Диссертация (1105407), страница 16
Текст из файла (страница 16)
Обе части имели одномерный профиль с периодом 750 ± 10 нм. Использовалась часть без металла — на этуполимерную матрицу впоследствии был напылен слой железа толщиной 100 нмметодом магнетронного распыления (напыление было проведено Родионовой В. В.в Балтийском федеральном университете имени Иммануила Канта), а также слойдиоксида кремния толщиной 20 нм для предотвращения окисления поверхности.Следовательно, полученный образец представлял собой магнитоплазмонный кристалл с периодом 750 ± 10 нм. Поверхностью образца являлся круг с диаметром1 см. Для сравнения был изготовлен образец тонкой железной пленки толщиной100 нм, напыленной на покровное стекло, сверху пассивированный 10 нм слоемдиоксида кремния SiO2 .
На рисунке 52 приведено изображение и профиль образца, полученное при помощи атомно-силового микроскопа А. А. Ежовым. Подтверждено, что период структуры равен 750 ± 10 нм, а также высота особенностейсоставляет 100 нм.2. Линейная спектроскопия коэффициента отражения образцов магнитоплазмонных кристалловДля спектроскопии коэффициента отражения использовалась установка, аналогичная представленной в главе 2.Спектры коэффициента отражения для образца на основе тонкой пленки железа представлены на рисунке 53(а) для углов падения оптического излученияна образец от −7◦ до 7.5◦ с шагом 0.5◦ в диапазоне длин волн от 600 до 900 нм.На спектрах коэффициента отражения видны два резонанса, положение которыхВременная зависимость экваториального МОЭК...93Рис. 52: (а) Изображение образца магнитоплазмонного кристалла, полученное припомощи атомно-силового микроскопа.
(б) Профиль поверхности образца.зависит от угла падения света на образец и определяется условием фазового синхронизма ПП. Резонансы соответствуют возбуждению поверхностных плазмонполяритонов на границе железо-воздух при помощи n = ±1 порядков дифракции.На рисунке 53(б) представлен график спектра коэффициента отражения для одного угла падения θ ≈ 5◦ .
В данном случае резонансы имеют спектральную формулинии, схожую с лоренцевым контуром, который для резонаса типа Фано (формула (8)) является частным случаем при C = 0, когда в спектре отражения наблюдается только пик. В работе будет рассмотрен резонанс, который находитсяв длинноволновой области, так как его положение совпадает с диапазоном перестройки титан-сапфирового лазера.Временная зависимость экваториального МОЭК...94Рис. 53: (а) Зависимость коэффициента отражения образца магнитоплазмонногокристалла от угла падения и длины волны p-поляризованного излучения. Прямоугольником обозначен диапазон перестройки используемого титан-сапфировоголазера и используемый угол падения оптического излучения на образец θ ≈ 5◦ .(б) Спектр коэффициента отражения p-поляризованного излучения при угле падения θ ≈ 5◦ .3.
Спектроскопия экваториального магнитооптического эффекта Керра (МОЭК)Для образцов магнитоплазмонных кристаллов были произведены измерения экваториального магнитооптического эффекта Керра. Эффект для данной геометриисостоит в относительном изменении интенсивности p−поляризованного излученияпри отражении от намагниченной среды. Эффект Керра выражается безразмер-Временная зависимость экваториального МОЭК...95ной величиной:δ=∆I,I0(40)где ∆I — изменение интенсивности света при приложении к образцу магнитногополя, а I0 — интенсивность света, отраженного от ненамагниченного образца.3.1. Экспериментальная установкаДля измерения спектра магнитооптического экваториального эффекта Керра использовался динамический метод.
Образец находился в переменном магнитномполе, и изменение интенсивности при намагничивании образца регистрировалосьметодом синхронного детектирования. Принципиальная схема установки показана на рисунке 54. Излучение от лампы накаливания СИ-300У (Л) проходилоРис. 54: Экспериментальная установка для измерения экваториального магнитооптического эффекта Керра.
Л — лампа накаливания, ДМР-4 — двойной монохроматор, Д — диафрагма, ПГ — призма Глана, СД — светоделитель, Д — детектор.через двойной монохроматор, который позволял изменять длину волны оптического излучения в видимом и ближнем ИК-диапазонах. После монохроматорасвет поляризовался призмой Глана с воздушным промежутком. Далее p−поляризованный свет проходил через светоделительную пластину и падал на образецпод углом θ. Образец находился между двумя катушками магнита.
Величина поля в точке нахождения образца была равна 1 кГс. Отраженный от образца светпадал обратно на светоделитель и с помощью линзы фокусировался на торец оп-Временная зависимость экваториального МОЭК...96тического волокна. Для избавления от шумов волокно имело длину порядка двухметров, и детектор находился максимально далеко от оптической схемы и максимально близко к синхронному детектору. Это было необходимо для уменьшениядлины провода, который соединял детектор и синхронный детектор, что позволило избавиться от наводок от магнитного поля. В эксперименте регистрировалисьизменения в коэффициенте отражения из-за наличия намагниченности образца.Коэффициент экваториального магнитооптического эффекта Керра выражалсякак:δ(M ) =R(M ) − R(−M ),R(0)(41)где R(M ) — это коэффициент отражения образца как функция вектора намагниченности, который лежит в плоскости образца перпендикулярно плоскости падения.3.2.
Результаты спектроскопии экваториального МОЭКРассмотрим спектр экваториального МОЭК для образца (рис. 55) для двух угловпадения оптического излучения на образец: θ ≈ 6◦ и θ ≈ 5◦ . В спектре эква-ториального МОЭК наблюдаются резонансные особенности, положение которыхкоррелирует с положением резонансов поверхностных плазмон-поляритонов. Приуменьшении угла падения наблюдается сближение этих резонансных особенностей. Под действием приложенного магнитного поля происходит намагничиваниежелеза и изменяется тензор диэлектрической проницаемости.
От значения диэлектрической проницаемости железа зависит волновой вектор ПП. Получаем,что волновой вектор ПП зависит от намагниченности железа, которую можноохарактеризовать вектором гирации g(M ):1ωε[1 + αg(M )] ,(42)kSPP (M ) =c ε+1√где α = [ −ε(1 − ε−2 )]−1 . В спектре коэффициента отражение это проявляется как смещение длины волны, на которой возбуждаются ПП, и как изменениевремени жизни ПП, то есть сужение или расширение резонанса. В случае коротковолнового резонанса ПП возбуждаются n = +1 порядком дифракции оптическогоВременная зависимость экваториального МОЭК...97Рис. 55: Красная кривая — зависимость экваториального магнитооптического эффекта Керра от длины волны для образца на основе пленки из железа.
Чернаякривая — спектр коэффициента отражения оптического излучения от образцапод углом θ. Верхний график для угла падения оптического излучения на образец θ = 6◦ , нижний график — для θ = 5◦ .излучения, а в случае длинноволнового n = −1. Для данных порядков дифракцииплазмон-поляритоны распространяются по образцу в противоположных направлениях. Тогда, с учетом условия синхронизма ПП (5), приложение магнитногополя в одном случае смещает длину волны возбуждения ПП в коротковолновуюобласть, а в другом случае — в длиноволновую.
Соответственно, в данном спектральном диапазоне наблюдается изменение значения экваториального магнитооптического эффекта Керра, индуцированного чувствительным к приложенномумагнитному полю возбуждением поверхностных плазмон-поляритонов.Временная зависимость экваториального МОЭК...984. Спектроскопия временной зависимости экваториального МОЭК вмагнитоплазмонных кристаллах4.1. Установка для измерения спектроскопии временной зависимости экваториального МОЭКПересмотрим определение магнитооптического эффекта Керра.
В случае использования импульсного источника излучения представляется возможным измерениеδ в зависимости от времени в импульсе, то есть регистрирация временной зависимости экваториального МОЭК:δ(M, t) =I(M, t) − I(−M, t),I(0, t)(43)где I(M, t) — это значение огибающей лазерного импульса, отраженного от образца в момент времени t при приложенном магнитном поле. Экспериментальнаяустановка для измерения временной зависимости экваториального магнитооптического эффекта Керра на основе измерения кросс-корреляционных функций начастоте приложенного поля представлена на рисунке 56. Схема установки по измерению кросс-корреляционных функций интенсивности лазерных импульсов аналогична представленной в главе 2.
Источником излучения был титан-сапфировыйлазер c перестраиваемой длиной волны от 770 до 830 нм и длительностью импульсов от 35 до 100 фс, частотой повторений 80 МГц. В лазере предусмотрен режимработы с непрерывным оптическим излучением со спектральной шириной 1–2 нм.Так как импульсы с короткой длительностью чувствительны к наличию диспергирующих элементов в экспериментальной установке, то после лазера былустановлен прекомпрессор. На светоделителе лазерный луч разводился по двумканалам.
В канале сравнения в импульс вносилась задержка τ . В сигнальномканале импульс сначала проходил через поляризатор и потом, будучи p−поляризованным, падал на образец. За счет того, что площадь поверхности образцасоставляла около 1 см2 , излучение на образец не фокусировалось. Образец могнаходиться канавками перпендикулярно плоскости падения для возбуждения вобразце поверхностных плазмон-поляритонов или параллельно для отсутствияВременная зависимость экваториального МОЭК...99Рис. 56: Схема экспериментальной установки для изучения временной зависимости экваториального магнитооптического эффекта Керра.
О — оптический прерыватель с частотой вращения fC ; СД — светоделительная пластина 50:50; ЛЗ— линия задержки; θ — угол падения излучения на образец; П— пленочный поляризатор, или призма Глана; BBO — одноосный кристалл бета-борат бария с⃗ — приложенное переменноеквадратичной нелинейностью; ФД — фотодиод; Hмагнитное поле с частотой fM .возбуждения. Образец находился в переменном магнитном поле, направление которого совпадало с плоскостью образца и было перпендикулярно плоскости падения оптического излучения, то есть в геометрии экваториального МОЭК.
Магнитное поле генерировалось парой электромагнитов. Амплитуда поля между катушками магнита в точке нахождения образца была равна 300 Гс, что существенно превышает режим насыщения тонкой железной пленки. Частота поля равнаfM ≈ 117 Гц, то есть поле переключалось каждые 8.5 · 10−3 c. Частота повторениялазера 80 МГц — импульсы повторялись через 10−8 с.
Соответственно, на каждоепереключение поля приходилось 106 импульсов. Детектор регистрировал сигналв течение 3 c. Излучение обоих каналов фокусировалось при помощи параболического зеркала на поверхности нелинейного кристалла BBO, где по биссектрисемежду лучами генерировалось излучение суммарной частоты. Этот сигнал детек-Временная зависимость экваториального МОЭК...100тировался фотодиодом. Напряжение с фотодиода подавалось на два синхронныхдетектора. Один из них регистрировал значение интенсивности на частоте оптического прерывателя, то есть обычную кросс-корреляционную функцию.∞Ispp (0, t)Igate (t − τ )dt,ICF,fC (0, τ ) ∝(44)−∞как в главе 2.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
