Диссертация (1105407), страница 3
Текст из файла (страница 3)
Резонансное возбуждение поверхностных плазмон-поляритонов в плазмонных кристаллах на основе серебряных наноструктурированных пленок приводитк временной модификации отраженных фемтосекундных лазерных импульсов.Вид зависимости определяется параметрами резонанса типа Фано и параметрамииспользуемого лазерного импульса.2. Фемтосекундная временная зависимость экваториального магнитооптического эффекта Керра в одномерных магнитоплазмонных кристаллах на основежелеза обусловлена возбуждением поверхностных плазмон-поляритонов. Характер временной зависимости экваториального магнитооптического эффекта Керра определяется спектральным положением центральной длины волны лазерногоимпульса относительно резонансных особенностей в оптическом отклике магнитоплазмонных решеток.3.
Возбуждение резонансов Ми в массиве нанодисков гидрогенизированногоаморфного кремния приводит к усилению эффекта нелинейно-оптического самовоздействия. Имеет место восьмидесятикратное увеличение глубины модуляциикоэффициента пропускания образцов по сравнению с пленкой гидрогенизированного аморфного кремния, обусловленное локальным усилением поля накачки изза возбуждения магнитно-дипольного резонанса в нанодисках. Значение коэффициента нелинейного поглощения в образцах нанодисков существенно превышаетзначение для гидрогенизированного аморфного кремния.4. Существует фотоиндуцированное оптическое переключение коэффициентапропускания с длительностью менее 100 фс и с глубиной модуляции ∆T /T ≃ 1%,усиленное локализованными магнитно-дипольными резонансами Ми в нанострук-турах в виде массива субдлинноволновых дисков из гидрогенизированного аморфного кремния.
Выбором параметров спектра фемтосекундного импульса относительно спектра резонансов Ми можно обеспечить уменьшение влияния вкладасвободных носителей во временной оптический отклик таких наноструктур.Введение11Личный вклад автора является определяющим: все результаты работы получены либо лично автором, либо при его непосредственном участии.Апробация работы проводилась на основных профильных российских имеждународных конференциях последних лет, в том числе:• Международная конференция “Days on Diffraction”, Санкт-Петербург, Россия, май 2014.• Международная конференция “Frontiers in Optics (FIO)”, Флорида, Соединенные штаты Америки, октябрь 2013.• Международная конференция “The International Conference on Coherent andNonlinear Optics/The Lasers, Applications, and Technologies (ICONO/LAT)2013”, Москва, Россия, май 2013.• Международная конференция “12th Joint MMM/Intermag Conference”, Чикаго, США, январь 2013.• Международная конференция “5th International Conference on Materials Scienceand Condensed Matter Physics”, Кишинев, Молдавия, сентябрь 2010.• Международная конференция “The International Conference on Coherent andNonlinear Optics/The Lasers, Applications, and Technologies (ICONO/LAT)2010”, Казань, Россия, май 2010.• Всероссийская конференция “Оптика-2009”, Санкт-Петербург, Россия, сентябрь 2009.Основные результаты диссертации опубликованы в печатных работах, список которых приводится в конце автореферата, в том числе в 5 публикациях вжурналах “Письма в ЖЭТФ” [19, 20], “Journal of Applied Physics” [21], “PhysicalReview B” [22] и “Nano Letters” [23].Глава IОбзор литературы1.
Поверхностные плазмон-поляритоны на границе раздела металл-диэлектрикПадающая из диэлектрической среды на поверхность металла электромагнитная волна при выполнении определенных условий способна возбудить колебанияплазмы электронов в металле. Такого рода коллективные колебания являютсялокализованными в приповерхностной области и носят название поверхностныхплазмон-поляритонов (далее ПП).
Из уравнений Максвелла путем подстановкирешения в виде ТМ-поляризованной локализованной волны (ось Oz перпендикулярна границе раздела и направлена в сторону диэлектрика, ось Ox лежит награнице раздела):H = [0, Hy , 0], Hy = He±δ1,2z ei(ωt−ksp x) ,(1)где ksp – волновой вектор поверхностных плазмон-поляритонов, а δ1 и δ2 — коэффициенты затухания металла и диэлектрика, соответственно, можно получитьзакон дисперсии поверхностных плазмон-поляритонов [1]:!ε1 (ω)ε2 (ω)ω,ksp (ω) =c ε1 (ω) + ε2 (ω)(2)где ε1 — диэлектрическая проницаемость металла и ε2 — диэлектрическая проницаемость диэлектрика, c — скорость света в вакууме, ω — частота падающего излучения. Поверхностные электромагнитные волны могут существовать только награнице раздела двух сред с диэлектрическими проницаемостями разных знаков,например ε1 < 0, ε2 > 0.
При этом, чтобы у ksp (ω) существовала действительнаячасть, должно выполняться неравенство |ε1 | > ε2 . Если учесть, что диэлектриче′′′ская проницаемость металла имеет вид ε1 = ε1 +iε1 , а ε2 является действительной,то можно получить закон дисперсии поверхностных плазмон-поляритонов в виде:#1/2#3/2 ′′" ′" ′ωωε1 (ω)ε1 (ω)ε2 (ω)ε1 (ω)ε2 (ω)′′′+i. (3)ksp (ω) = ksp + iksp (ω) =′′′c ε1 (ω) + ε2 (ω)c ε1 (ω) + ε2 (ω)2(ε1 )2Обзор литературы13Длина свободного пробега поверхностных плазмон-поляритонов на гладкой металлической поверхности благородного металла определяется выражением:12cL = ′′ =2kspω"′ε1 (ω) + ε2 (ω)′ε1 (ω)ε2 (ω)#3/2′2(ε1 )2.′′ε1 (ω)(4)На рис.
1 представлен график закона дисперсии поверхностных плазмон-поляритонов. Прямая закона дисперсии электромагнитной волны в вакууме ck (голубая штриховая прямая) не пересекает дисперсионную кривую поверхностныхплазмон-поляритонов (красная кривая), что говорит о необходимости созданияспециальных условий их возбуждения: условий фазового синхронизма.Рис. 1: Голубой штриховой линией обозначен закон дисперсии света в вакууме,красной — закон дисперсии поверхностных плазмон-поляритонов, распространяющихся вдоль границы раздела металл-вакуум.
Здесь ω — частота падающегосвета, kinc — волновой вектор падающего излучения, ksp — волновой вектор ПП,G — недостающий волновой вектор для возбуждения поверхностных плазмон-поляритонов [24].Существует несколько способов возбуждения поверхностных плазмон-поляритонов, и одним из них является метод возбуждения ПП на поверхности металла спериодически структурированным рельефом. При падении света под углом θ нарешетку, возможна ситуация совпадения волновых чисел дифрагированного света и ПП: дифрагированная волна оказывается направленной вдоль поверхности(рис.
2). Вектор обратной решетки G связан с волновым вектором ПП ksp и векторной проекцией kinc волнового вектора падающего на поверхность излученияОбзор литературы14-1θ+1+2 – ППРис. 2: Периодически структурированная поверхность металлической пленки.Черная сплошная прямая — направление падающего и отраженного излучения,θ — угол падения, зеленые прямые — направления излучения порядков дифракции, штриховая зеленая линия — направление распространения поверхностныхплазмон-поляритонов, при возбуждении n = +2 порядком дифракции.k0 равенствомksp = kinc + nG,n ∈ Z,kinc = k0 sin θ.(5)Последнее условие фазового синхронизма и выражение (3) позволяют получитьдлину волны возбуждения поверхностных плазмон-поляритонов на периодической структурированной поверхности или закон дисперии ПП:%$! ′ε1 (ω)ε2 (ω)a0∓ sin θ ,λ=′±nε1 (ω) + ε2 (ω)(6)2π— период решетки.
В силу трансляционной симметрии закон дисGперсии ПП модифицируется так, что он повторяется при смещении волновогогде a0 =вектора на величину вектора обратной решетки G (рис. 3). Отметим, что для возбуждения поверхностных плазмон-поляритонов, решетка должна иметь период,сопоставимый с длиной волны падающего света. По аналогии с любыми другимипериодическими структурами, в законе дисперсии ПП в области пересечения кривых, соответствующих различным порядкам n, возможно возникновение плазмонной запрещенной зоны из-за взаимодействия между двумя модами поверхностныхплазмон-поляритонов [4, 5, 8].Обзор литературы15ω–2πa0–πa0πa02πa03π 4πa0 a0kSPРис.
3: Вид закона дисперсии поверхностных плазмон-поляритонов на периодически структурированной поверхности металла (красная толстая кривая). Чернаяпрямая отображает закон дисперсии света в вакууме, Штриховая тонкая краснаякривая соответствует закону дисперсии поверхностных плазмон-поляритонов нагладкой поверхности металла [24].1.1. Плазмонные кристаллыОдной из особенностей закона дисперсии ПП (уравнение (6)) является наличиезапрещенной зоны (далее ЗЗ).
Как видно из рис. 3, существует область частот, вкоторой поверхностные плазмон-поляритоны распространяться не могут. Экспериментальные подтверждения наличия запрещенной зоны в законе дисперсии поверхностных плазмон поляритонов встречаются в литературе с 1968 года [25–27].Такие структуры получили название плазмонных кристаллов или плазмонныхфотонных кристаллов [2]. По аналогии с фотонными кристаллами, такое расщепление закона дисперсии может наблюдаться в структурах с пространственной модуляцией показателя преломления, например металлических полосках, нанесенных на диэлектрическую подложку.
При падении света на структуру при определенных условиях возникают стоячие волны, которые приводят к возникновениюв законе дисперсии запрещенной зоны. Так как между резонансами возникаетперераспределение энергии, в некоторых случаях возможно задетектировать усиление радиационных потерь одной моды, светлой, и их подавление у другой моды,темной.В работе [3] приведены экспериментальные измерения распределения ближне-Обзор литературы16го поля у периодичекой наноструктуры в виде золотых полос на диэлектрическойподложке (рис. 4). Показано, что для светлой моды максимум интенсивности раcпределения поля на поверхности образца приходится на края полосок, то есть наобласти рассеяния решетки, поэтому происходит увеличение радиационных потерь Γrad .
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
