Диссертация (1105407), страница 2
Текст из файла (страница 2)
. . . . . . 1414.3.1. Обсуждение экспериментальных результатов . . . . . . . . . . . 144Заключение148Список литературы151Введение6ВведениеДиссертационная работа посвящена экспериментальному исследованию фемтосекундной динамики оптических и магнитооптических эффектов в плазмонных кристаллах, а также наблюдению нелинейно-оптических эффектов в кремниевых наноструктурах с резонансами Ми. Особое внимание уделено изучению влияния возбуждения поверхностных плазмон-поляритонов (ПП) на фемтосекундые импульсы, отраженные от металлических наноструктур и плазмон-индуцированной эволюции магнитооптического эффекта Керра. Рассмотрены нелинейно-оптическиеэффекты в массивах кремниевых нанодисков, а также роль фотоиндуцированныхпроцессов в аморфном кремнии на оптической отклик таких наноструктур.Актуальность обусловлена проблемой управления оптическим излучениемна микро- и наномасштабах.
Тенденция к миниатюризации фотонных устройств иразвитие оптической связи в телекоммуникациях приводят к необходимости проведения фундаментальных исследований в области управления электромагнитным излучением с помощью наноструктурированных сред. Этому способствуетразвитие литографических методик, с помощью которых стало возможно создание наноструктурированных материалов с характерными размерами особенностейпорядка десятков и сотен нанометров.
Такое наноструктурирование приводит кпоявлению качественно новых оптических свойств по сравнению с исходным материалом. Например, в металлических периодических субдлинноволновых решеткахвозможно возбуждение поверхностных плазмон-поляритонов — связанных колебаний электромагнитного излучения и плазмы свободных электронов металла [1].По аналогии с фотонными кристаллами, плазмонные решетки часто называютплазмонными кристаллами — за счет возникновения периодичности в законе дисперсии ПП и возможного возникновения запрещенных зон для поверхностныхплазмон-поляритонов [2–5].Характерное время жизни ПП в оптическом диапазоне излучения порядканескольких десятков-сотен фемтосекунд [6–9], поэтому представляет особый интерес изучение временных характеристик таких квазичастиц при помощи фемто-Введение7секундных лазерных импульсов.
Временной профиль отраженного и прошедшегочерез структуру импульса изменяется в зависимости от положения на дисперсионной кривой ПП [9]. Модификация импульса зависит от соотношения между параметрами самого импульса и параметрами резонанса ПП. До настоящего временине были проведены спектральные измерения преобразования огибающей фемтосекундных импульсов при их взаимодействии с плазмонными наноструктурами.При этом необходимость заданного формирования огибающей фемтосекундныхимпульсов возникает как в прикладных исследованиях, так и в фундаментальнойнауке, например, в исследованиях взаимодействия света и вещества, в нелинейнойоптике, в когерентном контроле квантовых состояний, в полностью оптическомпереключении, 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 вмагнитных металлах, таких как никель, кобальт и железо. Последние обладаютферромагнитным упорядочением, что приводит к зависимости их диэлектрической проницаемости от магнитного поля, а следовательно, к возможности наблюдения в них магнитооптических эффектов [10,11].
Внешнее магнитное поле можетбыть использовано для управления оптическим откликом решеток из магнитныхметаллов, часто называемых магнитоплазмонными кристаллами [12–14]. В магнитоплазмонных кристаллах из железа или никеля можно наблюдать усилениемагнитооптического эффекта Керра (МОЭК), индуцированное возбуждением поверхностных плазмон-поляритонов. Такое усиление до сих пор измерялось припомощи 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 на этих масштабах времен.
Приложение магнитного поля позволит изменять форму огибающейфемтосекундных лазерных импульсов, соответственно, магнитоплазмонные кристаллы могут использоваться как активные устройства в телекоммуникациях.Введение8Другим объектом повышенного интереса являются уединенные кремниевыенаночастицы субдлинноволновых размеров, а также их массивы. Особую роль играют упорядоченные массивы кремниевых наночастиц, так как они наиболее просты для внедрения в технологию комплиментарных структур металл-оксид-полупроводник (КМОП).
В них возможно возбуждение резонансов Ми и наблюдениетак называемого оптического магнетизма — существования резонанса с ненулевым магнитным дипольным моментом на оптических частотах [15], что невозможно в обычных веществах, встречающихся в природе в естественном виде. Возбуждение Ми-резонансов приводит к усилению локального поля, а соответственно, ик усилению нелинейно-оптических эффектов [16–18]. Кроме того, в отличие от металлов, в наноструктурах на основе кремниевых наночастиц отсутствуют омические потери.
Это позволит использовать бо́льшие мощности лазерного излучения,и, соответственно, увеличить эффективность нелинейно-оптических процессов втаких наноструктурах. Массивы кремниевых наночастиц являются перспективными материалами для полностью оптических переключателей за счет возможности управления их оптическим откликом при помощи генерации свободных носителей.
Временно́й отклик наноструктур на основе кремниевых наночастиц схарактерными 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 определениевременных характеристик оптического отклика плазмонных кристаллов, обнаружение временной зависимости плазмон-индуцированного магнитооптическогоэффекта Керра в магнитоплазмонных решетках, а также наблюдение явлениянелинейно-оптического самовоздействия и полностью оптического переключенияфемтосекундных импульсов в кремниевых наноструктурах с резонансами Ми.Научная новизна работы состоит в следующем:1. В спектрах отражения субдлинноволновых решеток из серебра обнаруженырезонансные особенности с контуром резонанса типа Фано, соответствующие возбуждению поверхностных плазмон-поляритонов. Показано, что при длительностифемтосекундных импульсов, сопоставимой с временем релаксации поверхностныхВведение9плазмон-поляритонов (порядка 30–100 фс), возникает зависимость формы огибающей отраженного фемтосекундного импульса от длины волны лазерного излучения, описываемая параметрами резонанса типа Фано и используемого лазерногоимпульса.2.
Экспериментально продемонстрирована фемтосекундная эволюция магнитооптического эффекта Керра в магнитоплазмонных наноструктурах на основежелеза, связанная с возбуждением поверхностных плазмон-поляритонов. Показано, что временная производная МОЭК зависит от спектрального положенияцентральной длины волны падающего лазерного импульса относительно резонанса поверхностных плазмон-поляритонов.3. Показано, что возбуждение резонансов Ми в массиве нанодисков из гидрогенизированного аморфного кремния приводит к усилению эффектов нелинейнооптического самовоздействия. Имеет место восьмидесятикратное увеличение глубины модуляции коэффициента пропускания образцов по сравнению с пленкой изаморфного кремния, вызванное возбуждением магнитного дипольного резонансав нанодисках. Получено, что коэффициент двухфотонного поглощения в образцах массивов нанодисков на два порядка величины превышает такое значение длянеструктурированной пленки гидрогенизированного аморфного кремния.4.
Обнаружен субпикосекундный нелинейно-оптический отклик наноструктурв виде массива нанодисков из гидрогенизированного аморфного кремния. Экспериментально показано изменение коэффициента пропускания с глубиной модуляции ∆T /T ≃ 1% менее чем за 100 фс для фемтосекундных лазерных импульсов, прошедших через массив субдлинноволновых дисков из аморфного кремния,усиленное магнитным дипольным резонансом. Выбором параметров спектра фемтосекундного импульса относительно спектра резонансов Ми можно обеспечитьуменьшение влияния вклада свободных носителей во временной оптический отклик таких наноструктур.Практическая значимость работы заключается в разработке новых методов управления фемтосекундными лазерными импульсами при помощи плазмонных и магнитоплазмонных кристаллов, а также в перспективе создания субвол-Введение10новых КМОП-совместимых полностью оптических переключателей с субпикосекундным откликом.На защиту выносятся следующие основные положения:1.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
