Диссертация (1104675), страница 5
Текст из файла (страница 5)
В зависимости от сдвига по фазе между импульсами, намагниченностьприобретала как нулевое значение, так и достигала удвоенной амплитуды (посравнению со случаем одного импульса).Для намагниченности образца, возникающей при ОЭФ, справедливовыражение [35–39]:M ~ V [E E* ] ,(1.12)где E – напряженность внешнего электрического поля электромагнитной волны,астериск означает комплексное сопряжение.Из (1.10) и (1.12) следует, что прямой и обратный эффекты Фарадея связаны,так как определяются свойствами материала, т.е. константой V. Также из (1.12)следует, что при прохождении через образец электромагнитной волны,приобретеннаянамагниченностьзависитотполяризацииизлучения:намагниченность максимальна при круговой и равна нулю при линейнойполяризациях соответственно [35–40].
Кроме того, как следует из (1.12), обратныйэффект квадратичен по амплитуде электрического поля волны. Следовательно,величина обратного эффекта Фарадея пропорциональна интенсивности внешнегополя, что подтверждается экспериментально [40,41].1.2.2 Магнитооптические эффекты в магнитофотонных кристаллахФотонные кристаллы (ФК) – структуры, состоящие из периодическирасположенных материалов с отличающимися показателями преломления –получили название по аналогии с кристаллами полупроводников: как и прираспространении электронов внутри полупроводниковых кристаллов, так и прираспространении фотонов в ФК появляются запрещенные зоны частот, связанныес наличием периодичности структуры [42–46]. Выделяют одно-, дву- и трехмерные ФК в зависимости от вида периодичности (Рис.
1.12).26Одномерные ФК являются слоистыми структурами, и их особые оптическиесвойства начали изучаться еще на рубеже XIX - XX веков лордом Рэлейем [47,48].С появлением лазеров ФК стали представлять особый интерес из-за широкихперспектив их применения в интегральной оптике, в частности для созданияволноводов и активных элементов фотоники [43,49].Рис.
1.12. Верхний ряд: схематические изображения простейших случаев расположенияматериалов в одно-, дву- и трех-мерных фотонных кристаллах; различные градации серогоизображают материалы с различными показателями преломления (рис. из [44]). Нижний ряд –микрофотографии фотонных кристаллов соответствующего типа, фотонная запрещенная зонакоторых лежит в оптическом диапазоне частот: одномерный фотонный кристалл с магнитнымислоями [50], двумерный массив отверстий в пленке кремния [51], трехмерный массивпериодически упорядоченных сфер из полистирола [52].Если один из слоев в периоде одномерного ФК или дополнительный слой какдефект ФК обладает магнитооптической активностью, то такой ФК принятоназывать магнитофотонным кристаллом (МФК) [50,53,54].
Благодаря сильнойлокализации света внутри магнитных слоев или дефектов в МФК происходитзначительное усиление магнитоооптических эффектов.Например,усилениеэффектовФарадеяиКерраэкспериментальнонаблюдалось для одномерных МФК, представляющих из себя тонкую магнитнуюгранатовуюпленку,расположеннуюмеждудвумядиэлектрическимибрэгговскими зеркалами [50,53–61]. При этом пик угла Фарадея совпадаетнаблюдается на той же длине волны, что и пик пропускания структуры,27связанный с наличием дефекта в МФК (Рис.
1.13). Также усиление эффектаФарадея наблюдается на краях фотонной запрещенной зоны для многослойныхструктур типа (немагнитный диэлектрик / магнитный диэлектрик)n [62].Значительное усиление и спектральная узость магнитооптических эффектовв МФК по сравнению с однородными магнитными используются, в частности, длясоздания высокочувствительных биосенсоров и детекторов магнитного поля [63–66].Рис.1.13(а)ИзображениеодномерногоМФКсмагнитнымдефектом(Ta2O5/SiO2)5/Bi:YIG/(SiO2/Ta2O5)5, полученное при помощи сканирующего электронногомикроскопа; (б) спектры пропускания (круги – экспериментальные данные, сплошная лини –теоретический расчет) и угла Фарадея (сплошные круги – экспериментально измеренныйспектр угла Фарадея для пленки Bi:YIG без диэлектрических бреговских зеркал, пустые круги –экспериментально измеренный спектр угла Фарадея для МФК, сплошная линия –теоретический расчет для МФК, изображенного на рис.(а).
Для МФК наблюдается 10-кратноеувеличение угла Фарадея по сравнению со случаем уединенной магнитной пленки [53,54].1.2.3 Магнитооптические эффекты в плазмонных структурахВ первых работах, в которых исследовалось влияние возбуждения ППП навеличину магнитооптических эффектов, рассматривалось распространение ПППвдоль гладкой границы ферромагнитной пленки [67,68], помещенной во внешнее28магнитное поле. При этом наблюдались изменения волнового вектора ППП принеизменной ТМ-поляризации поверхностной волны.Экваториальный эффект Керра имеет ярко выраженные резонансы в спектрепри возбуждении плазмон поляритонов.
Это связано с тем, что приперемагничивании структуры происходит изменение дисперсии плазмона и, какследствие, спектральное смещение положения оптического резонанса. Так какпри возбуждении плазмона спектр отражения/пропускания имеет большуюкрутизну (большое значение производной ∂I/∂λ, Рис. 1.6), то величина ЭЭК δ=ΔI/Iтакже увеличивается по сравнению с нерезонансным случаем.Наиболее эффективное усиление ЭЭК наблюдалось при возбуждении ППП сбольшой длиной распространения [69]. В других работах предлагалисьмногослойные системы, состоящие из благородного и ферромагнитного металлов:благодаря включению благородного металла с малыми оптическими потерямиувеличивается длина распространения ППП (1.7), а ферромагнитный металлпроявляет магнитоооптические свойства [70,71]. В таких структурах усилениеЭЭК составило порядка нескольких раз по сравнению с неплазмонным случаем.Другим подходом к усилению ЭЭК является использование структуры изферромагнитногодиэлектрикаиблагородногометалла,чтоуменьшаетоптические потери и приводит к еще большему усилению ЭЭК.
Этот подход кусилению магнитооптических эффектов в плазмонных структурах представлен,например, в работах [72-74]. Авторами предлагаются магнитоплазмонныеструктуры, состоящие из слоя ферромагнитного диэлектрика висмут-замещенногоферритграната(bismuthirongarnet,BiIG),покрытогопериодическиперфорированной золотой пленкой. В таких структурах при возбуждении ППП награнице золото-BiIG не только наблюдается увеличение пропускания структурыза счет экстраординарного прохождения света при возбуждении ППП [75], но иусиление магнитооптических эффектов Фарадея и Керра.Помимо структур, содержащих только гладкие пленки, для усиления ЭККтакже предлагалось использовать более сложные структуры, содержащиемагнитные слои и периодически расположенные плазмонные металлические29элементы (Рис.
1.14). Такие структуры принято называть магнитоплазмоннымикристаллами, по аналогии с МФК [73].Резонансное усиление ЭЭК наблюдалось для одномерных решеток изкобальта, железа и никеля (Рис. 1.14(а)). В случае таких решеток длинараспространения ППП не превышает нескольких мкм для оптических частот. Нотем не менее эта длина составляет несколько периодов структуры, что приводит кэффективному возбуждению ППП в решетке и усилению за счет этого ЭЭК внесколько раз по сравнению со случаем гладких ферромагнитных пленок [76-78].РезонансноеусилениеЭЭКтакженаблюдалосьпривзаимодействиилокализованных и распространяющихся ППП в системе плазмонных наночастиц(Рис.
1.14(в)) [79].Также при возбуждении ППП резонансно увеличивается эффект Фарадея.Первые экспериментальные исследования, посвященные изучению эффектаФарадея и Керра при возбуждении ППП в гладких металлических пленках,проведены в начале 1970-х годов [80]. В недавних работах рассматривалисьпериодические металл-диэлектрические структуры [81,82]. Эффект Фарадея втаких структурах усиливается на порядок по сравнению со случаем гладких(а)(б)(в)(г)Рис. 1.14 Примеры различных типов магнитоплазмонных кристаллов: (а) одномернопериодические структуры (решетки) из благородных и ферромагнитных металлов [74], (б)двумерно периодическая никелевая решетка – схематическое и СЭМ изображения [76], (в)золотые плазмонные частицы на трехслойной структуре золото/кобальт/золото [79], (г)двумерный плазмонный кристалл из никелевой структуры на подложке из золота схематическое и АСМ изображения [77].30пленок. Также эффект Фарадея и его усиление были изучены при прохождениисвета через структуры, в которых возбуждались локализованные плазмонныерезонансы [83,84].Принципы усиления магнитооптических эффектов при возбуждении ПППмогут быть использованы, например, для улучшения чувствительности различныхсенсоров: локальной намагниченности [85], биосенсоров [86] и других [87].1.3 Фотовозбуждение электронов металла лазерным импульсомПри падении импульса света на поверхность металла происходит еечастичное поглощение электронами проводимости.
При этом температураэлектронов сначала возрастает, затем из-за их взаимодействия с холоднымиэлектронами и ионами кристаллической решетки происходит спад температуры.Этидвапроцесса–возрастаниеиспадтемпературы–называютсяфотовозбуждением и термализацией электронов металла. Подробно эти процессыописаны, например, в [88–91].
Для пикосекундных лазерных импульсов их можноусловно разделить на три стадии, каждая из которых имеет свое характерноевремя.Во время взаимодействия оптического импульса с электронами металлапроисходит резкое возрастание температуры электронов проводимости Те тольков тонком приповерхностном слое металла, в результате чего электронный газприходит в сильно неравновесное состояние со ступенчатой функциейраспределения энергии, отличающейся от функции Ферми (Рис. 1.15(а)) [92]. Наданной стадии фотовозбуждения основную роль во взаимодействии металла исветаиграетпоглощениефотоновэлектронамипроводимости,поэтомухарактерное время стадии определяется фотон-электронным взаимодействием,время которого много меньше длительности импульса.
Таким образом, в течениенескольких десятков фемтосекунд после фтовозбуждения электронный газсостоит из двух подсистем; одну из них составляют возбужденные электроны с31(а)(б)(в)Рис. 1.15. Три стадии фотовозбуждения и последующей релаксации электронов в металлефемтосекундным лазерным импульсом. (а) Поглощение фотонов электронами в тонкомприповерхностном слое за время длительности лазерного импульса, что приводит с сильнонеравновесному состоянию электронов и баллистическому движению горячих электроноввглубь металла [92,94]. (б) Через характерное время термолизации t=τth ~ 500 фс [88]электронная подсистема посредством электрон-электронных взаимодействий приходит кравновесному состоянию, которое характеризуется распределением Ферми с температурой Te,энергия распространяется вглубь образца посредством диффузии горячих электронов.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
