Диссертация (1105425), страница 5
Текст из файла (страница 5)
Точки — центральные длины волн резонансов ТПП, локализованного плазмона и ППП в рассчитанных спектрах коэффициентаотражения. Сплошные линии — положения резонансов, предсказанные моделью связанных осцилляторов. Горизонтальные штриховые линии — дисперсионные кривыеповерхностного и локального плазмонов. Штрихпунктирная линия — дисперсионнаякривая таммовского плазмон-поляритона [40].тия резонансов.Вслед за работой [1] автора диссертации, было опубликовано несколько работ, описывающих гибридные состояния ТПП и ППП [41–44].
В них, в частности, была показана возможность управления дисперсионными кривыми гибридного состояния и описаны сенсоры показателя преломления, основанныена принципе возбуждения гибридного состояния ТПП и ППП.Глава I. Обзор литературы24Для создания активных устройств фотоники на основе ТПП и их гибридныхсостояний необходимо изучение временной динамики возбуждения и релаксации ТПП. Второй важной задачей является исследование временных зависимостей коэффициентов отражения и пропускания структур ФК/металл при условии возбуждения ТПП и при модификации параметров структуры внешнимвоздействием.2. Оптические методы исследования сверхбыстрых процессов2.1. Методики измерения длительности фемтосекундных оптических импульсовБазовые кросс-корреляционные схемы обладают как преимуществами, так инедостатками.
К первым необходимо отнести чрезвычайную простоту сборкии настройки таких схем, их универсальность по уровню сигнала и длительности импульса. Из недостатков стоит отметить то, что в случае простейшейинтенсивностной схемы невозможно измерить фазу поля внутри импульса, аследовательно восстановить временной профиль частоты излучения.Принципиальная схема типичного автокоррелятора приведена на рисунке 1.9.Исходный импульс делится на светоделительной пластине на два плеча, в одномНелинейный кристаллI(t)I(t-t)СветоделительнаяпластинкаI 2w(t)ДетекторЛиния задержкиРис. 1.9: Схема установки для измерения автокорреляционной функции с использованием нелинейного кристалла [45].из которых находится линия задержки.
После этого оба импульса сбиваются нанелинейном кристалле. Измеряется интенсивность неколлинеарной второй гармоники I2ω , которая пропорциональна свертке интенсивностей импульсов I(t)Глава I. Обзор литературыи I(t − τ ), падающих на нелинейный кристалл:ZI2ω (τ ) ∼ I(t)I(t − τ )dt .25(1.6)Для измерения кросс-корреляционной функции используется модифицированная схема автокоррелятора, в которой в один из каналов помещается образец.В этом случае профиль интенсивности неколлинеарной второй гармоники будет зависеть от искажений, которые вносит образец в исходный импульс.
Такимобразом, можно судить о свойствах состояний возбуждаемых в образце, времяжизни которых сравнимо с длительностью импульса.С помощью кросс-корреляционной методики проведен ряд исследований распространения и искажения фемтосекундных импульсов в плазмонных структурах. Например, проведены исследования модификации импульсов при прохождении через плазмонный кристалл — структуру, обладающую плазмонной запрещенной зоной [46–49]. Так, в [46] использовалась модифицированная кросскорреляционная схема, позволяющая разрешить высокочастотную набивку импульса [50]. При изменении угла падения излучения на кристалл изменяетсядоля перекрытия спектра излучения с резонансным контуром ППП, что приводит к изменению формы импульса (рис.
1.10).Проведено измерение четырех кросс-корреляционных функций импульсов,отраженных от золотого плазмонного кристалла, на длинах волн, лежащих вразных точках дисперсионных кривых ППП [47]. Две из этих функций былиизмерены на разных краях плазмонной запрещенной зоны, а две — вне запрещенной зоны на разных ветвях дисперсионной кривой (рис.
1.11). Показано, чтодля импульсов с центральной длиной волны вдалеке от краев плазмонной запрещенной зоны длительность импульса практически не зависит от того, с какойстороны запрещенной зоны спектрально находится импульс. В то же время дляимпульсов на краю плазмонной запрещенной зоны наблюдается эффект изменения длительности импульса при спектральной перестройке через запрещеннуюзону. Длительность импульса на коротковолновом крае составляет 250 фс, в товремя как на длинноволновом крае — всего 18 фс.26700800l, нм900(в)-500Dt, фс50oIT /I0q = 28700800l, нм900(б)-50q = 35050Dt, фсoIT /I0Интенсивность, отн.ед.I0Интенсивность, отн.ед.(а)Интенсивность, отн.ед.Глава I.
Обзор литературы700800l, нм900(г)-500Dt, фс50Рис. 1.10: (а) Схема эксперимента. Структура исходного и прошедшего через образец импульсов регистрировались с помощью интерференционного автокоррелятора.(б) Интерференционная автокорреляционная функция (ИАФ) и спектр (на вставке)исходного импульса. (в) ИАФ и спектр прошедшего через образец импульса под углом28◦ . (г) То же под углом 35◦ .
При таком угле падения излучения на образец в прошедшем излучении доминирует свет переизлученный из резонансно возбужденногоППП [46].Также было показано, что при отражении от плазмонного кристалла импульсов, длительность которых сравнима с временем жизни поверхностногоплазмон-поляритона, в окрестности длины волны резонанса ППП наблюдаются заметные сдвиги максимума кросс-корреляционной функции и изменениеее ширины (рис. 1.12) [48]. Такой эффект объясняется интерференцией между резонансно и нерезонансно отраженными компонентами импульса, разностьфаз между которыми меняется при спектральной перестройке через длину волны возбуждения ППП. Конструктивная интерференция приводит к смещениюмаксимума корреляционной функции в положительную сторону и ее уширению;деструктивная — к смещению максимума в отрицательную сторону и сужениюкорреляционной функции.В работе [51] изучается фемтосекундная динамика возбуждения ТПП в образце, состоящем из одномерного ФК и перфорированной металлической плёнки.
Авторы использовали метод анализа интерферометрических автокорреляционных функций фемтосекундных импульсов, прошедших через образец. ВГлава I. Обзор литературы27(а)(в)Образец757 нм754 нмОбразецСтекло-2-1012(б)741 нмОбразецСтекло-2-1012Время задержки, псИнтенсивность, отн.ед.Интенсивность, отн.ед.Стекло3-2-1012(г)738 нмОбразецСтекло-2-101Время задержки, пс2Рис.
1.11: Кросс-корреляционные функции импульсов, прошедших через образец.Длина волны излучения: (а) 754 нм — верхний край плазмонной запрещенной зоны. (б) 741 нм — нижний край плазмонной запрещенной зоны. (в) 757 нм — верхняячасть дисперсионной кривой ППП вдали от края плазмонной запрещенной зоны. (г)738 нм — нижняя часть дисперсионной кривой ППП вдали от края плазмонной запрещенной зоны. Штриховые линии — кросс-корреляционные функции импульсов,прошедших только через подложку (без возбуждения ППП) [47].работе указывается, что время жизни ТПП составляет от 100 фс до 300 фси, кроме того, зависит от длительности импульса возбуждающего излучения.Важно отметить, что прохождение излучения через фотонный кристалл приводит к существенной деформации формы импульса из-за большой эффективнойдисперсии групповой скорости, связанной с многократным переотражением импульса от границ раздела слоёв образца.2.2.
Методика «накачка-зонд» и её примененияДля исследования сверхбыстрых процессов, связанных с нелинейными свойствами образца, может применяться метод «накачка-зонд». Общий принципего работы заключается в следующем: на исследуемый образец падает импульсГлава I. Обзор литературы28Dt ps ,фс(а)Dl ps ,фс(б)Длина волны, нмРис. 1.12: Спектральные зависимости (а) разности положения максимумов ∆τps и(б) разности ширины на полувысоте ∆lps корреляционных функций для p- и sполяризованного излучения. Точки — экспериментальные данные. Сплошные линии —численный расчет [48].накачки, который генерирует возбуждение в образце или модифицирует егооптические свойства. После этого, через некоторое контролируемое время, наобразец падает зондирующий импульс.
Измеряется коэффициент отраженияили пропускания. Измеряя зависимость зондирующего сигнала от временнойзадержки между импульсами или от мощности излучения накачки, можно получить информацию о времени релаксации возбуждения или других процессах, наведенных импульсом накачки. Поскольку обычно зондирующий сигналусредняется по большому количеству импульсов, нет необходимости использовать быстрый фотодиод.
Временное разрешение такой схемы определяется исключительно длительностью импульса. Принципиальной особенностью схемызонд-накачка является то, что длины волн импульса накачки и зонда могут неГлава I. Обзор литературы29совпадать. В так называемой «двухцветной» схеме используются два синхронизированных лазерных источника, что открывает дополнительные возможностив спектроскопии. В частности, возможно полное подавление фоновой засветки,связанной с накачкой; мощность излучения накачки можно менять независимоот мощности зонда; возможно перестраивать длину волны зонда независимоот длины волны накачки или наоборот. В двухцветной схеме принципиальноважно добиться точной синхронизации двух источников, поскольку джиттер вкаком-либо из них может привести к серьезному ухудшению временного разрешения.Методика «зонд-накачка» широко применяется для исследования динамикивозбуждения и релаксации поверхностных состояний электромагнитного поля иих визуализации [52,53], а также для изучения эффектов оптического переключения в фотонных кристаллах [54], полупроводниковых метаматериалах [55–57],плёнках графена [58, 59] и углеродных нанотрубках [60].Одно из первых использований методики было связано с изучением временной динамики возбуждения и релаксации носителей заряда в металлах [61–64]и полупроводниках [65–68].
В частности, в работе [69] исследовалась термализация электронов в золоте. Авторы использовали классическую схему «зонднакачка»: источником излучения служил титан-сапфировый лазер с длительностью импульса 130 фс, излучение делилось пополам в два канала. Первый каналявлялся каналом накачки, а во втором канале излучение падало на нелинейныйкристалл.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
