Резонансные оптические и магнитооптические эффекты в наноструктурах и фотонных кристаллах (1104659), страница 3
Текст из файла (страница 3)
Луч лазера с длинойволны λ = 980 нм проходит последовательно через акустооптический модулятор и дефлектор и фокусируется 100х масляно-иммерсионным объективом (ЧА=1.3) внутри кюветы с образцом. Пространственная неоднородностьэлектромагнитного поля сфокусированного лазерного излучения формируеттрехмерную оптическую ловушку для прозрачных микрочастиц. С помощьакустооптического дефлектора и модулятора положение луча с высокой относительно броуновского движения частотой (10 кГц) переключается меж8ду двумя положениями в пространстве, формируя две оптические ловушкина контролируемом расстоянии друг от друга, что позволяет одновременно оперировать с двумя микрочастицами.
Для возбуждения люминесценциииспользуется непрерывный лазер с длиной волны λ = 532 нм,луч которого фокусируется рабочим объективом в перетяжку d ∼ 1 мкм в область,где захватываются частицы. Сбор сигнала люминесценции осуществляетсяв геометрии “на отражение”. Для того, чтобы выделить сигнал от полезногорабочего объема, т.е.
от непосредственного окружения захваченной частицыиспользуется конфокальная схема с диафрагмой D = 300 мкм, фильтрующей сигнал от прочей толщи образца. Излучение накачки и захватывающеголазера фильтруется оптическими интерференционными фильтрами. Измерение спектров люминесценции проводится многоканальным спектрометромс охлаждаемой ПЗС камерой.
Результаты измерения усредняются за времяt ' 10 с. Следует отметить, что интенсивность лазерного излучения, возбуждающего люминесценцию подобрано сильно меньше интенсивности захватывающего лазера, тем самым наличие накачки никак не влияет на параметрыоптической ловушки. Для получения информации о смещениях захваченнойчастицы используется стандартная схема с квадрантным фотодиодом. [2]Благодаря резонансу локальных плазмонов при облучении покрытой микрочастицей лазерными излучением с длиной волны 532 нм возникает усиление локального оптического поля вблизи металлических наночастиц, покрывающих микрочастицу.
Поскольку микрочастицы погружены в растворкрасителя, сигнал люминесценции от области, где происходит усиление поля также усиливается. Результаты измерения спектров люминесценции дляразличных конфигураций захваченных частиц приведены на графике 2. Интенсивность люминесценции при захвате одной покрытой частицы примерно на 10% превосходит фоновый сигнал, в тоже время при захвате одиночной непокрытой диэлектрической частицы сигнал люминесценции спадаетна 15%. Это связано с тем, что микрочастица вытесняет некоторый объемкрасителя из области детектирования, что ведет к ослаблению сигнала люминесценции. В случае покрытой частицы локального усиления оптическогополя оказывается достаточно не только для компенсации этого эффекта, нои для усиления интегрального сигнала.
В случае захвата и сближения двухпокрытых частиц усиление возрастает до 20%, что на первый взгляд является просто аддитивным эффектном от наличия двух плазмон-активныхмикрочастиц в объеме детектирования. Однако, при дальнейшем сближениивплоть до касания имеет место флуктуирующий характер интенсивности люминесценции с резонансным усилением до 60%.
Такие вспышки люминесцен9Рис. 2: Спектры люминесценции красителя родамина 6Ж вблизи захваченныхмикрочастиц. На вставке - пара захваченных микрочастиц и резонансная вспышкалюминесценции между ними.ции были видны на съемке ПЗС камерой как яркое пятно между захваченными частицами (см. вставку на рис. 2). Оптическая ловушка фиксирует трипоступательные степени свободы каждой из захваченных частиц в то время как вращательные степени свободы остаются незафиксированными. Привзаимном повороте пары захваченных частиц наноостровками серебра другк другу, пара сблизившихся наночастиц серебра образует резонатор, усиливающий локальное оптическое поле эффективнее, чем каждая из частиц поотдельности.
Это и приводит к резонансными вспышкам, имеющим флуктуационный характер, превосходящим чисто аддитивный эффект.Сигнал люминесценции от области вблизи захваченной частицы можносчитать индикатором локального оптического поля. В описанных выше экспериментах мощность накачки составляла 1 мкВт, при увеличении мощностинакачки до 1 мВт эффект пропадал.
Наличие частиц в объеме детектирования как покрытых, так и непокрытых приводило к одинаковому ослаблениюинтенсивности люминесценции, вызванного высвечиванием красителя из-заслишком большого значения электромагнитного поля вблизи наночастиц.Усиление люминесценции в описанных выше экспериментах возможно10объяснить и в терминах потока фотонов. В этом случае необходимо рассматривать совместно систему наночастица-краситель. В случае раствора красителя без наночастиц интенсивность люминесценции I будет определяться соотношением I ∼ ησ0 I0 Наличие наночастиц приводит к эффективному усилению сечения поглощения σ 0 .
В чистом растворе красителя сечениепоглощение определяется сечением поглощения красителя σ0 . При наличиинаночастиц сечение поглощения определяется размерами наночастиц и существенно превосходит сечение поглощения красителя σ 0 >> σ0 . В результатепоглощения фотонов возникает локальное плазмонное поле вблизи частицы, переводящее молекулы красителя в возбужденное состояние.
Другимисловами, наночастицы играют роль “воронок”, эффективно увеличивающихчисло фотонов, взаимодействующее с молекулой красителя. Подобный эффект имеет место только при низкой концентрации красителя по сравнениюс концентрацией наночастиц на захваченной микрочастице, что подтверждается экспериментально.Рис.
3: Сила действующая на захваченную частицу при включении излучениянакачки люминесценции (серая кривая, левая ось), сигнал люминесценции при нахождении частицы в объеме детектирования (черная кривая, правая ось). (а) диэлектрическая (непокрытая) микрочастица; (б) - микрочастица, покрытая наночастицами серебра.На графике 3 приведены результаты одновременных измерений сигналалюминесценции и силы, действующей на захваченную частицу. При включении накачки в случае непокрытой частицы не происходит каких либо существенный силовых воздействий. В случае покрытой частицы при включениинакачки возникает сила Fz ' 40 фН, действующая вдоль оси лазерного пучка накачки при мощности накачки 1 мкВт.
Флуктуации силы коррелируют11с сигналом люминесценции. Отдельные серии экспериментов по измерениюсилового воздействия на покрытые и непокрытые частицы в растворе красителя и в дистиллированной воде выявили связь флуктуирующей силы сналичием красителя и покрытием частицы. Таким образом, обнаруженныйэффект представляет собой силовую отдачу при излучении люминесценцииусиленной локальными плазмонами.
Пример этих измерений показывает, чтометод оптического пинцета в модификации “фотонно-силового микроскопа”может применяться для силовой спектроскопии поглощения и люминесценции одиночных микрочастиц.Глава III. Возбуждение поверхностных плазмон-поляритонов в магнитоплазмонных наноструктурахТретья глава посвящена экспериментальному изучению резонансных особенностей в оптическом и магнитооптическом откликах наноструктурированныхметаллических поверхностей. В данной главе под поверхностью понимаетсяне кристаллографическое, а оптическое понятие (L ' λ).В главе рассматривается резонансное возбуждение поверхностныхплазмон-поляритонов на наноструктурирванных поверхностях металлов содномерным и двумерным упорядочением. По аналогии с фотонными и магнитофотонными кристаллами подобные структуры могут быть названы магнитоплазмонными кристаллами [4, 5]. В качестве экспериментальных образцов рассматриваются бороздки на никелевой поверхности с периодом 320 нми амплитудой рельефа 10 нм и инвертированные никелевые опалы с периодом500 нм .
Опаловую поверхность можно рассматривать по сути как двумерную структуру, поскольку из-за сильного оптического поглощения в никелеэлектромагнитное излучение не проникает глубже одного периода внутрьструктуры, тем самым упорядочение по этому направлению не влияет наоптический и магнитооптический отклик.Существенная экспериментальная сложность при возбуждении поверхностных плазмон-поляритонов на поверхности ферромагнитного металлазаключается в значительном оптическом поглощении. Для эффективноговозбуждения поверхностных плазмонов на периодически структурированной поверхности металла необходимо соблюсти условия фазового синхронизма между падающей объемной электромагнитной волной и поверхностнымплазмон-поляритоном, другими словами, необходимо добиться пересечениядвух соответствующих дисперсионных кривых (рис.
4). [4,5] Фазовый синхронизм замыкается через вектор обратной решетки поверхностной структуры.Здесь наклонная прямая соответствует (-1)-ому порядку дифракции, пе12Рис. 4: Схема возбуждения поверностных плазмон-поляритонов на наноструктурированной поверхности. а) - условия фазового синхронизма. б) - конфигурациявозбуждения поверхностных плазмонов. На вставке АСМ изображение экспериментального образца.ресечение с дисперсионной кривой поверхностных плазмон-поляритонов соответствует условиям фазового синхронизма: −ik0 sinα + ng = kspp .В случае двумерной периодичности условия фазового синхронизма аналогичны с тем лишь отличием, что в условиях фазового синхронизма в двумерном случае будут участвовать оба вектора обратной решетки структуры−ik0 sinα + n1 g1 + n2 g2 = kspp .Учтя закон дисперсии поверхностного плазмон-поляритона в итоге дляусловия фазового синхронизма получим:rε1 ε2−ik0 sinα + n1 g1 + n2 g2 = k0(4)ε1 + ε2Из формулы (4) видно, что условия фазового синхронизма зависят отследующих управляющих параметров: длины волны падающего излученияλ = 2π/k0 , угла падения α, азимутального угла поворота образца θ.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
