Автореферат (1105424), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Эффективность генерации второй и третьей оптических гармоник вструктурах фотонный кристалл-металлическая плёнка возрастает привозбуждении таммовских плазмон-поляритонов. Механизмы усилениясвязаны с локализацией электромагнитного поля накачки в нелинейных слоях структуры в случае совпадения частоты излучения накачкис резонансной частотой таммовского плазмон-поляритона и с увеличением плотности фотонных состояний на частоте резонанса таммовскогоплазмон-поляритона.4. В структуре фотонный кристалл-металлическая пленка возникают гибридные состояния таммовских и поверхностных плазмон-поляритонов. При возбуждении гибридного состояния наблюдается спектральный сдвиг поверхностно-плазмонной компоненты дисперсионной кривой гибридного состояния по сравнению с дисперсионной кривой поверхностного плазмона, зависящий от толщины металлической плёнки.Личный вклад автора является определяющим: все результаты работыполучены либо лично автором, либо при его непосредственном участии.Апробация работы проводилась на основных российских и международных конференциях, в том числе:• Международнаяконференция«TheInternationalConferenceonCoherent and Nonlinear Optics (ICONO/LAT) 2016», Минск, Белоруссия, сентябрь 2016.• Международная конференция «SPIE Photonics West 2016», Сан Франциско, США, февраль 2016.• Международная конференция «Дни дифракции», Санкт-Петербург,Россия, май 2015.• Международная конференция «SPIE Photonics Europe 2014», Брюссель, Бельгия, апрель 2014.8• Международная конференция «Дни дифракции», Санкт-Петербург,Россия, май 2014.• Международная конференция «Frontiers in Optics/Laser Science 2013»,Орландо, США, октябрь 2013.• Международнаяконференция«TheInternationalConferenceonCoherent and Nonlinear Optics (ICONO/LAT) 2013», Москва, Россия,июнь 2013.• X Всероссийский молодежный конкурс-конференция научных работ пооптике и лазерной физике, Самара, Россия, ноябрь 2012.Основные результаты диссертации опубликованы в 16 печатных работах,полный список которых приведён в конце автореферата, в том числе в 4публикациях в журналах «Applied Physics Letters», «Optics Letters» и «SPIEProceedings» [1–4].Содержание работыПервая глава содержит обзор литературы по оптическим свойствам таммовских плазмон-поляритонов и их гибридных состояний, по оптическимметодикам изучения сверхбыстрых процессов и по исследованию нелинейно-оптических эффектов в присутствии локализованных состояний электромагнитного поля.Во второй главе приведены характеристики экспериментальных образцовФК/металл, показаны результаты частотно-угловой спектроскопии коэффициентов отражения и пропускания, результаты измерения кросс-корреляционных функций фемтосекундных лазерных импульсов, отражённых отобразцов при условии возбуждения ТПП, а также результаты фемтосекундной спектроскопии коэффициента отражения образцов при возбужденииТПП.Исследуемые образцы представляют собой наборы диэлектрических слоёв с чередующимся показателем преломления (одномерные фотонные кристаллы), покрытые сверху полупрозрачными плёнками благородных метал-9лов.
Структура образцов приведена на рисунках 1(а)–(в). Использовалисьтри серии образцов, отличающихся спектральным положением фотоннойзапрещённой зоны ФК и, как следствие, резонансной частотой возбужденияТПП. Так, в образцах серии 1 ТПП возбуждается на длине волны 800 нмпри нормальном падении излучения, в образцах серии 2 — на длине волны820 нм, а в образцах серии 3 — на длине волны 1570 нм. Структура образца серии 3 была оптимизирована таким образом, чтобы при угле падения20◦ , длина волны возбуждения фундаментальной моды ТПП была равна вточности утроенной длине волны возбуждения ТПП третьего порядка, чтоне реализуется в образцах иной геометрии. На рисунке 1(г) показан спектркоэффициента пропускания образца серии 2 и соответствующего фотонногокристалла без металлической плёнки при нормальном падении излучения.В спектре ФК можно выделить фотонную запрещённую зону (ФЗЗ) на длинахволн 660–920 нм в которойпропускание составляет неболее 5%.
В спектре коэффициента пропускания образца внутри ФЗЗ наблюдается узкий резонанс надлине волны 820 нм, соотРис. 1: (а)–(в) Схемы образцов. (г) Спектр коэф- ветствующий возбуждениюфициента пропускания образца серии 2.ТПП. Сплошными кривымипоказаны результаты численного расчёта методом матриц распространения, которые в целом хорошосовпадают с экспериментальными данными. При увеличении угла паденияизлучения на образцы ФК/металл длина волны возбуждения ТПП смещается в коротковолновую область спектра. Кроме того, снимается вырождение резонансной длины волны ТПП по поляризации падающего излучения.Время жизни ТПП определялось методом измерения кросс-корреляционных функций лазерного импульса, отраженного от образца (импульс сигнала) и импульса сравнения (далее ККФ) в стандартной схеме, описан-10ной в работе [17]. В качестве источника излучения использовался титансапфировый лазер, генерирующий импульсы длительностью 50 фс с частотой повторения 80 МГц.
Регистрировалась интенсивность неколлинеарнойвторой оптической гармоники I2ω , генерированной в нелинейном кристалле импульсами сигнала и сравнения, в зависимости от времени задержкимежду ними τ , пропорциональная интенсивностной ККФ второго порядка:! +∞22I2ω (τ ) ∝Esig(t)Eref(t − τ )dt ,(1)−∞где Esig и Eref — электрические поля импульса сигнала и сравнения, соответственно. На вставке (а) рисунка 2 показан спектр p-поляризованногоимпульса, отражённого от образца серии 2 под углом 30◦ , в котором наблюдается резонанс на длине волны 790 нм, связанный с возбуждением ТПП.Точками на основном рисунке в логарифмическом масштабе по оси ординат показана измеренная ККФ, асплошной красной кривой показана аппроксимация гауссовой функцией, соответствующей автокорреляционной функции импульса, падающего на структуру.
Видно, чтопри отражении от образца возникает удлинение заднего фронта импульса. Форма заднего фронта хо-Рис. 2: Точки — ККФ p-поляризованнорошо аппроксимируется функцией го импульса, отражённого от образца севида y = exp(−t/τT ), где величина рии 2 при угле падения 30◦ . Красная криτT = 26 ± 1 фс соответствет вре- вая — аппроксимация гауссовой функцией,мени жизни ТПП.
Методом конеч- зелёная кривая — аппроксимация функциных разностей во временной обла-ей y = exp(−t/τ ). Вставка (а): спектр отражённого импульса. Вставка (б): численныйсти был проведён расчёт огибающих расчёт огибающей электрического поля паэлектрического поля импульсов сиг- дающего и отражённого импульсов.нала и сравнения и построена численная ККФ. Рассчитанные огибающие показаны на вставке (б) красной11кривой для импульса сравнения и синей кривой для импульса сигнала. Изменение формы отражённого импульса связано с перекачкой энергии в модуТПП и последующим высвечиванием из неё спустя время жизни ТПП.Подобныеизмеренияичисленныерасчётыбылипроведеныдля других углов падения излучения на образец и для различных поляризаций излучения. На рисунке 3 точками показана зависимость времени жизни ТПП от угла падения, измеренная экспериментально, а сплошными кривыми — рассчитанная численно.ПриувеличенииизлученияуглавремяпаденияжизниТПП,возбуждаемого p-поляризованнымизлучением, уменьшается, а время жизни ТПП, возбуждаемогоs-поляризованнымизлучением,увеличивается.
Данное поведениеопределяется различной добротностью ТПП для p и s поляризацийпри ненулевом угле падения излучения. В соответствии с закономРис. 3: Зависимость времени жизни ТПП, Френелявозбуждаемого p- и s-поляризованным излу-чением, от угла падения излучения. Вставка:коэффициентотраже-ния p-поляризованного излученияККФ p- и s-поляризованных импульсов, от- уменьшается при увеличении угларажённых от образца при угле падения 45◦падения, а s-поляризованного —(точки), автокорреляционная функция па-увеличивается.Такимобразом,приуглахпадения,дающего импульса (сплошная кривая).большихp-поляризованное излучение перестаёт «чувствовать» периодическую структуру ФК и условия возбужденияТПП не выполняются.
На вставке к рисунку 3 показаны ККФ импульсовp и s поляризации при угле падения 45◦ , а также автокорреляционнаяфункция падающего импульса. Времена жизни ТПП при данных условияхотличаются почти в два раза и составляют 21 ± 1 фс и 42 ± 1 фс для p и sполяризации соответственно.Исследование влияния возбуждения ТПП на амплитудные и времен-12ные харакетристики сверхбыстрой модуляции коэффициента отраженияструктур ФК/металл было проведено с использованием методики «накачказонд» [18], источником излучения в которой служил титан-сапфировый лазер, генерировавший импульсы длительностью 45 фс с центральной длиной волны 780 нм. Плотность энергии накачки на образце составляла270 мкДж·см−2 , а зонда — 8 мкДж·см−2 .
На рисунке 4 красными точками показана временная зависимость относительного изменения коэффициента отражения (∆R/R) плёнки золота толщиной 30 нм, а чёрными точками — ∆R/R образца серии 1 при условии совпадения центральной длины волны импульса зонда и резонансной длины волны возбуждения ТПП.Синей кривой на том же рисунке показана кросс-корреляционнаяфункция импульсов накачки и зонда. Можно отметить, что ∆R/R и взолотой плёнке и в образце нарастает на временах -50 – +150 фс, после чего достигает максимальногозначения и далее спадает по закону∆R/R ∝ exp(−t/τR ), причем харак-терное время релаксации τR = 1 псодинаково для образца и золотой Рис.
4: Временная зависимость относиплёнки. В то же время максималь- тельного изменения коэффициента отраженое значение ∆R/R образца серии 1 ния золотой плёнки (красные ромбы) и обпревосходит ∆R/R золотой плёнки разца серии 1 при возбуждении ТПП (чёрв 15 раз. Для изучения механизмовусиления модуляции коэффициентаные точки). Кросс-корреляционная функцияимпульсов накачки и зонда (синяя кривая).отражения при возбуждении ТПП были измерены зависимости ∆R/R образца и золотой плёнки от длины волны излучения зонда и от временнойзадержки между импульсами зонда и накачки. На рисунке 5 сплошнойкривой показана зависимость коэффициента отражения образца от длиныволны излучения зонда. Показанный спектральный диапазон соответствует окрестности резонанса ТПП, характеризующегося уменьшением коэффициента отражения. Оранжевыми ромбами показан спектр относитель-13ного изменения коэффициента отражения плёнки золота толщиной 30 нмпри временной задержке между импульсами зонда и накачки +150 фс.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
