Диссертация (1105407), страница 12
Текст из файла (страница 12)
Если в схеме используется импульс длительностью в несколько сотенфемтосекунд, то обычно он превышает время релаксации плазмон-поляритонов.Если же в схеме используются сверхкороткие импульсы, то их спектральная ширина обычно целиком покрывает весь резонанс, или даже всю запрещенную зону,что не позволяет изучать временные характеристики в зависимости от длиныволны. Ни в одной из известных автору работ не исследовалась спектральнаязависимость изменения огибающей лазерных импульсов для изучения динамикиПреобразование формы фемтосекундных импульсов...65поверхностных плазмон-поляритонов. Для такого исследования представляетсявозможным использование схемы, в которой лазерный импульс имеет спектральную ширину в 5–10 нм, а, следовательно, и длительность импульса 100–200 фс.Модификация лазерного импульса будет сильно зависеть от соотношения междупараметрами самого импульса и параметрами резонанса ПП.1. Образцы плазмонных кристалловИсследуемыми образцами плазмонных кристаллов являлись одномерные решетки, полученные из коммерчески-доступных DVD-дисков.
DVD-диск — это многослойная система, которая имеет в основе две полимерные подложки из поликарбоната, а также нескольких дополнительных связующих слоев, между которыми находится слой серебряной, алюминиевой или золотой пленки толщиной50–100 нм. В работах [13, 162, 163] показана возможность использования CD иDVD-дисков для возбуждения поверхностных плазмон-поляритонов. В качествеобразцов использовались DVD+R диски фирмы L-Pro.
Для возбуждения поверхностных плазмон-поляритонов на границе раздела сред металл-воздух один изслоев поликарбоната был снят механическим путем. Анализ состава поверхностиобразца методом просвечивающей электронной микроскопии показал, что верхняя пленка образца — это серебро. Методом электронной микроскопии и атомнонмнмнм Полимерная подложкаРис. 36: Изображение образца плазмонного кристалла на основе DVD-диска, полученное при помощи растрового электронного микроскопа и схематическое изображение поверхности образца.силовой микроскопии (АСМ) были получены профиль и изображение поверхностиПреобразование формы фемтосекундных импульсов...66образца (рис.
36, рис. 37), и подтверждено, что период одномерной решетки наповерхности DVD-диска равен 750 ± 10 нм. При помощи АСМ было установлено,что модуляция поверхности равна 60 ± 5 нм (рис. 37(б)). Данное изображениеимеет синусоидальный профиль, что согласуется с аналогичными измерениями,представленными в литературе ранее [163]. Однако, в данном изображении возможно наличие ошибки, так как используемый зонд атомно-силового микроскопане способен точно п острые углы.Рис. 37: (а) Изображение образца плазмонного кристалла на основе DVD-диска,полученное при помощи атомно-силового микроскопа.
(б) Профиль поверхностиобразца, полученный вдоль белой линии на рис. (а).Преобразование формы фемтосекундных импульсов...672. Линейная спектроскопия коэффициента отражения образцов плазмонных кристаллов2.1. Установка спектроскопии коэффициента отраженияДля спектроскопии коэффициента отражения была собрана оптическая установкав двух модификациях, которая позволяла измерять угловую зависимость спектраотражения в видимом диапазоне оптического излучения (рис. 38). В качестве источника света использовалась галогеновая лампа накаливания с потребляемоймощностью 100 Вт. Необходимая поляризация света формировалась с помощьюпризмы Глана.(а)спектрометрЛИС Д ЛПГЛО(б)СДИС Д ЛОПГ ЛПЛспектрометрРис.
38: Схема установки для измерения коэффициента отражения. ИС — источник белого света; Д — диафрагма; Л — собирающая линза; ЛП — собирающаялинза на подвижной платформе, ПГ — призма Глана; θ — угол падения излучения на образец; ϕ — азимутальный угол вращения образца. (a) Экспериментальная установка для углов падения света на образец от 16◦ до 70◦ ; (б) для угловпадения излучения близких к нормальному.Преобразование формы фемтосекундных импульсов...68Собранная на базе гониометра установка (рис. 38(а)) позволяла измерять оптические спектры для углов падения в диапазоне от 16◦ до 70◦ . Излучение фокусировалось на поверхность образца под необходимым углом падения.
Отраженный отобразца нулевой порядок дифракции фокусировался на торец оптического волокна. Излучение по оптоволокну передавалось на входную щель решеточного спектрометра Solar S100 или Ocean Optics USB4000, оснащенных кремниевой ПЗСлинейкой и регистрирующих спектры излучения в диапазоне от 400 до 1000 нм.Для измерения спектров в диапазоне углов падения света близких к нормали,использовалась установка, показанная на рисунке 38(б). Изменение угла паденияоптического излучения на образец осуществлялось за счет перемещения линзыперед образцом перпендикулярно направлению излучения. Между линзой и образцом находился светоделитель, который отводил отраженное от образца излучение на торец оптического волокна.
При необходимости собирающая линза и торецволокна перемещались в зависимости от угла падения оптического излучения наобразец.2.2. Результаты линейной спектроскопии коэффициента отражения образцовплазмонных кристалловС использованием установки на базе гониометра были измерены спектры коэффициентов отражения, R(λ, θ), для углов падения излучения на образец от θ = 16◦ доθ = 70◦ с шагом в 1◦ в диапазоне от 400 до 800 нм в случае, когда плоскость падения была перпендикулярна канавкам на образце, то есть для азимутального углаφ = 0◦ .
Частотно-угловые спектры коэффициента отражения для p-поляризациипадающего излучения представлены на рисунке 39(а). Коэффициент отраженияизображен градациями серого. Резонансные контуры спектральных линий соответствуют возбуждению ПП на границе раздела воздух-металл; их спектральныеположения в зависимости от угла падения описываются дисперсией сред при помощи уравнения (5) для n = +1, n = −2 и n = −3. На рисунке 39(а) показанотеоретически рассчитанное по формуле (6) положение резонансов поверхностныхПреобразование формы фемтосекундных импульсов...69плазмон-поляритонов:a0λ=±n$!%′ε1 (ω)ε2 (ω)∓ sin θ ,′ε1 (ω) + ε2 (ω)(31)где a0 = 750 нм, ε1 (λ) — значение диэлектрической проницаемости серебра, ε2— значение диэлектрической проницаемости воздуха, принятое равной единице.Совпадение экспериментально полученного положения резонансов с рассчитанным по формуле подтверждает плазмонную природу резонансных особенностей вспектрах отражения.Также были проведены аналогичные измерения в случае s-поляризации падающего излучения.
На графике рис. 39(б) показан характерный гладкий спектр коэффициента отражения R. Отсутствие ярко выраженных резонансов в спектре отражения для s-поляризации служит еще одним доказательством того, что наблюдаемые резонансы в спектре отражения p-поляризованного излучения обусловлены возбуждением поверхностных плазмон-поляритонов на границе серебро-воздух.При помощи оптической установки для измерения спектров коэффициентаотражения близких к нормали (рис. 38(б)), были проведены измерения диапазона углов падения оптического излучения θ от −4◦ до 4◦ для длин волн от 425до 850 нм в случае, когда плоскость падения была перпендикулярна канавкамна образце, а свет был p−поляризован.
Спектр коэффициента отражения, представленный на рис. 40(а),(б), содержит по два резонанса поверхностных плазмонполяритонов для каждого угла падения. Расстояние между ними является минимальным при нормальном падении, а при увеличении угла падения оно увеличивается. При использовании уравнения 6 для n = ±1 резонансы должны пересекаться при θ = 0◦ в окрестности длины волны λ ≈ 750 нм.
Так как на графикахспектров коэффициента отражения этого не наблюдается, то можно предположить о существовании запрещенной зоны поверхностных плазмон-поляритонов.Неочевидность пересечения резонансов может быть связана с тем, что спектр коэффициента отражения — это суперпозиция двух резонансов с контуром линииФано. Би-резонансный контур спектра не позволяет точно определить как наличие, так и ширину плазмонной запрещенной зоны: резонансные частоты ПП ωR1,2Преобразование формы фемтосекундных импульсов...30град4050607030град40506070(4002070500550(о .600650)Длина волны нм45070075080040020450550(о .600650)Длина волны нм500700750(в(800(о .)p-поs-п¢2(¬®«¥²a)«¢«¨·±¥±¬ª®®©±°¼²¥¸ª¥½®²ª´¨´¶®(²¥³²£)«®¯¦²¤¥¿¥¨¿¨®¤¡«°¨§-»»Рис.
39: (а) Зависимость коэффициента отражения от угла падения и длины волны p-поляризованного излучения; n указывает на порядок дифракции, которыйвозбуждает ПП. (б) Зависимость коэффициента отражения от угла падения и длины волны s-поляризованного излучения. (в) Cпектры коэффициентов отраженияp-поляризованного (сплошная кривая) и s-поляризованного (штриховая кривая)излучения при угле падения 67◦ .Преобразование формы фемтосекундных импульсов...71находятся между максимумами и минимумом спектра отражения. Угол паденияθ = 1◦ будет использован для дальнейших экспериментов (рис. 40(б)).Рис.
40: Зависимость коэффициента отражения от угла падения и длины волны pполяризованного излучения для углов падения от −4◦ до 4◦ . (б) Красным обведенугол падения света θ = 1◦ .Второй случай, который будет рассмотрен в работе — это угол падения θ = 67◦о котором говорилось выше. На рисунке 39(в) представлен полученный спектр коэффициента отражения p- и s-поляризованного падающего излучения. Для p-поляризации в данном спектральном диапазоне наблюдается два резонанса.
Оба резонанса имеют характерный контур резонанса типа Фано. Его форма обусловленаналичием интерференции между напрямую отраженным светом и переизлученным бегущим плазмон-поляритоном, возбужденным на границе раздела металлвоздух. Рассмотрим подробнее резонанс в окрестности 725 нм. После аппроксимации экспериментального спектра формулой (8) (рис. 41) были получены следующие значения параметров: Γrad = 6.5 ± 1 нм, λR = 723 ± 1.0 нм, q = 0.97.Время затухания поверхностного плазмона можно рассчитать из значения шири1ны резонанса по формуле: τ = , которое получается равным около τ ≃ 40 фс.ΓПреобразование формы фемтосекундных импульсов...72Рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
