Диссертация (1105425), страница 17
Текст из файла (страница 17)
Первая из них связана с возбуждением ТПП, а вторая — с увеличением пропускания вблизи края ФЗЗ ФК.В обоих случаях коэффициент пропускания образца увеличивается от 0.01 внеГлава III. Генерация второй и третьей оптических гармоник ...95резонансов до значений 0.26 и 0.07 вблизи резонанса ТПП и вблизи края ФЗЗсоответственно. Зависимость интенсивности ТГ от угла падения излучения накачки на структуру показана точками, причем ошибки измерения не превосходят размера точек. В ней наблюдаются три особенности вблизи углов 21◦ , 36◦ и52◦ . Увеличение интенсивности ТГ при углах около 52◦ связано с относительноравномерной по слоям локализацией излучения накачки в ФК на длинах волнвблизи края фундаментальной ФЗЗ ФК.
Небольшой пик в районе 36◦ соответствует случаю резонансной ТГ: при данном угле падения, на частоте ТГ возбуждается волноводная мода, которая приводит к увеличению плотности фотонныхсостояний. В результате, даже в отсутствии локализации поля накачки в слояхс нелинейностью, наблюдается усиление генерации третьей гармоники (ГТГ).Пик при угле падения 21◦ связан с возбуждением таммовских плазмон-поляритонов и является результатом двух процессов: локализации электромагнитногополя излучения накачки в слоях ФК и увеличения плотности фотонных состояний на частоте ТГ.
Интенсивность пика ТГ при угле падения 21◦ превосходитфоновую интенсивность ТГ вдали от резонансов на три порядка величины. Кроме того, интенсивность пика ТГ, соответствующего возбуждению ТПП в 5 разбольше интенсивности пика, связанного с краем ФЗЗ ФК. Можно отметить, чтоширина резонанса интенсивности ТГ больше ширины резонанса коэффициентапропускания.
Данный эффект объясняется большой шириной спектра лазеранакачки, которая составляет 45 нм, и связан с тем, что различные частотныекомпоненты излучения накачки оказываются в резонансе с ТПП при разныхуглах падения излучения на образец.Также были измерены угловые зависимости интенсивности ТГ при различных комбинациях поляризаций излучения накачки и ТГ. Результаты показанына рисунке 3.12 черными квадратами для ss комбинации, красными точками —для sp комбинации, зелеными треугольниками, направленными вверх — для psкомбинации и синими треугольниками, направленными вниз — для pp комбинации в логарифмическом масштабе по оси ординат. Зависимости интенсивности ТГ, измеренные в ps и sp комбинациях, не проявляют резонансных осо-Глава III.
Генерация второй и третьей оптических гармоник ...96ss110sp.ps.pp0,10-110-210-31001020304050,Рис. 3.12: Зависимость интенсивности ТГ, генерированной в образце серии 3, от углападения излучения накачки, показанная в логарифмическом масштабе по оси ординатпри различных комбинациях поляризаций излучения накачки и ТГ. Черные квадраты — ss, красные точки — sp, зеленые треугольники, направленные вверх — ps, синиетреугольники, направленные вниз — pp.бенностей, а уровень сигнала находится на уровне фона, который составляет3 · 10−3 отн. ед. Интенсивность ТГ, генерированной в ss комбинации, превосходит фон в среднем на порядок величины, поскольку данная комбинация является разрешенной в случае генерации третьей гармоники.
В угловой зависимостиинтенсивности можно выделить три пика в окрестностях углов 22◦ , 36◦ и 47◦ , которые соответствуют механизмам усиления, описанным в предыдущем абзаце.Можно отметить, что угловая ширина резонанса ТГ, соответствующая краюФЗЗ ФК, меньше в случае s-поляризованной накачки, поскольку фотонныйкристалл является более добротной структурой для s-поляризованного излучения, как было описано в Главе II. Кроме того, угловое положение максимумапика ТГ, связанного с возбуждением ТПП, при ss комбинации отличается наГлава III. Генерация второй и третьей оптических гармоник ...971◦ от положения пика при pp комбинации, что связано с поляризационным расщеплением моды ТПП, описанным в Главе II. Различие в абсолютной величинеинтенсивности ТГ, генерированной в pp и ss комбинациях, объясняется прежде всего тем, что вклад в ГТГ вносится различными компонентами тензора(3)кубичной нелинейной восприимчивости χ̂ijkl .Зависимость интенсивности ТГ от мощности накачки, измеренная при угле падения излучения 21◦ в pp комбинации поляризаций, показана на рисун-101,..ке 3.13 в двойном логарифмическом масштабе.
Зависимость хорошо аппрокси-10100-120406080,Рис. 3.13: Точки: Зависимость интенсивности третьей оптической гармоники, генерированой в образце серии 3 в pp комбинации поляризаций излучения накачки и третьейгармоники и при угле падения 21◦ от мощности излучения накачки (показана в двойном логарифмическом масштабе). Линия: Аппроксимация функцией вида y = axb созначениями параметров a = 0.05 ± 0.01, b = 3.02 ± 0.02.мируется функцией вида y = axb со следующими значениями коэффициентов:a = 0.05 ± 0.01, b = 3.02 ± 0.02. Кубичный характер зависимости подтверждаетто, что измеренная величина является интенсивностью ТГ I3ω , которая связанаГлава III. Генерация второй и третьей оптических гармоник ...98с мощностью накачки Pω законом вида I3ω ∝ Pω3 .В зависимости от ориентации образца относительно падающего излучениянаблюдается разный характер угловой зависимости интенсивности ТГ, показанный на рисунке 3.14.
Черными ромбами показана угловая зависимость ТГ, соот-Рис. 3.14: Зависимость интенсивности ТГ, генерированной в образце серии 3 в pp комбинации поляризаций излучения накачки и ТГ, от угла падения излучения накачки.Черные ромбы соответствуют случаю падения излучения на структуру со стороныФК. Красные точки — со стороны металлической плёнки.ветствующая описанному выше случаю падения излучения накачки со стороныфотонного кристалла. В данном случае четко различимы три пика интенсивности, причем амплитуда пика, соответствующего возбуждению ТПП, в четырераза больше амплитуды пика, связанного с краем ФЗЗ.
Красными точками показана зависимость в случае падения излучения накачки со стороны металлической пленки. Пик, соответствующий возбуждению ТПП оказывается усиленнымв три раза по сравнению с предыдущим случаем, а остальные пики оказыва-Глава III. Генерация второй и третьей оптических гармоник ...99ются существенно подавленными. Результаты численных расчетов качественноподтверждают экспериментальные данные, хотя относительные амплитуды пиков имеют разные значения в расчетных и экспериментальных зависимостях.Причиной отличия угловых спектров ТГ является разный характер пространственного распределения электромагнитного поля при различных ориентацияхобразца.Аналогично процедуре, описанной в предыдущих разделах, можно вычислить эффективность ГТГ в образце серии 3.
Абсолютное значение частоты отсчетов в пике составило 1.58 · 106 , в то время как заявленная производителемчувствительность модуля ФЭУ на длине волны 520 нм равна 3 · 105 Гц/пВт.Характеристики светофильтров, использовавшихся для выделения излученияТГ, приведены в начале раздела. Мощность излучения накачки Pω составила75 мВт, таким образом, для определения нормированной эффективности ГТГ,не зависящей от мощности накачки, необходимо вычислить отношение P3ω /Pω3 ,где P3ω — измеренная мощность излучения ТГ.
Полученные результаты: пиковое значение нормированной эффективности ГТГ в образце серии 3 при условиивозбуждения ТПП в случае падения излучения накачки со стороны металлической плёнки составляет 2 · 10−8 Вт−2 , что превосходит значение эффективностиГТГ в серебряной пленке в 6 · 104 раз.4. Численные расчеты усиления генерации второй и третьей оптических гармоник при возбуждении таммовских плазмон-поляритоновДля проведения численных расчетов использовался метод матриц распространения с учетом нелинейности слоев (Nonlinear Transfer Matrix Method, NTMM).Вкратце суть базового метода состоит в последовательном расчете величин напряженности электрических и магнитных полей на границе каждого слоя, азатем домножении векторов напряженности полей на матрицы двух типов.
Матрицы одного типа называются матрицами распространения и описывают набегфазы и поглощение при прохождении каждого слоя, матрицы второго типа на-Глава III. Генерация второй и третьей оптических гармоник ...100зываются матрицами перехода и состоят из элементов, представляющих формулы Френеля для прохождения и отражения на границе раздела двух сред.Подробно метод описан в Приложении к диссертации. В методе NTMM, кроме того, рассчитывается нелинейная поляризация, индуцируемая в каждом изслоев. Поскольку основой для расчета вектора нелинейной поляризации служитвектор электрического поля, данным методом можно рассчитывать нелинейнооптические эффекты любого порядка при условии, что задан тензор соответствующей нелинейной восприимчивости.Для расчетов была написана программа, реализующая расчет методом матриц распространения, причем при расчете учитывалась реальная дисперсияматериалов, взятая из работ [104–106].
При расчетах интенсивности ВГ полагалось, что единственным слоем с оптической нелинейностью является тонкий пограничный слой металла, при расчетах интенсивности ТГ учитываласьнелинейность всех слоев образца. Тензоры нелинейной восприимчивости былисконструированы на основании данных из работ [76, 115, 116]. При расчётах неучитывалась шероховатость нелинейных слоёв образца, приводящая к гиперрэлеевскому рассеянию света и возникновению сигнала оптических гармоникв симметрийно-запрещённых комбинациях поляризаций излучения накачки иВГ.4.1.
Случай резонансной накачкиНа рисунке 3.15 точками показан экспериментально измеренный спектр интенсивности ВГ, генерированной в образце серии 1 в pp комбинации поляризацийизлучения накачки и ВГ при падении излучения накачки под углом 20◦ . Была проведена серия численных расчётов, в которых учитывались нелинейности различных приповерхностных слоёв в образце, а также различные компоненты тензоров χ̂(2) .
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
