Диссертация (1104675), страница 18
Текст из файла (страница 18)
4.6 для толщин золотой решетки l = 80 и 118 нм и ширинывоздушной щели wAir = 80 нм. Возбуждение собственной моды любого типа (Рис.4.4) сопровождается локализацией электромагнитной энергии падающей волнывблизи поверхности золота и, следовательно, увеличением поглощения. Поэтому,возбуждение собственной моды наблюдается как провал в спектре коэффициентаотражения структуры (темные области на Рис.
4.6(а,б)), либо как пиккоэффициента поглощения (светлые области на Рис. 4.8).112222(а)(б)(в)(г)Рис. 4.6 Зависимости (а, б) коэффициента отражения R и (в, г) его относительного изменения отдлины волны и периода решетки для ее толщин l = 80 нм (а, в) и 118 нм (б, г). Ширинавоздушной щели равна wAir = 80 нм. Цифрами отмечены особенности в спектрах коэффициентаотражения, соответствующие возбуждению ППП на границах золото/воздух (1) и золото /GaAs(2) (типы оптических мод 1 и 2 на Рис.
4.4).107Из дисперсий величины ∆R/R0 (Рис. 4.6(в,г)) следует, что эффективноевзаимодействие акустической и оптической волн происходит только привозбуждении ППП на нижней границе золотой решетки. При возбуждении ПППнаверхнейграницезаметногоизменениякоэффициентаотражениянепроисходит, так как условие фазового синхронизма (1.15) на границезолото/воздух при акустическом возмущении не изменяется. При толщинезолотой решетки 118 нм происходит большая относительная модуляциякоэффициента отражения. Это объясняется тем, что при увеличении толщинырешетки преобразование света в поверхностную волну происходит с большейэффективностью [5].На Рис.
4.7 представлены спектры коэффициента отражения и егоотносительногоизмененияприраспространенииакустическойволнывсверхрешетке для значений периода золотой решетки, когда дисперсионныекривые ППП разных порядков спектрально разнесены (Рис. 4.7(а)) и находятсяблизко друг к другу (Рис. 4.7(б)). Во втором случае происходит более сильнаялокализацияэлектромагнитнойэнергиипадающегоизлучениявнутриакустической полости, что приводит к возрастанию величины ∆R/R0 примерно301500,6(а)0,045RR/R0,7R, %R, %60R/R, 10-37590175060-145-2150,8Длина волны, мкм-0,50,900,6(б)-330RR/R0,7R/R, 100,590-3вдвое по сравнению с первым случаем.
Также стоит отметить, что в обоих-40,8-50,9Длина волны, мкмРис. 4.7. Спектры отражения R структуры (сплошная линия) и его относительного измененияпри возбуждении в сверхрешетке акустической волны для случаев, (а) когда два плазмонныхрезонанса типа (2) спектрально разнесены друг от друга (период решетки 500 нм, высотарешетки 118 нм) и (б) когда дисперсионные зависимости двух ППП находятся близко друг кдругу (период решетки 430 нм, высота решетки 118 нм, см. Рис. 4.6(б)).108случаях, когда на акустическую сверхрешетку нанесена плазмонная решетка,величина ∆R/R0 увеличивается на порядок по сравнению с неплазмонным случаем(Рис. 4.2).Модуляции4.3.2коэффициентаотраженияпривозбуждениилокализованных плазмон-поляритонов и щелевых модПри больших ширинах щелей, когда соотношение wAir/dgr << 1 уже невыполняется, вид дисперсионных зависимостей для мод типов 1 и 2 отличается отаналитически полученного для гладкой границы металл-диэлектрик соотношения(1.3). Также в этом случае в золотой решетке могут возбуждаться модырезонатора типа Фабри-Перо внутри воздушных щелей (моды типа 3 на Рис.
4.4).Для них дисперсионное уравнение в первом приближении записывается в виде:2l FP 1 2 2 m ,(4.11)где βFP – волновое число моды, которое в общем случае отличается от волновогочисла света в воздухе k0=ω/c; φ1 и φ2 – сдвиги по фазе, приобретаемыеэлектромагнитной волной при отражении от границ раздела решетка/воздух ирешетка/GaAs. В общем случае величины βFP, φ1 и φ2 зависят не только отдиэлектрических проницаемостей материалов, образовывающих резонатор, но иот ширины воздушной щели. Спектральное положение и амплитуда резонансовтипа 3 чувствительны к размерам резонатора, то есть к высоте золотой решетки l[165].
Также сдвиг по фазе φ2, приобретаемый волной на границе разделарешетка/GaAs, чувствителен к изменениям диэлектрической проницаемостиGaAs.Изменение ширины воздушной щели влияет на выполнение условийвозбуждения локализованных плазмон-поляритонов – мод типа 4 (Рис. 4.4). Прибольших значениях ширины щели в решетке и при ширине золотой полоски,сравнимой с длиной волны возбуждаемого ППП, нарушаются условияраспространения плазмон-поляритонов, и поверхностные электромагнитныеволны локализуются на одной из граней золотой полоски.109Как указано выше, возбуждение различных типов мод сопровождаетсяувеличением коэффициента поглощения структуры (Рис.
4.8(а,б)). На Рис. 4.8(в)представлены распределения электромагнитного поля внутри структуры, покоторым можно определить, какие пики в спектре поглощения соответствуюттому или иному типу возбуждаемой моды. Из распределений поля можно(а)(б)(в)z, мкм|Hy|2max0(1)x, мкм(2)x, мкм(3)x, мкмz, мкм|Hy|2max0(4)x, мкм(5)x, мкм(6)x, мкмРис. 4.8 (а) Зависимость коэффициента поглощения структуры от периода решетки dgr иотносительной ширины воздушной щели wair.
Длина волны падающего света 760 нм;пунктирные линии показывают дисперсию пиков поглощения. (б) Зависимость коэффициентапоглощения структуры в тех же координатах, что и на рис.(а). Длина волны падающего света815 нм; пунктирными линиями отображены семейства кривых wAu=const и wair=const, wAu –ширина золотой полоски. (в) Пространственные распределения магнитного поляэлектромагнитной волны в отмеченных точках на рис. (а).
Изображен один период решетки,золотая полоска расположена по центру.Высота золотой решетки 118 нм, падение нормальное, плоскость поляризации перпендикулярнащелям золотой решетки.110заключить, что кривая 1-3 соответствует возбуждению щелевой оптической моды,кривые 4-6 –плазмон-поляритонов различных порядков на нижней границезолотой решетки. Резонансы в точках 1-3 сопровождаются локализацией поля восновном внутри воздушной щели решетки и различаются только порядкомплазмона на нижней границе золотой полоски, т.е. в точках 1-3 происходитпересечение дисперсии щелевой моды и дисперсий различных порядков ППП нанижней границе золотой решетки (кривые 4-6 на Рис.
4.8(а)). Также из характерадисперсий следует, что условия возбуждения щелевых мод слабо зависят отпериода решетки, как и предполагалось, и определяются, в основном, ширинойщели. Кривые 4-6 при малой ширине щели, наоборот, имеют ярко выраженнуюзависимость от периода решетки, что связано с видом условия фазовогосинхронизма (1.15). При увеличении ширины щели зависимость от периодастановится менее выраженной и появляется зависимость от ширины золотойполоски (дисперсионные кривые перестают быть перпендикулярными оси dgr).Это связано с нарушением условий распространения плазмон-поляритонов из-забольшой ширины воздушной щели и выполнений условий возбуждениялокализованных плазмонов.
В точке 6 дисперсионный диаграммы помимо ППП(а)(б)Рис. 4.9. Зависимости величины относительного изменения коэффициента отраженияструктуры ∆R/R0 от периода решетки dgr и относительной ширины воздушной щели wgr. Высотазолотой решетки 118 нм, длина волны падающего света 760 нм (а) и 815 нм (б), падение светанормальное, плоскость поляризации перпендикулярна щелям золотой решетки. Стрелкамиуказаны резонансы ∆R/R0 с наибольшей амплитудой.111на нижней границе золотой решетки также возбуждается ППП на верхней границе(распределение поля 6 на Рис.
4.8(в)). Но при этом в точке 6 нет пересечения двухкривых, проведенных по пикам поглощения, так как возбуждение ППП наверхней границе сопровождается локализацией электромагнитного поля, восновном, в воздухе и относительно малыми оптическими потерями. Характерзависимостей условий возбуждения от геометрических параметров решетки дляразличных типов мод одинаков для разных длин волн падающего света (Рис.4.8(а,б)). Соотношение геометрических параметров золотой решетки (периода,ширины воздушной щели) и длины волны падающего света влияет наэффективность одновременного возбуждения нескольких типов оптических модструктуры и, следовательно, на амплитуду величины δ=∆R/R0 (Рис. 4.9).Наибольшиеизменениякоэффициентаотраженияпроисходятприодновременном возбуждении оптических мод разных типов – щелевых мод иППП; локализованных плазмон-поляритонов. Каждый из резонансов в спектре752-33001500,6(а)0,70,8Длина волны, мкмR, %1454513001500,6-10,9(б)0,70,8Длина волны, мкм-10,9|Hy|2maxz, мкмz, мкм|Hy|2max0(в)260R/R, 10R, %603RR/R-375903RR/RR/R, 10900(г)x, мкмx, мкмРис.
4.10. (а, б) Спектры коэффициента отражения R и величины его относительного изменения∆R/R0 при параметрах золотой решетки, соответствующих точкам, указанным стрелками наРис. 4.9;(в, г) пространственные распределения магнитной компоненты поля, соответствующиемаксимальному значению величины ∆R/R0.112отражения, соответствующих возбуждению оптических мод, характеризуетсядобротностью. При одновременном выполнении условий возбуждения для двух иболее мод добротность резонанса увеличивается. Также возрастает амплитудапика величины δ = ∆R/R0, но сам пик при этом становится спектрально болееузким (Рис. 4.7 и Рис.
4.10). При определенном соотношении геометрическихпараметров золотой решетки и длины волны падающего излучения амплитудавеличины δ = ∆R/R0 более в 20 раз превышает аналогичные значения дляструктуры без металлической решетки (Рис. 4.2 и Рис. 4.10).Выводы к главеВ главе представлены результаты теоретического исследования особенностейрезонансной модуляции оптического коэффициента отражения акустическойсверхрешетки с плазмонным покрытием при взаимодействии поверхностныхплазмонных и акустических мод. Последовательно рассмотрено влияние накоэффициент отражения структуры различных геометрических параметровплазмонной решетки; описаны особенности модуляции коэффициента отраженияпри возбуждении различных собственных оптических мод структуры. Показано,что вызванная акустическими волнами модуляция оптического коэффициентаотражения возрастает в несколько десятков раз при одновременном возбуждениищелевых и локализованных плазмонных мод плазмонной решетки по сравнениюсо случаем отсутствия плазмонного слоя на поверхности акустическойсверхрешетки.Основные результаты, представленные в данной главе, опубликованы вработах [П6,П12,П13].113ЗаключениеВ работе проведено исследование влияния внешних воздействий –оптическогоизлучения,акустическойволнымагнитного–наполя,условияраспространениявозбужденияивструктурехарактеристикиплазмон-поляритонов.
Изменение условий возбуждения плазмон-поляритоновприводит к перераспределению электромагнитного поля в ближней оптическойзоне и, как следствие, к изменению оптических и магнитооптических откликовструктуры в дальней оптической зоне.Основные результаты диссертационной работы заключаются в следующем.1.Проанализировано влияние фотовозбужденияэлектронов металлафемтосекундным плазмонным импульсом накачки на длительность и формусигнального плазмонного импульса и на временную задержку между двумяплазмонными импульсами. Продемонстрирована зависимость длительностисигнального импульса от временной задержки между плазмонными импульсами.При взаимодействии плазмонных импульсов длительность сигнального импульсаизменяется на 30%, если плотность энергии лазерного импульса накачкисоставляет 1,5 мДж/см2.
При этом изменение временной задержки междуимпульсами зависит от параметров импульсов и достигает 25 фс.2.Выявлено, что поверхностная плазмонная волна, распространяющаясявдоль границы между металлом и магнитным диэлектриком, влияет на состояниенамагниченности магнитного диэлектрика за счет обратного эффекта Фарадея.Аналитическипоказано,чтоврезультатеинтерференциинесколькихплазмон-поляритонов происходит локальное усиление обратного эффектаФарадея в областях с размерами порядка 100 нм при возбуждении плазмоновсветом с длиной волны, лежащей в оптическом диапазоне.3.Развитатеоретическаямодель,описывающаяэкспериментальнонаблюдаемый магнитооптический экваториальный эффект Керра в плазмонныхкристаллах при возбуждении поверхностных плазмон-поляритонов на границеметалл/воздух.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
