Поверхностные электромагнитные волны и нелинейная дифракция в фотонных кристаллах (1104431), страница 3
Текст из файла (страница 3)
Ширинана полувысоте углового резонанса ПЭВ составляет 0.15◦ .На рисунке 3б показан соответствующий угловой спектрРис. 3: а) Зависимость коэффициента отраженияϕ(θ). При θ = 50.9◦ наФК от угла падения света с длиной волны 532 нм.блюдается резкое уменьшеб) Зависимость фазы ϕ = Im(r) от угла падения.ние значения ϕ, обусловленЭкспериментальные угловые спектры коэффициное резонансом ПЭВ. Углоента отражения фотонных кристаллов, состоящихвая зависимость сдвига ГХ,из 9 (в), 11 (г), 13 (д) и 15 (е) бислоев.
Аппрокрассчитанная из зависимосимация угловых спектров методом МР показанасти ϕ(θ) по выражению (1),сплошной линией. Расчет величины сдвига ГХ поимеет максимум при резоформуле (1) на поверхности фотонных кристалнансе ПЭВ (θ = 50.9◦ ) и солов, состоящих из 9 (ж), 11 (з), 13 (и) и 15 (к)ставляет 70 мкм.бислоев.Экспериментальные зависимости коэффициента отражения ФК от угла падения показаны на рисунке3 в – е. Измерения проводились в схеме Кречманна при монохроматическом11освещении (рис. 1д). В начале и конце исследуемого диапазона углов вследствие полного внутреннего отражения R(θ) близко к единице. В окрестностиθ = 51◦ во всех зависимостях наблюдаются минимумы коэффициента отражения, связанные с резонансным возбуждением ПЭВ.
При этом провалыимеют несимметричную форму резонансов Фано. Причиной возникновениярезонанса Фано является когерентное сложение спектрально узкой линииПЭВ и постоянного по углу фона. Угловая полуширина резонанса ПЭВ наполувысоте составляет в ФК менее 0.5◦ . Часть падающего излучения, не попавшая в резонанс ПЭВ, испытывает полное внутреннее отражения на границе ФК – воздух, представляя собой когерентный постоянный фон. Поскольку основным механизмом релаксации ПЭВ является рассеяние, доляизлучения, вернувшегося в призму, достаточно велика для детектирования.Интерференция переизлученной ПЭВ части пучка с нерезонансной его частью, составляющей постоянный фон, приводит к возникновению резонансаФано в угловых спектрах коэффициента отражения ФК.Для моделирования резонанса Фано в угловых спектрах коэффициентаотражения методом МР рассмотрим коэффициент отражения R в виде:¯ res¯¯ Er + qErunres ¯22¯ ,R = |Er /Ei | = ¯¯(2)¯Eiгде Er – амплитуда отраженной электромагнитной волны на выходе из образца ФК, Erres и Erunres – резонансная и нерезонансная части падающего пучка,Ei – амплитуда падающей волны.
Весовой параметр q представляет собойдолю нерезонансной энергии относительно энергии излучения, попавшего врезонанс ПЭВ.Аппроксимация экспериментальных угловых спектров коэффициента отражения образцов ФК показана на рисунках 3в – е сплошными линиями. Соответствующие угловые зависимости сдвига Гуса-Хенхен D(θ), рассчитанныепо формуле (1), показаны на рисунках 3ж – к. D(θ) имеет выраженный максимум в области резонанса ПЭВ, что дает возможность говорить об усиленииэффекта ГХ поверхностными электромагнитными волнами в ФК. Сдвиг ГХ,усиленный ПЭВ, растет с увеличением толщины, или числа бислоев, ФК идостигает 70 мкм в образце толщиной в 15 бислоев.Визуализация сдвига Гуса-Хенхен при возбуждении ПЭВ на поверхности ФК проводилась методом оптической микроскопии в дальней зоне.
Новый подход для исследования усиления эффекта Гуса-Хенхен на поверхности одномерных ФК методом флуоресцентной микроскопии схематично показан на рисунке 4. В иммерсионную жидкость И между призмой П и подложкой ФК в соотношении 1:100 добавляется спиртовой раствор красителя12родамина 6Ж (концентрация 10−5 М), объективО микроскопа фокусируется внутрь иммерсионного слоя. При этом положения падающего (inc) и отраженного (ref) лучей в этой области визуализируются благодаря флуоресценции красителя. Фильтр ОС13 толщиной 2 мм(Ф), помещенный после объектива перед ПЗСРис.
4: Схема установки для камерой, позволяет выделить из изображениявизуализации эффекта Гуса- только часть, соответствующую флуоресценцииХенхен методом оптической красителя. Поскольку возбуждение ПЭВ в используемых образцах возможно только при ТЕмикроскопии.поляризованном излучении накачки, величинасдвига Гуса-Хенхен в такой схеме определяется из сравнения изображений,полученных при ТМ- и ТЕ-поляризациях накачки, по изменению расстояниямежду падающим и отраженным лучами при смене поляризации падающеголуча.На рисунке 5а показано изображение, полученное при ТМ-поляризациипадающего излучения и фокусировке объектива микроскопа на поверхностьФК.
Пятно в центре изображения, обозначенное на рисунке как surf , является изображением сечения лазерного луча, отразившегося от поверхности ФК. Два пятна по краям изображения, inc и ref , представляют собой изображения флуоресценции красителя, вызванной прохождением падающего и отраженного лучей через иммерсионный слой, окрашенный родамином 6Ж.
На рисунках 5в – 5е для образцов ФК различной толщиныпоказаны сечения ТЕ-поляризованного отраженного луча, падающего подуглом резонанса ПЭВ, при фокусировке объектива микроскопа внутрь иммерсионного слоя. Для сравнения на рисунке 5б приведены аналогичныеизображения, полученные при ТМ-поляризации падающего света. В случаеТМ-поляризации отраженный луч имеет симметричное распределение интенсивности c максимумом в центре пятна.
В условиях возбуждения ПЭВпятно становится неоднородным, разделяется на две части. Пространственные распределения интенсивности флуоресценции красителя вдоль оси x,соответствующей направлению распространения ПЭВ, показаны на рисунках 5ж – 5к. Сплошным линиям соответствует ТЕ-поляризация освещения; пунктирным – ТМ-поляризация. При ТЕ-поляризации левая часть отраженного пятна остается неподвижной, правая часть пятна смещается и13расстояние между ее центроми центром сечения падающего луча увеличивается с ростом толщины ФК.
Неподвижная, совпадающая по положению с ТМ-поляризованным отраженным лучом, часть лучапредставляет собой нерезонансную часть, испытывающую полное внутреннее отражение награнице ФК. Смена поляризации и изменение толщины ФКне влияют на положение этойчасти луча. Смещенное пятносоответствует части пучка, которая, напротив, переходит вПЭВ, испытывает сдвиг ГусаХенхен, усиленный ПЭВ, и затемРис.
5: а) Микроизображение поверхности высвечивается обратно в обраФК, освещенной ТМ-поляризованным све- зец. Таким образом, измерениетом. б) Флуоресцентное микроизображение сдвига Гуса-Хенхен заключаетотраженного ТМ-поляризованного пучка. в) ся в измерении расстояния меж– е) Флуоресцентные микроизображения от- ду смещенной и несмещенной чараженного ТЕ-поляризованного пучка в ФК стями ТЕ-поляризованного отразличной толщины. Сдвиг Гуса-Хенхен обо- раженного луча.
Результаты иззначен как D. ж) – к) Пространственные про- мерения сдвига Гуса-Хенхен попрофилям интенсивности флуофили интенсивности флуоресценции.ресценции и сравнение их с расчетными данными, полученными методом МР из аппроксимации данных угловой спектроскопии, даны в таблице 1. Сдвиг Гуса-Хенхен увеличивается сростом толщины ФК, что совпадает с данными угловой спектроскопии. Наибольшее полученное значение сдвига наблюдается для ФК, состоящего из15 бислоев, и составляет 66 мкм, что на два порядка больше, чем величинасдвига на диэлектрической поверхности и по крайней мере в два раза больше, чем известное значение сдвига Гуса-Хенхен, усиленного поверхностнымиплазмон-поляритонами на металлической поверхности.14Толщина ФК9 бислоев11 бислоев13 бислоев15 бислоевИзмеренный D13 ± 4 мкм (26 λ)23 ± 5 мкм (43 λ)44 ± 7 мкм (83 λ)66 ± 8 мкм (124 λ)Расчетный D10 мкм27 мкм38 мкм72 мкмТаблица 1: Сравнение величин сдвига Гуса-Хенхен, измеренных методом оптической микроскопии и рассчитанных методом МР из аппроксимации угловых спектров коэффициента отражения, в зависимости от толщины ФК.Глава IV.
Нелинейная дифракция в искусственных опалахЧетвертая глава посвящена экспериментальному исследованию линейной инелинейной дифракции в синтетических опалах, приводятся результаты угловой спектроскопии второй (ВГ) и третьей (ТГ) оптических гармоник вобразце синтетического опала, обсуждаются возможные причины усилениянелинейного отклика и уширения дифракционных максимумов.В качестве образца для исследования нелинейной дифракции ВГ и ТГ использовался образец трехмерного ФК искусственного опала, полученный методом естественного осаждения из суспензии микрочастиц плавленого кварца радиусом R = 130 нм, последующего отжига и полировки для получениягладкой поверхности.
В качестве иммерсионной жидкости был выбран этиловый спирт (n = 1.36 при λ = 532 нм).Для описания процессов дифракции и нелинейной дифракции в фотонном кристалле синтетического опала использовался графический метод, основанный на построении сфер Эвальда [5] в пространстве обратных векторови иллюстрирующий выполнение закона Брэгга-Вульфа:pλB = 2dn 1 − sin(θ)2 /n2 ,(3)где λB – длина волны света, падающего под углом θ, d – период и n – показатель преломления слоев искусственного опала. На рисунке 6а и б показаны построения, сделанные для дифракции ВГ и ТГ, соответственно, лазера с длиной волны 1064 нм в образце синтетического опала.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
