Резонансные оптические и магнитооптические эффекты в наноструктурах и фотонных кристаллах (1104659), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Фотонные кристаллы, особенно одномерные изучены сравнительно хорошо, однако, детальноеобъяснение механизмов усиления эффекта Фарадея в магнитофотонных кристаллах, основанное на анализе пространственного распределения оптического поля в структуре и ее дисперсионных свойств, как и анализ сверхбыстройвременной динамики эффекта в литературе отсутствует.Практическая ценность работы заключается:• в экспериментальной демонстрации использования метода лазерного пинцета в качестве средства диагностики и прямой силовой спектроскопииплазмонных свойств одиночных объектов размером от сотен нанометровдо нескольких микрон;• в экспериментальной демонстрации возможности возбуждения поверх3ностных плазмон-поляритонов на наноструктурированной поверхностиникеля и возможности управления резонансными особенностями как в оптическом, так и в магнитооптическом отклике меняя угол поворота образца либо угол падения и длину волны используемого излучения;• в результатах численных расчетов оптимальных с точки зрения усиления эффекта Фарадея магнитофотонных структур и анализа динамикираспространения ультракоротких лазерных импульсов в них с учетом динамики плоскости поляризации, т.е.
эффекта Фарадея;Научная новизна работы заключается в следующем:• Обнаружен парный эффект плазмонного усиления оптического поля между одиночными наночастицами. Методом лазерного пинцета, совмещенного с конфокальной схемой спектроскопии измерена зависимость усиленияоптического поля от расстояния между плазмон-активными объектами.• Обнаружен эффект силовой отдачи, вызванной неоднородным резонансным усилением оптического поля сфокусированного лазерного излучениявблизи захваченного микрообъекта.• Продемонстрировано возбуждение поверхностных плазмонов на наноструктурированной поверхности никеля. Измерены серии частотноугловых спектров экваториального магнитооптического эффекта Керра,показано резонансное плазмонно-индуцированное усиление магнитооптического отклика.• С помощью метода матриц распространения проведен расчет одномерных магнитофотонных структур. Показана связь между дисперсионнымисвойствами таких структур, пространственным распределении оптического поля в них и резонансным усилением оптических и магнитооптическихсвойств.• Численно рассчитаны временные зависимости фарадеевского угла длямагнитофотонных структур.
Показаны временные особенности оптического и магнитооптического откликов на временах порядка нескольких фемтосекунд. На примере однородных пластин феррит-граната экспериментально обнаружена зависимость эффекта Фарадея от времени.На защиту выносятся следующие основные положения:• В зазоре между двумя одиночными микрочастицами, частично покрытыми металлическими наночастицами и помещенными в раствор краси4теля, происходит усиление локального оптического поля, приводящее крезонансному усилению люминесценции красителя. Резонансы усилениялокального оптического поля обусловлены.
взаимодействием локальныхплазмонов в соседних наночастицах• При неоднородном резонансном усилении оптического поля лазерного излучения вблизи плазмон-активной микрочастицы, помещенной в краситель, возникает эффект силовой отдачи благодаря плазмонному усилению люминесценции.
Величина флуктуирующей силы, действующей намикрочастицу, составляет около 40 фН при мощности лазерной накачкипорядка 1 мкВт.• Резонансное возбуждение поверхностных плазмон-поляритонов на периодически структурированной поверхности никеля при выполнении условий фазового синхронизма между падающим излучением, поверхностнымплазмоном и вектором обратной решетки структуры, приводит к появлению резонансных особенностей в спектрах экваториального магнитооптического эффекта Керра.• На длинноволновом краю фотонной запрещенной зоны магнитофотонного кристалла наблюдается усиление эффекта Фарадея, вызванное многолучевой интерференцией. При этом пучности стоячей электромагнитнойволны имеют место в магнитных слоях структуры, имеющих большийкоэффициент преломления.
При смене контраста структуры, пучностиэлектромагнитной волны локализуются в магнитных слоях при длине волны излучения, соответствующей коротковолновому краю фотонной запрещенной зоны. При этом усиление эффекта Фарадея наблюдается также накоротковолновом краю фотонной запрещенной зоны. Усиление эффектаФарадея коррелирует с локализацией оптического поля в магнитных слоях структуры и может рассматриваться как магнитооптический аналогэффекта Боррманна.• Угол фарадеевского вращения в одномерных фотонных кристаллах нелинейно зависит от числа слоев структуры благодаря росту добротности резонансов многолучевой интерференции с ростом числа слоев структуры.Это может рассматриваться как нелинейный закон Верде для фотоннокристаллических структур.• Угол фарадеевского вращения при распространении ультракоротких лазерных импульсов через тонкие пленки и фотоннокристаллические струк5туры зависит от времени.
Характер зависимости определяется соотношением длины импульса и толщины структуры, а также спектральным положением несущей частоты лазерного импульса относительно спектральныхрезонансных особенностей структуры.Апробация работы проводилась на следующих конференциях: Международная конференция “SPIE Europe: Optics and Optoelectronics”, Прага, апрель 2009; Международные московские симпозиумы по магнетизму “MISM”,Москва, 2005,2008; Международная конференция “ICONO/LAT”, Минск,2007; Международная конференция “Frontiers in Optics”, США, 2007; Международная конференция “SPIE NanoScience + Engineering”, США, Сан-Диего2008; Международные конференции “International Conference on MaterialsScience and Condensed Matter Physics”, Кишинев, 2006,2008,2010.Структура и объем диссертации.
Диссертация состоит из введения,четырех глав, заключения и списка цитируемой литературы. Объем диссертации составляет 169 страниц, включая список литературы, 92 рисунка. Список литературы содержит 81 наименование.Личный вклад. Все результаты диссертационной работы получены автором лично или при его непосредственном участии.Автором опубликовано 53 работы, из них 33 работы по теме диссертации,в том числе 5 работ в журналах из списка ВАК России.Содержание работыГлава I. Резонансные эффекты в наноструктурах и фотонных кристаллах и методы их изученияПервая глава содержит обзор литературы, касающейся теоретических описаний оптических и магнитооптических явлений в наноструктурах и фотонныхкристаллах и экспериментальных методик их изучения.
В первой главе систематически рассматриваются особенности резонансных оптических и магнитооптических эффектов в наноструктурах и фотонных кристаллах. Такжеприводится детальное описание экспериментальных методик, использованных в оригинальной части работы.Глава II. Локальное усиление оптического поля вблизи одиночныхмикро-и наночастицВторая глава посвящена экспериментальному исследованию резонансногоусиления оптического поля вблизи одиночных микро- и наночастиц методомлазерного пинцета.6В качестве образцов рассмотрены микрочастицы диоксида кремния диаметром 2 мкм и 3.44 мкм, частично покрытые наночастицами серебра диаметром d ' 30 нм. При этом относительная площадь покрытия составлялаоколо 10%, что обеспечивало, с одной стороны необходимое количество наночастиц на микрочастице для наблюдения эффектов, связанных с усилениемоптического поля благодаря резонансу локальных плазмонов, а с другой стороны достаточную прозрачность покрытой микрочастицы, делая возможнымоптический захват одиночной микрочастицы.В качестве экспериментального метода был выбран метод лазерного (оптического) пинцета, позволяющей во-первых зафиксировать прозрачную частицу в пространстве с помощью оптической ловушки, а во-вторых измеритьвнешнюю силу, действующую на нее при локальном усилении оптическогополя вблизи захваченной частицы.
[1]Для получения численных характеристик оптической ловушки применялся метод калибровки по броуновскому движению. [2, 3] Рассмотрим модельоптической ловушки, считая потенциал ловушки гармоническим. На захваченную частицу кроме возвращающей силы со стороны ловушки будут действовать сила вязкого трения и случайная нестационарная сила, обусловленная броуновскими флуктуациями. Пренебрегая второй производной повремени [1] для закона движения захваченной частицы получим:√ẋ + ωk x = 2Dn(t),(1)где ωk = k/γ, k - эффективная жесткость ловушки, γ - коэффициент гидродинамического сопротивления, D - коэффициент Эйнштейна, n(t) - случайнаясила.После преобразования Фурье из выражения (1) получаем спектр мощности:2DP (ω) = 2.(2)ωk + ω 2Экспериментально смещение частицы x определяется по отклонению лазерного луча рассеянного захваченной частицей, которое регистрируетсяпозиционно-чувствительным фотодатчиком, например, квадрантным фотодиодом.
Сигнал с фотодиода V оказывается пропорциональным смещениючастицы V = x/S. [2, 3]Спектр мощности сигнала с фотодиода может быть записан в виде:2DS 2.PV (ω) = 2ωk + ω 27(3)Таким образом, по данным аппроксимации спектра мощности соотношением типа (3) вычисляется коэффициент пропорциональности S и эффективная жесткость ловушки k.В качестве индикатора усиления локального оптического поля использовался водный раствор красителя родамина 6Ж с концентрацией 3 · 10−7 M , вкоторый были помещены покрытые микрочастицы. Локальное усиление оптического поля за счет возбуждения локальных плазмонов в металлическойнаночастице приводит к усилению сигнала люминесценции, линейного по интенсивности поля накачки, от области красителя вблизи этой наночастицы.Рис.
1: Схема экспериментальной установки лазерного пинцета (а). SEM изображение покрытой микрочастицы (б). Оптические изображения пары захваченныхчастиц (в) и одиночной частицы (г).Для наблюдения этого эффекта в традиционную схему установки лазерного пинцета был внесен ряд изменений (рис. 1).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
