Все приведенные численные10расчеты также проведены автором.Публикации. Основные результаты данной работы опубликованы вследующих печатных работах:1. Coherent and incoherent second harmonic generation in planar G-shapednanostructures / E. Mamonov, T. Murzina, I. Kolmychek et al. // OpticsLetters.
- 2011. - Vol. 36, no. 18. - P. 3681–3683.2. Chirality in nonlinear-optical response of planar G-shaped nanostructures/ E. Mamonov, T. Murzina, I. Kolmychek et al. // Optics Express. - 2012.- Vol. 20, no. 8. - P. 8518–8523.3. Circular dichroism in optical second harmonic generated in reflection fromchiral G-shaped metamaterials / E. Mamonov, I. Kolmychek, T.
Murzinaet al. // Journal of Physics: Conference Series. - 2012. - Vol. 352. - P.012029–012029.4. Генерация второй оптической гармоники в планарных киральных наноструктурах / Е. Мамонов, И. Колмычек, А. Майдыковский, Т.Мурзина // Известия РАН. Серия физическая. - 2013. - Т. 77, №1. - С. 78–81.5. Anisotropy versus circular dichroism in second harmonic generation fromfourfold symmetric arrays of G-shaped nanostructures / E. Mamonov, I.Kolmychek, S. Vandendriessche et al. // Phys.
Rev.B. - 2014. - Vol. 89. P. 121113-1-121113-5.Апробация работы. Результаты данной диссертационной работы были представлены на 11 докладах на российских и международныхконференциях, наиболее значимыми из которых являются:• Frontiers in Optics (FiO) 2011 (Сан Хосе, США)• The Asia-Pacific Interdisciplinary Research Conference 2011 (Тоёхаси,Япония)• XVI международный симпозиум «Нанофизика и наноэлектроника»2012 (Нижний Новгород, Россия)• EOS Annual Meeting 2012 (Абердин, Шотландия)11• Days on diffraction 2013 (Санкт-Петербург, Россия)• The International Conference on Coherent and Nonlinear Optics(ICONO)/The Lasers, Applications, and Technologies (LAT)(ICONO/LAT) 2013 (Москва, Россия)• The 7th International Congress on Advanced Electromagnetic Materialsin Microwaves and Optics (Metamaterials) 2013 (Бордо, Франция)• Frontiers in Optics (FiO) 2013 (Орландо, США)• 24th annual International Laser Physics Workshop (Шанхай, Китай)Структура диссертационной работы.
Данная диссертационнаяработа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитированной литературы. Работа содержит 140 страниц, 75 иллюстрации, 1 таблицуи 156 библиографических ссылок.12Глава 1Обзор литературы и описание экспериментальныхметодик§ 1.1.Нелинейная поляризация бесконечной среды~ r, t) и B(~~ r, t) в среде, описыРассмотрим электромагнитные поля E(~ваемые уравнениями Максвелла [26] :~~ = − 1 ∂B∇×Ec ∂t~~ = 1 ∂ E + 4π~j∇×Bc ∂tc~ = 4πρ∇·E(1.1)~ = 0,∇·Bгде ~j(~r, t) и ρ(~r, t) - плотности тока и заряда соответственно.
Они связанымежду собой уравнением непрерывности (законом сохранения заряда):∂ρ∇ · ~j +=0(1.2)∂tЧасто ~j и ρ можно разложить в ряд по мультиполям [27], [28]:~0~ + ∂ (∇Q) + . . .~j = j~0 + ∂ P + c · ∇ × M∂t∂tρ = ρ0 − ∇ · P~ 0 − ∇ · (∇Q) + . . . ,(1.3)~ , Q, представляют собой электрическую поляризацию, нагде P~ 0 , Mмагниченность и электрический квадрупольный момент среды.Таким образом, в качестве источников в уравнениях Максвелла можно использовать ~j и ρ, или обобщенную электрическую поляризацию P~ :~~j = ~jdc + ∂ P ,∂t(1.4)13где ~jdc - плотность постоянного тока.
При этом часто можно пренебречьмагнитодипольным членом и мультиполями более высокого порядка. Тогдаобобщенная поляризация P~ сводится к обычной электрической дипольнойполяризации P~ 0 . Основное различие состоит в том, что P~ является нелокальной функцией поля, а P~ 0 - локальной.С учетом (1.2) и (1.4) уравнения Максвелла принимают вид:~1 ∂B~∇×E =−c ∂t~ = 1 ∂ (E~ + 4π P~ ) + 4π j~dc∇×Bc ∂tc~ + 4π P~ ) = 4πρ∇ · (E(1.5)~ = 0.∇·BТак как поляризация P~ является теперь единственным зависящим от времени источником, то ее видом будет во многом определяться решение данных уравнений. Поляризацию P~ можно представить как функцию элек~ (материальное уравнение), при этом в качестве электрического поля E~ обычно используется локальное (действующее) поле втрического поля E~ loc , которое можно связать с падающим электрическим полемструктуре Eследующим образом:~ loc (ω) = L(ω)E~ 0 (ω),E(1.6)где величина L(ω) называется фактором локального поля (для его введения используется частотное представление).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
