Диссертация (1104675), страница 15
Текст из файла (страница 15)
Это связано с условиямивозбуждения различных типов мод. Как следует из (3.7), спектральное положениерезонанса определяется величиной sin(ζ)/λ, которая заметно зависит от ζ вблизиζ=0o. С другой стороны, спектральное положение резонанса, связанного свозбуждением моды типа Фабри-Перо микрорезонаторного слоя, определяетсяпроекцией волнового вектора падающего света на нормаль к магнитному слою, тоесть величиной cos(ζ)/λ. Следовательно, спектральное смещение положениямикрорезонаторной моды слабо зависит от угла вблизи ζ = 0°. Также описанныезависимости от угла объясняют спектральное смещение резонансов приувеличении угла ζ: провалы в спектре отражения, связанные с возбуждениемволноводных мод ПМФК, смещаются в длинноволновую область; провалы в86спектреотражения,связанныесвозбуждениеммодымикрорезонатораФабри-Перо, – в коротковолновую (Рис.
3.14 и Рис. 3.15).Спектры коэффициентов отражения и пропускания МФК с нанесеннойзолотой решеткой имеют важные различия для разных поляризаций (ТМ и ТЕ)падающего света. В частности, провал, связанный с возбуждением модымикрорезонаторного слоя, почти не изменяется при ТЕ-поляризации света, а дляТМ-поляризациивозбуждениемнаоборот–волноводных«размывается»модрезонансами,структуры.ТакжесвязаннымирезонансысприТМ-поляризации спектрально шире, чем при ТЕ-поляризации. Это связано с тем,что при ТМ-поляризации происходит локализация поля моды на границеметалл/диэлектрик, что приводит к большому поглощению.
При ТЕ-поляризации,напротив, такой локализации не происходит, а также за счет отражения моды сТЕ-поляризацией от металлической решетки она лучше удерживается внутриструктуры, рассеиваясь в дальнюю зону в меньшей степени, чем моды с ТМполяризацией. В результате ТЕ-моды имеют резонансы большей добротности,чем ТМ-моды.(a)(б)Рис. 3.15.
Зависимости коэффициента отражения R исследуемого ПМФК от длины волны и углападениясветапри(а)ТЕ-и(б)ТМ-поляризациях.Положенияминимумоввэкспериментальных спектрах коэффициента отражения отмечены кружками и звездочками.Пунктиром отмечена мода микрорезонатора типа Фабри-Перо.87(б)(а)(в)(г)Рис. 3.16. Рассчитанные численно пространственные распределения квадрата амплитудыу-компоненты магнитного поля |Hy|2 внутри ПМФК при различных длинах волн падающегосвета (значения длины волны указаны в верхней части распределений) для (а) ТМ и (б, в) ТЕполяризаций.
(г) Распределение |Hy|2 внутри МФК без металлической решетки при резонансномпрохождении. Углы падения (а, б) 10°, (в) 4°, (г) 0о. Изображен один период золотой решетки;слева приведена схема структуры.Численные расчеты дисперсии спектров коэффициента отражения ПМФКнаходятся в хорошем согласии с экспериментальными данными (Рис. 3.15).Имеетсянебольшоенесоответствие,котороеобусловленоотклонениемпоперечных сечений золотых полосок от прямоугольной формы и небольшимивариациями ширины воздушных щелей решетки (Рис. 3.8(б)). Чтобы определить,какойтипвозбуждаемойдисперсионныхкривыхнавструктуреРис.3.15,модысоответствуетрассчитывалиськаждойизпространственныераспределения электромагнитного поля внутри структуры (Рис. 3.16).
При углепадения ТМ-поляризованного света 10° и длине волны λ = 618 нм распределениеэлектромагнитного поля имеет максимумы как внутри микрорезонаторного слоя,так и внутри брэгговских зеркал (Рис. 3.16(а)). Это указывает на то, что в случаеТМ поляризации происходит сильная гибридизация мод микрорезонаторного слояи мод брэгговских зеркал и, как следствие, резонанс микрорезонатора«размывается»(Рис.3.14(в)).ТаккакэтонаблюдаетсятолькодляТМ-поляризации, которая взаимодействует с электронами металла, то гибриднаямода ПМФК имеет плазмонный характер, что подтверждается наличиемлокальных максимумов электромагнитного поля непосредственно под золотыми88полосками (Рис.
3.16(а)). При возбуждении резонансов, спектральное положениекоторых находится вдали от моды микрорезонатора, локализация поля внутримагнитного дефекта МФК значительно меньше (λ = 652 нм и λ = 679 нм, Рис.3.16(а)) – поле, в основном, локализуется внутри брэгговских зеркал.При ТЕ-поляризации падающего на ПМФК света также возбуждаютсяоптические моды, поле которых локализовано в основном в слоях брэгговскихзеркал (λ = 654 нм и λ = 661 нм, Рис. 3.16(б)). Однако поле гибридной модымикрорезонаторного слоя сосредоточено в основном внутри магнитных слоев(λ = 611 нм, Рис. 3.16(б)). Это происходит из-за слабого взаимодействияТЕ-поляризованного света с электронами металла, что также приводит к маломуизменению формы и положения резонанса микрорезонаторного слоя привозбуждении мод в брэгговских зеркалах.
Также при ТЕ-поляризации падающегоизлучения происходит возбуждение собственной моды ПМФК, электромагнитноеполе которой почти полностью локализовано в магнитных слоях междубрэгговскимизеркалами(Рис.3.16(в));экспериментальнополученныеспектральные положения резонансов, соответствующих возбуждению этой моды,отмечены звездочками на Рис. 3.15(б).3.3.6Магнитооптическиеэффектывисследуемыхмагнитофотонныхкристаллах с плазмонным покрытиемТак как в исследуемой структуре присутствуют слои М1 и М2 измагнитоактивныхматериалов,товработеисследованыособенностимагнитооптических эффектов Фарадея и экваториального эффекта Керра привозбуждении различных оптических мод структуры. Как указано выше, приналичии плазмонной решетки на поверхности МФК в спектре его коэффициентаотражения появляются новые резонансные особенности.
Ожидалось, что этиособенности также будут наблюдаться и в спектрах магнитооптических эффектов.Эффект ФарадеяНанесение плазмонной решетки слабо изменяет эффект Фарадея: спектр углафарадеевского вращения имеет две резонансных особенности вблизи пиков89прохождения МФК без плазмонной решетки (Рис. 3.17). При гибридизацииволноводных мод и мод микрорезонатора происходит увеличение угла Фарадеяпо сравнению со случаем МФК без решетки до 50 % по амплитуде (пикфарадеевского вращения на длине волны 745 нм, Рис.
3.17), но этом происходитуменьшение коэффициента пропускания структуры. Однако, при нанесениизолотой плазмонной решетки непосредственно на магнитную пленку, приводит кувеличению угла Фарадея почти на порядок [157].Относительно слабое увеличение амплитуды эффекта Фарадея в исследуемойструктуре связано с тем, что плазмонная решетка и магнитоактивные слойразнесены друг от друга на расстояние (0,9 мкм), много большее, чем глубинапроникновения электромагнитного поля при возбуждении плазмонных модрешетки, что приводит к слабому взаимодействию их с волноводными модамислоев М1 и М2. Поэтому в работе также рассмотрен случай, когдадополнительный слой в образце ПМФК (Рис.
3.8(а)) состоит из магнитногодиэлектрика, как и слои М1 и М2 (Рис. 3.18(а)). При этом в спектре угла Фарадеяпоявляетсядополнительныйпик,связанныйсрезонансноймодой00,8-40,6-80,4-120,2-160,0550600650700Длина волны, нм750o1,0Угол Фарадея,Коэффициент пропусканиядополнительного слоя (Рис. 3.18 (б, в)).-20800Рис. 3.17. Спектры коэффициента пропускания и угла Фарадея МФК с нанесенной плазмоннойрешеткой (сплошные линии) и без нее (пунктирные линии).
Падение света нормальное,поляризация перпендикулярна золотым полоскам, индукция внешнего магнитного поля 2 кЭ.90(б)(а)(в)0,30МФК без плазмонной решеткиМФК с плазмонной решеткой00,20-40,15-80,10-120,05-16650700750Длина волны, нм-20800о0,00600Угол Фарадея,T0,254Рис. 3.18 (а) Схема нанесения золотой решетки на дополнительный слой магнитного материала;(б) спектры коэффициента прохождения Т и угла Фарадея для структуры на рис. (а);(в) пространственное распределение квадрата амплитуды у-компоненты магнитного поля |Hy|2внутри структуры на длине волны дополнительного пика в спектре угла Фарадея.При изменении геометрических параметров золотой решетки и толщиныдополнительногомагнитногослояпроисходитизменениеспектральногоположения дополнительного пика угла Фарадея.
Это связано со спектральнымсмещением дисперсионных кривых, соответствующим резонансным модамрешетки и верхнего магнитного слоя. Таким образом, за счет подбора параметровзолотой решетки и дополнительного магнитного слоя можно добиться того, чтобыспектральныеположениярезонансовуглаФарадея,связанныхсмикрорезонаторным и дополнительным магнитными слоями, совпадали. Ноизменение периода золотой решетки слабо влияет на спектральное положениеосновных пиков угла Фарадея в прохождении, так как оно определяется, в первуюочередь, геометрическими параметрами и соответствующими модами магнитныхслоев.
Только при одновременном возбуждении мод решетки и магнитных слоев– гибридных плазмонно-волноводных мод – происходит смещение максимумов(Рис. 3.19(в)). Высота плазмонной решетки влияет, в основном, на амплитудудополнительного пика, что связано с эффективностью возбуждения ППП илокализации поля (Рис. 3.19(б)).91htop, мкмУгол Фарадея, о(б)Толщина золота, мкмУгол Фарадея, о(в)Длина волны, мкмУгол Фарадея, оДлина волны, мкмДлина волны, мкм(а)Период решетки, мкмРис. 3.19. Рассчитанные численно зависимости угла Фарадея от длины волны падающегоизлучения и (а) толщины дополнительного магнитного слоя htop, (б) от толщины золотойрешетки, (в) от периода золотой решетки. Падение света нормальное, плоскость поляризацииперпендикулярна щелям золотой решетки.Экваториальный эффект КерраИзмерения экваториального эффекта Керра (ЭЭК) проводились при ТМполяризации падающего на образец света, так как при ТЕ поляризации величинаэффекта δ (3.6) равна нулю [26,158].
При взаимодействии света с МФК безплазмонной решетки резонансы ЭЭК наблюдаются на длинах волн вблизиоптических резонансов микрорезонаторного слоя (Рис. 3.20(а,б)). Максимальнаявеличина |δ| при этом составляет ~3∙10-3 вблизи длины волны 613 нм. Для МФКбез золотой решетки резонансы величины ЭЭК имеют почти полностьюсимметричную S-подобную форму. Это происходит из-за того, что приперемагничиваниидефектногослояспектральноеположениепровалавкоэффициенте отражения смещается без изменения его амплитуды, т.е. величины0020 (B) 0 (B) R0R (B) R0 (B),2 00 (B) 0 (B)R0R0 (B) R0 (B)(3.8)имеют значения ΔR0/R0 ≈ 0 и Δλ0/λ0 ≠ 0. Величина смещения Δλ зависит отнамагниченности и является ее нечетной функцией Δλ(М), и для величины δсправедливо выражение: aI ( M ) ,92(3.9)где а – коэффициент пропорциональности, зависящий от свойств материала;I = R, T [24].
Поэтому больших значений величины δ можно добитьсяувеличением спектрального смещения Δλ(М) и/или величины производной ∂I/∂λ.Для магнитофотонного кристалла с плазмонной решеткой величина δ имеетрезонансы при возбуждении собственных мод микрорезонаторного слоя иволноводных мод в брэгговских зеркалах (Рис. 3.20(в, г)). Гибридизация мод двухтипов приводит к увеличению величины ЭЭК в отражении до 5∙10-3 (резонанс надлине волны 603 нм). В прохождении также происходит увеличение эффекта на50%. Для МФК с решеткой форма резонансов изменяется по сравнению сослучаем отсутствия решетки. Помимо антисимметричных резонансов, имеющихS-форму (например, на длине волны 679 нм), также наблюдаются ассиметричныерезонансы (например, на длине волны 641 нм) и резонансы формы Лоренца(например, на длине волны 603 нм).0,2561,060,2040,84595(а)610625640655Длина волны, нм6700,2-66850,0-4595(б)610625640655Длина волны, нм670-66851,060,2040,8420,6-2595610625640655Длина волны, нм670-6685-20,20,0(г)-4595610625640655Длина волны, нм670-30,00-40,4-30,050RT00,102R/R, 106T/T, 100,250,15(в)-2-30,00-4-30,05RT-200,4R/R, 1000,1020,6T/T, 1020,15-6685Рис.
3.20. Экспериментальные оптические спектры (черные линии) и магнитооптическиеспектры ЭЭК (синие линии) в пропускании (а, в) и отражении (б, г) для МФК без золотойрешетки (а, б) и МФК с решеткой (в, г) при угле падения света 10 о. Поляризация падающегосвета ТМ, индукция внешнего магнитного поля 2 кЭ. Величина ΔТ/Т не изображена при маломсигнале Т.93Такоесильноеотклонениеформырезонансаотантисимметричнойобъясняется тем, что внешнее магнитное поле изменяет не только спектральноеположение резонанса λ0, но и его амплитуду R0, т.е.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
