Диссертация (1105425), страница 19
Текст из файла (страница 19)
Данное спектрально-угловое положение«ТПП 1» и «ТПП 3» соответствует выполнению условий двойного резонансаизлучения накачки и ТГ и должно приводить к дополнительному усилениюГТГ.На рисунке 3.20 показана численно рассчитанная зависимость логарифмаинтенсивности ТГ, генерированной в модельном образце серии 3, от угла падения излучения накачки и от толщины верхнего слоя ФК. В зависимости можноГлава III.
Генерация второй и третьей оптических гармоник ...107Рис. 3.20: Численно рассчитанная зависимость логарифма интенсивности третьейоптической гармоники, генерированной в образце серии 3 в pp комбинации поляризаций излучения накачки и ТГ, от угла падения излучения накачки и толщины верхнегослоя ФК. Линии уровня расположены через 1 отн.ед. Рябь на графике является артефактом построения.выделить несколько пиков, меняющих своё угловое положение при изменениитолщины верхнего слоя ФК. Одним из них, находящимся на угле 29◦ при толщине верхнего слоя ФК равной 220 нм, является резонанс интенсивности ТГ,связанный с возбуждением фундаментальной моды ТПП.
При той же толщиневерхнего слоя ФК данный пик имеет менее интенсивный пик-спутник, расположенный на угле 23◦ , и соответствующий усилению ГТГ за счёт увеличенияплотности фотонных состояний в резонансе ТПП третьего порядка. При изменении толщины верхнего слоя ФК пик фундаментальной моды смещается по углу,однако интенсивность ТГ остается примерно постоянной и равной 1010 отн.ед.В то же время, при толщине верхнего слоя равной 194 нм и угле падения 21◦Глава III.
Генерация второй и третьей оптических гармоник ...108резонансы фундаментального ТПП и ТПП третьего порядка перекрываются инаблюдается дополнительное усиление интенсивности ТГ на два порядка величины. Важно отметить, что указанные параметры образца (толщины слоёв)и излучения накачки (длина волны и угол падения) соответствуют экспериментальным условиям, что является подтверждением того, что в экспериментебыли реализованы условия двойного резонанса излучений накачки и третьейоптической гармоники.Глава IVГибридное состояние таммовского и поверхностногоплазмон-поляритоновИсследования гибридных состояний таммовских плазмон-поляритонов и другихвозбуждений, таких как микрорезонаторные моды и экситоны, привели к разрабоке и созданию набора активных устройств фотоники. К таким устройствамотносятся лазеры, однофотонные источники и сенсоры.
Возбуждение гибридных состояний приводит к изменению закона дисперсии элементарных возбуждений, например, к спектральному смещению их резонансных частот. Исследования гибридных состояний ТПП и поверхностных плазмон-поляритонов непроводились вплоть до работы автора [1]. В то же время вопрос управления законом дисперсии ППП является важным как с фундаментальной, так и с прикладной точек зрения. Возможность такого управления позволит существенно расширить диапазон использования существующих биомедицинских сенсоров, основанных на эффекте возбуждения поверхностных плазмон-поляритонов.
Простота перестройки резонансных параметров возбуждения ТПП позволяет говорить о перспективности использования гибридных состояний ППП иТПП для вышеуказанных целей.1. Экспериментальное обнаружение гибридного состояния таммовского и поверхностного плазмон-поляритонов1.1. Экспериментальная установкаДля измерения частотно-угловых спектров была создана экспериментальнаяустановка, схема которой приведена на рисунке 4.1.
В качестве источника света использовалась лампа накаливания (1). Свет коллимировался линзой (2), ипри помощи диафрагмы (3) вырезался параллельный пучок диаметром 2 мм.Призма Глана (4), установленная во вращающейся с точностью до 0.2◦ оправе, позволяла контролировать поляризацию света, падающего на образец. ДляГлава IV.
Гибридное состояние таммовского и поверхностного ...1542110367Рис. 4.1: Схема установки для частотно-угловой спектроскопии коэффициента отражения. (1) — лампа накаливания, (2) — коллимирующая линза, (3) — диафрагма,(4) — призма Глана во вращающемся держателе, (5) — механизированный гониометрϕ − 2ϕ с установленным на нем образцом, (6) — волокно c фокусирующей линзой,установленное на поворотном держателе, (7) — спектральный прибор.возбуждения поверхностного плазмон-поляритона на границе раздела металл –вакуум использовалась схема Кречманна: образцы при помощи иммерсионногомасла крепились к стеклянной цилиндрической призме (показатель преломления материала n = 1.51).
Полученная система устанавливалась на механизированный гониометр ϕ − 2ϕ (5), позволяющий задавать угол поворота образцас точностью 0.005◦ . Благодаря цилиндрической форме призмы углы паденияизлучения на образец соответствуют углам падения излучения из материалапризмы. В дальнейшем на всех экспериментальных и расчетных зависимостяхугол падения соответствует углу падения излучения из призмы.
Установка оптического волокна (6) на поворотный держатель позволяла измерять спектрыотражения при различных углах падения света на образец, сохраняя при этомфиксированное расстояние между образцом и входным торцом волокна (этонеобходимо для получения правильных значений коэффициента отражения образца при последующей нормировке измеренных спектров).
Спектральный прибор (7) представлял собой спектрометр SOLAR S100 со спектральным разреше-Глава IV. Гибридное состояние таммовского и поверхностного ...111нием 1 нм и диапазоном измерения 400 – 1100 нм. Для проведения эксперимента в автоматическом режиме была создана программа в пакете LabView,позволявшая при помощи компьютера контролировать угол поворота образцаи измерительного плеча, диапазон изменения угла поворота, угловой шаг, а также время измерения одного спектра. Перед каждой серией измерений частотноугловых спектров образца проводилось измерение спектра лампы накаливания,который впоследствие использовался для нормировки.
Данные, полученные соспектрометра в результате одного сканирования, представляли собой двумерный массив значений коэффициента отражения, который легко преобразовывался к виду, удобному для обработки.1.2. Исследование оптических свойств гибридного состояния таммовского иповерхностного плазмон-поляритонов методом частотно-угловой спектроскопииНа установке для частотно-угловой спектроскопии была измерена серия спектров коэффициента отражения образца серии 1 для углов падения света от 25◦до 60◦ .
На рисунке 4.2 показан частотно-угловой спектр коэффициента отражения для p поляризации падающего излучения. Для углов, не превосходящихугол полного внутреннего отражения (около 42◦ для данной призмы) внутриФЗЗ фотонного кристалла, лежащей между 650 нм и 950 нм для угла падения25◦ , наблюдается узкий резонанс поглощения, соответствующий возбуждениюТПП. На рис. 4.2 данная особенность проявляется в виде светлой полосы, обозначенной стрелкой с подписью ТПП. При увеличении угла падения излученияна образец уменьшается нормальная компонента волнового вектора, поэтомуцентр фотонной запрещенной зоны и дисперсионная кривая ТПП сдвигаютсяв коротковолновую область спектра.
При углах, превосходящих угол полноговнутреннего отражения, могут выполняться условия фазового синхронизма дляППП. На длине волны 990 нм при угле падения 43◦ наблюдается резонанс, соответствующий возбуждению ППП. При увеличении угла падения он смещаетсяв коротковолновую область спектра. Резонанс, соответствующий ТПП, сноваГлава IV. Гибридное состояние таммовского и поверхностного ...112Рис. 4.2: Частотно-угловой спектр коэффициента отражения образца серии 1 для pполяризованного излучения. Отмечены дисперсионные кривые таммовского плазмонполяритона (ТПП), поверхностного плазмон-поляритона (ППП) и фотонная запрещенная зона (ФЗЗ).появляется при угле падения 43◦ на длине волны 620 нм. В диапазоне углов45◦ – 50◦ дисперсионные кривые ТПП и ППП располагаются практически параллельно друг другу. Спектральное расстояние между резонансами составляет 75 ± 5 нм.
При углах больше 50◦ в спектре коэффициента отражения нельзявыделить резонансные особенности, связанные с возбуждением какого-либо изповерхностных состояний. На рисунке 4.3 показаны срезы частотно-угловогоспектра коэффициента отражения для угла падения излучения равного 30◦ ,когда в образце возбуждается только ТПП, и для угла падения 46◦ , при котором в образце возбуждается гибридное состояние. Важно отметить, что привозбуждении гибридного состояния нельзя говорить о наличии двух разных поверхностных мод, поскольку собственным решением волнового уравнения будетих суперпозиция. Однако можно выделить две компоненты состояния, отличающиеся собственной энергией для фиксированного угла падения излучения.Глава IV.
Гибридное состояние таммовского и поверхностного ...1131.00.830°0.60.446°0.20.05006007008009001000,Рис. 4.3: Спектры коэффициента отражения образца серии 1 при угле падения 30◦(красные точки) и 46◦ (чёрные точки).Аналогичные измерения были проведены и для металлической плёнки толщиной 30 нм, в которой ППП возбуждается в отсутствии таммовского. На рисунке 4.4 приведен частотно-угловой спектр коэффициента отражения металлической плёнки при изменении угла падения от 39◦ до 60◦ .
Резонанс, соответствующий возбуждению ППП, появляется при угле падения 43◦ на длиневолны 1000 нм. Стоит заметить, что длина волны возбуждения ППП на плёнке золота при угле падения 50◦ составляет примерно 530 нм, в то время какдлина волны возбуждения ППП, возбужденного на образце серии 1 при томже угле падения, составляет 610 нм. Таким образом, можно отметить, что компонента гибридного состояния, соответствующая возбуждению поверхностногоплазмон-поляритона, сдвигается на 80 нм в длинноволновую область по сравнению с дисперсионной кривой ППП, возбуждаемого на металлической плёнке(в отсутствии ТПП).На рисунке 4.5 показан частотно-угловой спектр коэффициента отраженияГлава IV.
Гибридное состояние таммовского и поверхностного ...114400500,6007008009001000404550,55.Рис. 4.4: Частотно-угловой спектр коэффициента отражения плёнки золота толщиной30 нм для p-поляризованного излучения.образца серии 1 для s-поляризованного излучения. В случае s поляризацииППП возбуждаться не может, поэтому структура спектра коэффициента отражения не претерпевает никаких изменений при увеличении угла падения света.Видно, что при увеличении угла падения излучения центр фотонной запрещенной зоны фотонного кристалла и дисперсионная кривая ТПП смещаютсяв коротковолновую область спектра. Стоит заметить, что при увеличении углападения амплитуда резонанса, соответствующего ТПП, постепенно уменьшается, и в итоге, резонанс исчезает. Данное поведение можно объяснить из следующих соображений: при увеличении угла падения частота возбуждения ТППувеличивается, смещаясь в коротковолновую область спектра.
В то же время,коэффициент пропускания тонкой золотой плёнки увеличивается при уменьшении длины волны, что приводит к уменьшению добротности резонанса ТПП иего исчезновению.Глава IV. Гибридное состояние таммовского и поверхностного ...115Рис. 4.5: Частотно-угловой спектр коэффициента отражения образца серии 1 для sполяризованного излучения. Отмечены дисперсионные кривые таммовского плазмонполяритона (ТПП) и фотонная запрещенная зона (ФЗЗ).2. Численные расчеты и аналитическая модель гибридного состоянияДля интерпретации экспериментальных данных были проведены численныерасчеты методом матриц распространения, суть которого изложена в Приложении. В качестве модельного образца рассматривался образец, состоящий из6 пар слоев SiO2 /ZrO2 , причём верхним слоем фотонного кристалла являетсяслой SiO2 , и слоя золота толщиной 30 нм.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
