Поверхностные электромагнитные волны и нелинейная дифракция в фотонных кристаллах (1104431)
Текст из файла
на правах рукописиСоболева Ирина ВладимировнаПОВЕРХНОСТНЫЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ВОЛНЫ ИНЕЛИНЕЙНАЯ ДИФРАКЦИЯ В ФОТОННЫХ КРИСТАЛЛАХСпециальность 01.04.21 - лазерная физикаАвторефератдиссертации на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукМосква - 2011Работа выполнена на кафедре квантовой электроники физического факультета Московского государственного университета имени М.
В. ЛомоносоваНаучный руководитель: доктор физико-математических наукФедянин Андрей АнатольевичОфициальныеоппоненты:доктор физико-математических наукпрофессор Манцызов Борис Иванович,кафедра общей физики, физический факультетМГУ имени М.В. Ломоносова, Москвадоктор физико-математических наукпрофессор Виноградов Алексей Петрович,Институт теоретическойи прикладной электродинамики РАН, МоскваВедущая организация:Учреждение Российской академии наукИнститут спектроскопии РАН,Троицк, Московская областьЗащита состоится 17 ноября 2011 года в 16 часов 30 мин. на заседаниидиссертационного совета Д501.001.31 при Московском государственном университете имени М.В. Ломоносова по адресу: 119991, Москва, Ленинские горы, МГУ, ул. Академика Хохлова, дом 1, стр.
62, корпус нелинейной оптики,аудитория им. С.А. Ахманова.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультета МГУ.Автореферат разослан “Ученый секретарь диссертационногосовета Д501.001.31, доцент” октября 2011 г.Т.М. Ильинова1Общая характеристика работыДиссертационная работа состоит из двух частей, первая из которых посвящена исследованию особенностей генерации и распространения поверхностныхэлектромагнитных волн в фотонных кристаллах (ФК), вторая — изучениюявлений линейной и нелинейной дифракции света в трехмерных ФК синтетических опалов.
Особое внимание уделено исследованию эффекта ГусаХенхен, усиленного поверхностными электромагнитными волнами, в фотонных кристаллах.Одним из направлений современной оптики является поиск новых способов управления интенсивностью, локализацией и направлением распространения света и создание структур, обладающих этими способностями. Всвязи с этим в настоящее время активно развивается область оптики, занимающаяся исследованием оптических, в том числе нелинейно-оптических,эффектов в микроструктурах с фотонной запрещенной зоной – фотонныхкристаллах. Многообразие оптических и нелинейно-оптических эффектов,существующих в ФК, таких как гигантская оптическая дисперсия, локализация поля, аномально малая групповая скорость света на краю фотоннойзапрещенной зоны, делает их перспективными объектами для создания наих основе устройств современной фотоники и оптоэлектроники, например,волноводов и оптических переключателей. По аналогии с поверхностнымиполяритонами в кристаллах, в ФК существует решение уравнений Максвелла, отвечающее возбуждению поверхностных электромагнитных волн (ПЭВ),распространяющихся вдоль границы раздела ФК – диэлектрик.
В силу того,что ПЭВ распространяются в обеих средах, их характеристики и условиявозбуждения зависят не только от свойств ФК, но и от свойств второй среды. Несмотря на внешнее сходство оптических свойств ПЭВ и поверхностныхплазмон-поляритонов, распространяющихся вдоль границы раздела металл– диэлектрик, ПЭВ обладают более узким спектрально-угловым резонансоми большей длиной свободного пробега, что открывает возможность применения ПЭВ в оптических сенсорах.
Характеристики ПЭВ в ФК, такие как болееширокий спектральный диапазон возбуждения, малое поглощение и большаядлина свободного пробега, позволяют ожидать увеличения чувствительностисенсоров, использующих ПЭВ, по сравнению с существующими сенсорами наоснове резонанса поверхностных плазмон-поляритонов.Локализация поля вблизи границы раздела в присутствии ПЭВ обуславливает усиление оптических и нелинейно-оптических эффектов, зависящихот интенсивности падающего света, таких как генерация оптических гармоник или флуоресценция красителя.
Другая группа эффектов, например, эф-2фект Гуса-Хенхен, представляющий собой сдвиг отраженного луча относительно положения, определяемого геометрической оптикой, при полном внутреннем отражении от идеального зеркала, может быть усилена за счет дополнительного переноса энергии, обеспечиваемого ПЭВ.
Исследование влиянияПЭВ на эффект Гуса-Хенхен при отражении от поверхности ФК открываетдополнительные возможности для развития технологии оптических сенсоров.С точки зрения нелинейной оптики, ФК представляют интерес как структуры, способные усиливать эффективность генерации оптических гармоникза счет выполнения условий фазового квазисинхронизма с участием вектораобратной решетки. В неколлинеарном случае, когда выполнение условий фазового квазисинхронизма обеспечивается выполнением нелинейного аналогазакона Брегга-Вульфа, такой нелинейный процесс называют нелинейной дифракцией. Нелинейная дифракция хорошо исследована в одномерных илидвумерных оптических сверхрешетках, где вектор обратной решетки много меньше длины волнового вектора излучения, генерируемого в структуре,что ограничивает пространственный диапазон направлений распространенияпрогенерированного в кристалле излучения.
В ФК длина вектора обратнойрешетки сравнимо с длиной волнового вектора излучения, генерируемого вструктуре, что позволяет ожидать увеличения числа возможных направлений и значений углов нелинейной дифракции.Трехмерные ФК дают широкие возможности для исследования и последующего применения неколлинеарной дифракции, поскольку в них дифракция не ограничена плоскостью и дифракционный максимум может быть получен практически в любом направлении. Примером трехмерного ФК служит синтетический опал, представляющий собой искусственно изготовленную плотноупакованную структуру, в узлах которой находятся сферическиечастицы аморфного диоксида кремния субмикронного размера. Исследование оптических свойств опалов в условиях низкого контраста показателейпреломления позволяет уменьшить влияние дефектов упаковки, возникающих в процессе изготовления, и позволяет использовать макроскопическиетолщины образцов, что увеличивает эффективность перекачки энергии изволны накачки в волну излученной гармоники.
Трехмерная периодичностьоптических свойств синтетических опалов дает возможность ожидать появления дифракционных пиков одновременно в нескольких направлениях.Целями диссертационной работы являются исследование свойств поверхностных электромагнитных волн в одномерных фотонных кристаллах,обнаружение эффекта Гуса-Хенхен на поверхности фотонных кристаллов, а3также экспериментальное обнаружение и исследование процессов генерациивторой и третьей оптических гармоник в образцах синтетических опалов вусловиях нелинейной дифракции при одновременной пространственной модуляции линейной и нелинейной восприимчивостей.Актуальность проведенных исследований обусловлена фундаментальным интересом к изучению новых оптических и нелинейно-оптических эффектов в ФК, таких как генерация поверхностных состояний и нелинейнаядифракция света в неколлинеарных направлениях, а также развитию связанных с ними аналогий между физикой ФК и физикой твердого тела.
Приведенные в работе исследования являются перспективными для примененийв устройствах оптической сенсорики, в частности, оптических биосенсорах исенсорах, чувствительных к изменениям условий окружающей среды, например, оптических газовых сенсорах. Результаты работы могут быть использованы в качестве основы для создания нового типа оптических сенсоров наоснове генерации ПЭВ в ФК.Практическая ценность работы состоит в развитии возможностей применения ПЭВ на поверхности ФК в оптических сенсорах в качестве аналогасенсоров на поверхностных плазмон-поляритонах, а также в выяснении применимости синтетических опалов в качестве основы для нового типа нелинейных сред.Научная новизна работы состоит в следующем: впервые проведено исследование влияния ПЭВ на интенсивность флуоресценции красителя, нанесенного на поверхность ФК; предложен новый способ измерения величиныэффекта Гуса-Хенхен методом оптической флуоресцентной микроскопии вдальней зоне; впервые проведены исследования влияния ПЭВ на величинуэффект Гуса-Хенхен при отражении света от ФК, установлена зависимостьвеличины сдвига Гуса-Хенхен от структуры ФК; впервые проведено исследование эффекта нелинейной дифракции света в трехмерном ФК синтетического опала.На защиту выносятся следующие основные положения:◦ Метод оптической и флуоресцентной микроскопии поверхности в дальнейзоне применим для исследования поверхностных электромагнитных волнв одномерных фотонных кристаллах.◦ Интенсивность флуоресценции красителя, нанесенного на поверхность фотонного кристалла, возрастает за счет локализации поля в поверхностнойэлектромагнитной волне.◦ Наблюдение эффекта Гуса-Хенхен, вызванного поверхностной электро-4магнитной волной, осуществлено при отражении от границы раздела фотонный кристалл – воздух.
Величина сдвига Гуса-Хенхен увеличиваетсяза счет поверхностных электромагнитных волн не менее, чем в два раза, по сравнению с величиной сдвига, наблюдаемого при отражении отметаллических поверхностей.◦ Усиление генерации второй и третьей оптических гармоник в трехмерныхфотонных кристаллах синтетических опалов наблюдается в неколлинеарных направлениях при выполнении условий эффективной дифракции,определяемых нелинейным аналогом закона Брэгга-Вульфа. Усиление генерации третьей оптической гармоники наблюдается в двух направленияхза счет одновременной нелинейной дифракции света на кристаллографических направлениях [111] и [1̄11] решетки синтетического опала.Апробация работы проводилась на следующих конференциях: Международная конференция “FiO/LS/OF&T/OPE 2006” (Рочестер, США, 2006),Международная конференция “3rd International Conference on MaterialsScience and Condensed Matter Physics” (Кишинев, Молдова, 2006), Международная конференция “SPIE Photonics West 2007” (Сан-Хосе, США, 2007),Международная конференция “4th International Conference On MaterialsScience And Condensed Matter Physics” (Кишинев, Молдова, 2008), Международная конференция “SPIE Europe Optics + Optoelectronics 2009” (Прага,Чехия, 2009), Международная конференция “Quantum Electronics and LaserScience Conference (QELS)” (Сан-Хосе, США, 2010), Международная конференция “ICONO/LAT 2010” (Казань, Россия, 2010), Международная конференция “Frontiers in Optics (FiO) 2010” (Рочестер, США, 2010).
Результаты,вошедшие в диссертационную работу, опубликованы в 11 печатных работах,из них 3 научных статьи в журналах из списка ВАК.Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения,четырех глав, заключения и списка цитируемой литературы. Объем диссертации составляет 128 страниц, включая список литературы, 43 рисунка. Список литературы содержит 95 наименований.Личный вклад.
Характеристики
Тип файла PDF
PDF-формат наиболее широко используется для просмотра любого типа файлов на любом устройстве. В него можно сохранить документ, таблицы, презентацию, текст, чертежи, вычисления, графики и всё остальное, что можно показать на экране любого устройства. Именно его лучше всего использовать для печати.
Например, если Вам нужно распечатать чертёж из автокада, Вы сохраните чертёж на флешку, но будет ли автокад в пункте печати? А если будет, то нужная версия с нужными библиотеками? Именно для этого и нужен формат PDF - в нём точно будет показано верно вне зависимости от того, в какой программе создали PDF-файл и есть ли нужная программа для его просмотра.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
