Диссертация (1105425), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Поскольку в резонансе ТПП максимальноеВведение7усиление поля наблюдается внутри объема структуры, можно говорить о перспективности метода нелинейно-оптической спектроскопии для зондированияскрытых границ раздела и активных слоёв.Большое число работ посвящено исследованию так называемых гибридныхсостояний, которые определяются возбуждением нескольких мод электромагнитного поля в одном экспериментальном образце. В частности, были исследованы гибридные состояния ТПП и экситонов Ванье-Мотта, ТПП и микрорезонаторных мод, нескольких таммовских плазмонов. Интерес к изучению гибридных состояний связан с возможностью создания компактных лазеров наоснове структур, поддерживающих гибридные состояния и позволяющих осуществлять перекачку энергии из одной моды в другую с последующим усилением поля и генерацией когерентного излучения.
Другим типом гибридногосостояния, изученным в диссертационной работе, является гибридное состояние таммовского и поверхностного плазмон-поляритонов. Важность исследования его свойств обусловлена необходимостью управления законом дисперсииППП для расширения возможностей существующих сенсоров на их основе.
Намомент проведения исследований существовало лишь несколько теоретическихработ, посвященных данной проблеме. На текущий момент опубликованы исследования по практическому применению гибридных состояний ТПП и ППП.Целью диссертационной работы является экспериментальное исследованиеспектральных, угловых и временных характеристик оптического отклика фотоннокристаллических структур, поддерживающих возбуждение таммовскихплазмон-поляритонов, а также исследование нелинейно-оптического откликаданных структур.Научная новизна работы состоит в следующем:1. Впервые измерены кросс-корреляционные функции фемтосекундных лазерных импульсов, отраженных от структуры ФК/металл при различныхуглах падения и поляризации излучения.
Показано, что в случае возбуждения ТПП кросс-корреляционные функции деформируются, причем величина деформации зависит от поляризации и угла падения излучения.Введение82. Проведена фемтосекундная спектроскопия коэффициента отражения структуры фотонный кристалл-металлическая плёнка в схеме «накачка-зонд».Показано, что при перекрытии спектров импульса зонда и резонансногоконтура ТПП наблюдается существенное усиление модуляции коэффициента отражения, связанное со спектральным сдвигом резонанса таммовского плазмон-поляритона.3.
Впервые экспериментально продемонстрировано резонансное усиление генерации второй и третьей оптических гармоник при возбуждении ТПП вструктурах ФК/металл. Изучены поляризационная, угловая и спектральная зависимости коэффициента усиления. Исследован вопрос о механизмах усиления.4. Экспериментально обнаружено гибридное состояние таммовского и поверхностного плазмон-поляритонов при условиях полного внутреннего отражения излучения от структуры фотонный кристалл/металлическая плёнка. Показана поляризационная селективность данного состояния и обнаружено расталкивание дисперсионных кривых ТПП и ППП.Практическая значимость работы заключается в разработке новых подходов к полностью оптическому управлению электромагнитным полем и разработке новых методик оптического зондирования объектов.Работа имеет следующую структуру:Первая глава содержит обзор литературы по оптическим свойствам таммовских плазмон-поляритонов и их гибридных состояний, а также обзор исследований, посвященных изучению фемтосекундной динамики поверхностныхсостояний электромагнитного поля и нелинейно-оптических эффектов в присутствии локализованных состояний электромагнитного поля.Вторая глава посвящена экспериментальному и численному изучению фемтосекундной динамики ТПП.
Приведены характеристики исследуемых образцов, описаны результаты спектроскопии коэффициентов отражения и пропускания в зависимости от углов падения и поляризации излучения. ПоказаныВведение9измеренные кросс-корреляционные функции фемтосекундных импульсов, отраженных от образца при возбуждении таммовского плазмона и без него, определено характерное время жизни ТПП. С помощью численного моделированияизучено влияние угла падения и поляризации излучения на время жизни. Продемонстрировано усиление сверхбыстрой модуляции коэффициента отражениясистемы ФК/металл в схеме «накачка-зонд» при условии перекрытия спектровимпульса зонда и резонансного контура ТПП.Третья глава посвящена экспериментальному исследованию усиления нелинейно-оптических эффектов в фотоннокристаллических образцах при возбуждении таммовских плазмон-поляритонов.
Приведены результаты частотно-угловой спектроскопии интенсивности второй и третьей оптических гармоник.Обнаружены три механизма усиления генерации оптических гармоник в присутствии ТПП: механизм резонансной накачки, механизм резонансной оптической гармоники и механизм двойного резонанса.Четвёртая глава посвящена экспериментальному наблюдению гибридныхсостояний таммовских и поверхностных плазмон-поляритонов в структурах фотонный кристалл-металлическая пленка. Приведены результаты частотно-угловой спектроскопии для различных поляризаций падающего излучения. Изученовлияние толщины металлической плёнки на степень связи компонент гибридного состояния.На защиту выносятся следующие основные положения:1. Возбуждение таммовских плазмон-поляритонов в структурах фотонныйкристалл-металлическая пленка приводит к модификации фемтосекундных лазерных импульсов, отраженных от данных образцов.
В частности,наблюдается удлинение заднего фронта импульса, причем величина удлинения зависит от угла падения излучения на структуру и от поляризациипадающего излучения.2. Изменение комплексной диэлектрической проницаемости тонкой плёнкизолота, индуцированное фемтосекундным лазерным импульсом, приво-Введение10дит к спектральному сдвигу резонанса таммовского плазмон-поляритона,возбуждаемого в структуре фотонный кристалл-металлическая плёнка.Спектральная зависимость относительного изменения коэффициента отражения структуры имеет асимметричный профиль, причем максимальная величина относительного изменения коэффициента отражения структуры фотонный кристалл-металлическая плёнка в двадцать раз больше,чем металлической плёнки при той же мощности излучения накачки.3.
Эффективность генерации второй и третьей оптических гармоник в структурах фотонный кристалл-металлическая плёнка возрастает при возбуждении таммовских плазмон-поляритонов. Механизмы усиления связаны слокализацией электромагнитного поля накачки в нелинейных слоях структуры в случае совпадения частоты излучения накачки с резонансной частотой таммовского плазмон-поляритона и с увеличением плотности фотонных состояний на частоте резонанса таммовского плазмон-поляритона.4. В структуре фотонный кристалл-металлическая пленка возникают гибридные состояния таммовских и поверхностных плазмон-поляритонов.При возбуждении гибридного состояния наблюдается спектральный сдвигповерхностно-плазмонной компоненты дисперсионной кривой гибридногосостояния 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 международныхконференциях, в том числе:• Международная конференция «The International Conference on Coherentand Nonlinear Optics (ICONO/LAT) 2016», Минск, Белоруссия, сентябрь2016.• Международная конференция «SPIE Photonics West 2016», Сан Франциско, США, февраль 2016.Введение11• Международная конференция «Дни дифракции», Санкт-Петербург, Россия, май 2015.• Международная конференция «SPIE Photonics Europe 2014», Брюссель,Бельгия, апрель 2014.• Международная конференция «Дни дифракции», Санкт-Петербург, Россия, май 2014.• Международная конференция «Frontiers in Optics/Laser Science 2013», Орландо, США, октябрь 2013.• Международная конференция «The International Conference on Coherentand 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, втом числе в 4 публикациях в журналах «Applied Physics Letters» [1, 2], «OpticsLetters» [3] и «SPIE Proceedings» [4].Глава IОбзор литературы1.
Таммовские плазмон-поляритоны в фотонных кристаллах1.1. Основные понятияТаммовские плазмон-поляритоны являются оптическими аналогами таммовских состояний в электронных кристаллах. Возникновение локализованных состояний электронов на поверхности кристалла было предсказано Игорем Евгеньевичем Таммом в 1932 году в работе [5].
Он рассматривал одномерный полубесконечный кристалл с потенциалом вида Кронига-Пенни [6] и потенциальнойступенькой на его границе (рис. 1.1) [7]. Пусть решетка описывается потенциальной кривой с прямоугольными ступеньками периода d = a + b. Внутриячейки потенциал равен нулю при 0 6 x < a и U1 при a 6 x 6 d. При x < 0потенциал имеет постоянное значение U0 . Пусть электрон описывается энергиейUWU0a bU1x0Рис.
1.1: Вид потенциала в задаче Тамма [7].W и волновой функцией ψ, m — его масса. Рассмотрим уравнение Шредингеравидаψ 00 + κ 2 [W − U (x)] ψ = 0,κ2 =2m,~2(1.1)Глава I. Обзор литературы13с условиями непрерывности∂ψ= const,(1.2)∂x√√на границе кристалла. Введем постоянные k = κ W и k 0 = κ W − U1 , поψ = const;смыслу являющиеся волновыми числами электрона в областях с разной потенциальной энергией. Общее решение уравнения Шредингера записывается ввиде:ψ = eiα1 x u1 (x) + eiα2 x u2 (x),(1.3)где u1,2 (x) — периодические по x функции с периодом d, а α1,2 — постоянные.Данный вид решения можно рассматривать как суперпозицию двух блоховскихволн, причем постоянные α1,2 в этом случае являются блоховскими волновымичислами.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
