Автореферат (1105406)
Текст из файла
на правах рукописиВабищевич Полина ПетровнаФемтосекундная динамика оптических,магнитооптических и нелинейно-оптическихэффектов в плазмонных кристаллахи кремниевых наноструктурахс резонансами Ми01.04.21 - лазерная физикаАвторефератдиссертации на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукМосква — 20162Работа выполнена на кафедре квантовой электроники физического факультета Московского государственного университета имени М.
В. ЛомоносоваНаучный руководитель:доктор физико-математических наук,профессор Федянин Андрей АнатольевичОфициальные оппоненты:доктор физико-математических наук, заведующий лабораторией лазерной спектроскопиипрофессор Балыкин Виктор ИвановичИнститут спектроскопии Российской академиинауккандидат физико-математических наук,ведущий научный сотрудникМельник Николай НиколаевичФизический институт им. П.Н. Лебедева Российской академии наукВедущая организация:Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптикиЗащита состоится “ ”2016 г. в 15:00 на заседании диссертационного совета Д 501.001.31 при Московском государственном университетеимени М.
В. Ломоносова по адресу: 119991, Москва, Ленинские горы, МГУ,ул. Академика Хохлова, дом 1, стр. 62, корпус нелинейной оптики, аудитория им. С. А. Ахманова. С текстом диссертации можно ознакомиться вОтделе диссертаций Научной библиотеки МГУ имени М.В. Ломоносова (Ломоносовский пр-т, д.27) и на сайте физического факультета МГУ имени М.В.Ломоносова http://www.phys.msu.ru/rus/research/disser/sovet-D501-001-31/.Автореферат разослан “”2016 г.Ученый секретарьдиссертационного совета Д 501.001.31,кандидат физико-математических наукА.А. Коновко3Общая характеристика работыДиссертационная работа посвящена экспериментальному исследованиюфемтосекундной динамики оптических и магнитооптических эффектов вплазмонных кристаллах, а также наблюдению нелинейно-оптических эффектов в кремниевых наноструктурах с резонансами Ми. Особое внимание уделено изучению влияния возбуждения поверхностных плазмонполяритонов (ПП) на фемтосекундые импульсы, отраженные от металлических наноструктур и плазмон-индуцированной эволюции магнитооптического эффекта Керра.
Рассмотрены нелинейно-оптические эффекты в массивах кремниевых нанодисков, а также роль фотоиндуцированных процессов в аморфном кремнии на оптической отклик таких наноструктур.Актуальность обусловлена проблемой управления оптическим излучением на микро- и наномасштабах. Тенденция к миниатюризации фотонных устройств и развитие оптической связи в телекоммуникациях приводят к необходимости проведения фундаментальных исследований в области управления электромагнитным излучением с помощью наноструктурированных сред. Этому способствует развитие литографических методик, спомощью которых стало возможно создание наноструктурированных материалов с характерными размерами особенностей порядка десятков и сотеннанометров. Такое наноструктурирование приводит к появлению качественно новых оптических свойств по сравнению с исходным материалом.
Например, в металлических периодических субдлинноволновых решетках возможно возбуждение поверхностных плазмон-поляритонов — связанных колебаний электромагнитного излучения и плазмы свободных электронов металла.По аналогии с фотонными кристаллами, плазмонные решетки часто называют плазмонными кристаллами — за счет возникновения периодичностив законе дисперсии ПП и возможного возникновения запрещенных зон дляповерхностных плазмон-поляритонов.Характерное время жизни ПП в оптическом диапазоне излучения порядка нескольких десятков-сотен фемтосекунд, поэтому представляет особыйинтерес изучение временных характеристик таких квазичастиц при помощифемтосекундных лазерных импульсов.
Временной профиль отраженного ипрошедшего через структуру импульса изменяется в зависимости от поло-4жения на дисперсионной кривой ПП. Модификация импульса зависит отсоотношения между параметрами самого импульса и параметрами резонанса ПП. До настоящего времени не были проведены спектральные измеренияпреобразования огибающей фемтосекундных импульсов при их взаимодействии с плазмонными наноструктурами. При этом необходимость заданного формирования огибающей фемтосекундных импульсов возникает как вприкладных исследованиях, так и в фундаментальной науке, например, висследованиях взаимодействия света и вещества, в нелинейной оптике, вкогерентном контроле квантовых состояний, в полностью оптическом переключении, в биомеханических и биомедицинских применениях, в оптическойсвязи и других.Возбуждение ПП чаще всего исследуется в таких материалах, как серебро, золото.
Значительно реже поверхностные плазмон-поляритоны возбуждаются в магнитных металлах, таких как никель, кобальт и железо.Последние обладают ферромагнитным упорядочением, что приводит к зависимости их диэлектрической проницаемости от магнитного поля, а следовательно, к возможности наблюдения в них магнитооптических эффектов.Внешнее магнитное поле может быть использовано для управления оптическим откликом решеток из магнитных металлов, часто называемых магнитоплазмонными кристаллами. В магнитоплазмонных кристаллах из железа или никеля можно наблюдать усиление магнитооптического эффекта Керра (МОЭК), индуцированное возбуждением поверхностных плазмонполяритонов.
Такое усиление до сих пор измерялось при помощи непрерывных источников излучения и его временная зависимость не рассматривалась. С другой стороны, ПП имеют время жизни порядка десятков-сотенфемтосекунд в видимом диапазоне оптического излучения, следовательно,эволюция МОЭК в магнитоплазмонных решетках должна наблюдаться наэтих масштабах времен. Приложение магнитного поля позволит изменятьформу огибающей фемтосекундных лазерных импульсов, соответственно,магнитоплазмонные кристаллы могут использоваться как активные устройства в телекоммуникациях.Другим объектом повышенного интереса являются уединенные кремниевые наночастицы субдлинноволновых размеров, а также их массивы.
Осо-5бую роль играют упорядоченные массивы кремниевых наночастиц, так какони наиболее просты для внедрения в технологию комплиментарных структур металл-оксид-полупроводник (КМОП). В них возможно возбуждениерезонансов Ми и наблюдение так называемого оптического магнетизма —существования резонанса с ненулевым магнитным дипольным моментом наоптических частотах, что невозможно в обычных веществах, встречающихся в природе в естественном виде. Возбуждение Ми-резонансов приводитк усилению локального поля, а соответственно, и к усилению нелинейнооптических эффектов. Кроме того, в отличие от металлов, в наноструктурах на основе кремниевых наночастиц отсутствуют омические потери. Этопозволит использовать бо́льшие мощности лазерного излучения, и, соответственно, увеличить эффективность нелинейно-оптических процессов в таких наноструктурах.
Массивы кремниевых наночастиц являются перспективными материалами для полностью оптических переключателей за счетвозможности управления их оптическим откликом при помощи генерациисвободных носителей. Временно́й отклик наноструктур на основе кремниевых наночастиц с характерными размерами λ/n, где λ — длина волны света,n — показатель преломления, ранее не был изучен и является новой и актуальной задачей.Целями диссертационной работы являются экспериментальное определение временных характеристик оптического отклика плазмонных кристаллов, обнаружение временной зависимости плазмон-индуцированного магнитооптического эффекта Керра в магнитоплазмонных решетках, а такженаблюдение явления нелинейно-оптического самовоздействия и полностьюоптического переключения фемтосекундных импульсов в кремниевых наноструктурах с резонансами Ми.Научная новизна работы состоит в следующем:1.
В спектрах отражения субдлинноволновых решеток из серебра обнаружены резонансные особенности с контуром резонанса типа Фано, соответствующие возбуждению поверхностных плазмон-поляритонов. Показано,что при длительности фемтосекундных импульсов, сопоставимой с временем релаксации поверхностных плазмон-поляритонов (порядка 30–100 фс),возникает зависимость формы огибающей отраженного фемтосекундного6импульса от длины волны лазерного излучения, описываемая параметрамирезонанса типа Фано и используемого лазерного импульса.2. Экспериментально продемонстрирована фемтосекундная эволюциямагнитооптического эффекта Керра в магнитоплазмонных наноструктурах на основе железа, связанная с возбуждением поверхностных плазмонполяритонов. Показано, что временная производная МОЭК зависит от спектрального положения центральной длины волны падающего лазерного импульса относительно резонанса поверхностных плазмон-поляритонов.3.
Показано, что возбуждение резонансов Ми в массиве нанодисков изгидрогенизированного аморфного кремния приводит к усилению эффектовнелинейно-оптического самовоздействия. Имеет место восьмидесятикратноеувеличение глубины модуляции коэффициента пропускания образцов посравнению с пленкой из аморфного кремния, вызванное возбуждением магнитного дипольного резонанса в нанодисках. Получено, что коэффициентдвухфотонного поглощения в образцах массивов нанодисков на два порядка величины превышает такое значение для неструктурированной пленкигидрогенизированного аморфного кремния.4.
Обнаружен субпикосекундный нелинейно-оптический отклик наноструктур в виде массива нанодисков из гидрогенизированного аморфногокремния. Экспериментально показано изменение коэффициента пропускания с глубиной модуляции ∆T /T ≃ 1% менее чем за 100 фс для фемтосекундных лазерных импульсов, прошедших через массив субдлинноволновыхдисков из аморфного кремния, усиленное магнитным дипольным резонансом. Выбором параметров спектра фемтосекундного импульса относительноспектра резонансов Ми можно обеспечить уменьшение влияния вклада свободных носителей во временной оптический отклик таких наноструктур.Практическая значимость работы заключается в разработке новыхметодов управления фемтосекундными лазерными импульсами при помощиплазмонных и магнитоплазмонных кристаллов, а также в перспективе создания субволновых КМОП-совместимых полностью оптических переключателей с субпикосекундным откликом.На защиту выносятся следующие основные положения:1.
Характеристики
Тип файла PDF
PDF-формат наиболее широко используется для просмотра любого типа файлов на любом устройстве. В него можно сохранить документ, таблицы, презентацию, текст, чертежи, вычисления, графики и всё остальное, что можно показать на экране любого устройства. Именно его лучше всего использовать для печати.
Например, если Вам нужно распечатать чертёж из автокада, Вы сохраните чертёж на флешку, но будет ли автокад в пункте печати? А если будет, то нужная версия с нужными библиотеками? Именно для этого и нужен формат PDF - в нём точно будет показано верно вне зависимости от того, в какой программе создали PDF-файл и есть ли нужная программа для его просмотра.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
