Поверхностные электромагнитные волны и нелинейная дифракция в фотонных кристаллах (1104431), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Все результаты диссертационной работы получены автором лично или при его непосредственном участии.Содержание работы5Глава I. Обзор литературыПервая глава содержит обзор литературы, касающейся теоретического и экспериментального исследования линейных и нелинейных оптических свойствФК, а также методов их описания. Основное внимание уделено описаниюусловий генерации и детектирования ПЭВ на поверхности ФК, а также усилению оптических эффектов, например, эффекта Гуса-Хенхен, за счет ПЭВвблизи поверхности ФК.Глава II. Поверхностные волны в одномерных фотонных кристаллахВо второй главе представлены результаты экспериментального и численногоисследования свойств ПЭВ в ФК.Методом матриц распространения (МР) [1] проведен расчет дисперсионных зависимостей ПЭВ в одномерных ФК.
Показано, что при освещении ФК,состоящего из 26 слоев, ТЕ-поляризованным светом возбуждаемые волны являются поверхностными, поскольку локализованы в первых 6-7 слоях вблизиграницы раздела ФК – воздух. ПЭВ при ТЕ-поляризации падающего светасуществуют при всех углах падения больше угла полного внутреннего отражения для одной и той же структуры образца. Для экспериментального исследования ПЭВ в ФК более удобным является ТЕ-поляризованное освещение, поэтому структура экспериментальных образов была выбрана так, чтобы обеспечить наилучшие резонансные свойства ПЭВ при ТЕ-поляризациипадающего света.Для исследования оптических свойств ПЭВ в ФК использовались два типа образцов.
Первый тип образцов представлял собой одномерные ФК (распределенные брэгговские отражатели) на основе аморфного нитрида кремния (α-Si1−x Nx :H) на стеклянных подложках, полученные методом послойного плазменного химического осаждения из газовой фазы [2]. Характеризацияполученных образов одиночных пленок и многослойных структур осуществлялась методом оптической спектроскопии отражения и пропускания с последующей аппроксимацией спектров методом матриц распространения. Полученные образцы одномерных ФК состояли из 15 пар чередующихся слоев нитрида кремния α-Si1−x Nx :H с показателями преломления n1 = 1.99 и n2 = 1.72на длине волны λ = 532 нм и толщинами d1 = 60 нм и d2 = 125 нм, соответственно. Второй тип образцов представлял собой одномерные ФК, состоящиеиз 9, 11, 13 и 15 бислоев ZrO2 /SiO2 (n1 = 1.95 и n2 = 1.46 на λ = 532 нм)на стеклянной подложке, полученные методом термического напыления.
Период ФК контролировался методом растровой электронной микроскопии и6Рис. 1: а) Схема установки для спектроскопии ПЭВ. б) Спектры коэффициентаотражения ФК, измеренные в схеме Кречманна при угле падения θ = 49◦ ТЕ- (черные точки) и ТМ-поляризованного (белые точки) света.
в) Схематичное изображение рассеяния ПЭВ в плоскости распространения в ФК; ksew - волновой векторповерхностной моды, kscattsew - волновой вектор рассеянной моды. г) Картина рассеяния ПЭВ в направлении отражения от ФК. д) Схема установки для визуализацииПЭВ методом оптической микроскопии.
е) Изображение ПЭВ на поверхности ФК,полученное методом оптической микроскопии при ТЕ-поляризации падающего света.составил 250±10 нм. В качестве подложек использовались покровные стекладля оптической микроскопии с показателем преломления 1.52. Верхний слойвсех образцов на границе с воздухом имел низкий показатель преломленияn2 .Исследование ПЭВ на поверхности ФК проводилось в схеме Кречманна с использованием спектроскопической и микроскопической методик. Приспектроскопии ПЭВ в ФК (рисунок 1а) в качестве источника белого светаиспользовалась лампа накаливания, в качестве источника монохроматического света – непрерывный одномодовый АИГ:Nd3+ -лазер с длиной волны532 нм и мощностью 10 мВт. Параллельный линейно-поляризованный пучокчерез призму П (n=1.5 при λ = 532 нм) освещал образец ФК. Оптический7контакт между призмой и образцом достигался с помощью иммерсионногомасла.
Свет, отраженный от образца, регистрировался спектрометром. Спектральное разрешение установки составляло ∆λ = 1 нм, угловое – ∆θ = 0.1◦ .Спектр коэффициента отражения ФК R, измеренный в схеме Кречманна при угле падения света на образец θ = 49◦ , показан черными точкамина рисунке 1б. Поскольку угол падения, при котором проведено измерение,больше угла полного внутреннего отражения, значение коэффициента отражения вне резонанса ПЭВ осциллирует вблизи R = 1.
На длине волныλ = 540 нм в спектре наблюдается минимум, соответствующий возбуждению ПЭВ. Спектральная ширина резонанса ПЭВ на полувысоте составляет3 нм. Для сравнения белыми точками приведена зависимость R(λ), измеренная при ТМ-поляризации падающего света. Зависимость демонстрируетосцилляции вблизи R = 1, что связано с достижением эффекта полного внутреннего отражения, при этом возбуждения ПЭВ не происходит.Для ПЭВ известно два основных механизма релаксации: поглощение всреде и рассеяние энергии ПЭВ в дальнюю зону на шероховатостях поверхности. Эти процессы подробно описаны для поверхностных плазмонполяритонов на границе раздела металл – диэлектрик [3].
Поскольку коэффициент поглощения диэлектриков, составляющих ФК, пренебрежимо малв видимом диапазоне длин волн, при релаксации ПЭВ в ФК большее значение имеет рассеяние. Можно предположить, что на неровностях поверхностиФК происходит рассеяние ПЭВ не только из плоскости распространения вдальнюю зону, как в случае поверхностных плазмон-поляритонов, но и вплоскости распространения волны (рисунок 1в). До рассеяния распространяющаяся ПЭВ имеет волновой вектор ksew , совпадающий с тангенциальнойкомпонентой волнового вектора падающего света.
В процессе рассеяния волновой вектор kscattsew части ПЭВ отклоняется на некоторый угол от первоначального ksew , оставаясь при этом в плоскости поверхности ФК. Высвечиваясь назад в призму, рассеянное таким образом излучение ПЭВ образуетна экране дугу вокруг отраженного пучка. На рисунке 1г показана фотография экрана, установленного в отраженный от ФК пучок, при наличии ПЭВ,возбуждаемой на поверхности ФК ТЕ-поляризованным излучением лазера(λ = 532 нм). В центре картины рассеяния находится яркое пятно, соответствующее части пучка, отраженной от поверхности ФК. Вокруг этого пятнанаблюдается дуга, образованная ПЭВ, рассеянной в плоскости распространения и переизлученной в призму.Рассеяние ПЭВ на микрошероховатостях поверхности ФК в дальнюю зону дает возможность визуализировать ПЭВ с помощью оптического микро-8скопа (рисунок 1д).
В качестве источника использовался непрерывный одномодовый АИГ:Nd3+ -лазер с длиной волны 532 нм и мощностью 10 мВт.Рассеянное на поверхности образца излучение собиралось объективом с числовой апертурой NA = 0.28 и детектировалось ПЗС-камерой. ВозбуждениеПЭВ на поверхности образца контролировалось по характерному вытянутому изображению на поверхности ФК, детектируемому ПЗС-камерой, а такжепо распределению интенсивности в отраженном от образца пятне на экране.Визуализация ПЭВ проводилась на образцах ZrO2 /SiO2 . На рисунке 1еприведено оптическое микроскопическое изображение поверхности ФК, освещенного ТЕ-поляризованным излучением под углом падения, соответствующим резонансу ПЭВ. При ТМ-поляризации освещения на изображении присутствует симметричное пятно, соответствущее сечению падающего пучкаповерхностью ФК. В случае ТЕ-поляризации на изображении присутствуетпятно в форме кометы, вытянутое в направлении распространения ПЭВ наповерхности ФК.В качестве образцов для исследования влияния поверхностныхволн на интенсивность флуоресценции красителя, нанесенного наповерхность ФК, использовалисьобразцы одномерных ФК на основеα-Si1−x Nx :H.
В качестве источникафлуоресценции использовался краситель родамин 6Ж. Тонкий слойспиртового раствора родамина 6Жконцентрацией 10−5 М наносилсяна поверхность образца и затем высушивался. Толщина пленки родамина составляла по оценкам от 100до 150 нм. Принципиальная схемаустановки показана на рисунке 1д.Рис. 2: а) Пространственное распределе- Излучение флуоресценции собирание ПЭВ, визуализированное по флуорес- лось с поверхности образца объекценции красителя на поверхности ФК.
б) тивом (NA = 0.2) флуоресцентноСпектр флуоресценции красителя в при- го микроскопа, совмещенного с мосутствии (черные точки) и в отсутствие нохроматором/спектрометром. Пе(белые точки) ПЭВ.ред объективом ставился оранжевый фильтр с длиной волны отсечки на 545 нм для подавления излучения9накачки.На рисунке 2а приведено экспериментальное микроизображение пространственного распределения интенсивности флуоресценции красителя.Изображение повторяет форму изображения на рисунке 1е, вызванного рассеянием, но является значительно более однородным. Изменений в интенсивности флуоресценции, связанных с микродефектами поверхности, не наблюдается, что означает, что рассеянный свет не вносит вклада, сравнимогос вкладом ПЭВ, в возбуждение флуоресценции родамина вблизи поверхности.
Это дает возможность предположить, что флуоресценция красителя наповерхности ФК способна дать более реалистичное изображение ПЭВ, чемупругое рассеяние в дальнюю зону. Благодаря ПЭВ вблизи поверхности ФКвозникает локальное усиление электромагнитного поля, что приводит к усилению флуоресценции красителя, нанесенного на поверхность ФК. Величинаусиления флуоресценции оценивалась из сравнения спектров флуоресценцииродамина в присутствии и в отсутствие ПЭВ, показанных на рисунке 2б.Черными точками показан спектр, измеренный в центральной зоне ПЭВ,возбуждаемой ТЕ-поляризованным светом. Для сравнения белыми точкамиприведен спектр, измеренный в той же части образца при ТМ-поляризациипадающего излучения, когда возбуждения ПЭВ не происходит. Изменениеполяризации падающего света осуществляется так, что интенсивность пучкадля обеих поляризаций остается неизменной.
Оба спектра достигают максимума на длине волны в окрестности 590 нм, причем интенсивность флуоресценции в максимуме в 6 раз выше в присутствии ПЭВ.Глава III. Эффект Гуса-Хенхен в одномерных фотонных кристаллахТретья глава содержит описание новой методики измерения сдвига ГусаХенхен методом оптической флуоресцентной микроскопии, результаты численного и экспериментального исследования усиления сдвига Гуса-Хенхенповерхностными волнами в ФК.Величина сдвига Гуса-Хенхен D связана с изменением фазы ϕ комплексного коэффициента отражения (коэффициента отражения по полю) r средыследующим соотношением [4]:D=−λ ∂ϕ,2π ∂θ(1)где θ – угол падения света на поверхность среды, λ – длина волны.В диссертационной работе оценка величины ожидаемого эффекта ГусаХенхен на поверхности ФК проводилась путем аппроксимации данных уг-10ловой спектроскопии отражения ФК и получения зависимости r(θ) методом МР с последующим вычислением D(θ) по выражению (1).
На рисунке 3а показана расчетная зависимость коэффициента отражения R отугла падения θ света с длиной волны λ = 532 нм для ФК, состоящего из 10 пар четвертьволновых слоев с показателями преломленияn1 = 1.46 и n2 = 1.95и толщинами, соответственно, 146 нм и 109 нм, такчто спектральное положениецентра фотонной запрещенной зоны такой структурыпри нормальном падении составляет 850 нм. В окрестности θ = 48.5◦ наблюдается уменьшение коэффициента отражения, обусловленное возбуждением волноводной моды, и при θ = 50.9◦наблюдается провал, связанный с возбуждением ПЭВна поверхности ФК.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
