Диссертация (1105425), страница 8
Текст из файла (страница 8)
По фотографиям видно, что в пятнеp-поляризованного излучения (рис. 1.19(а)) присутствует темная полоса, свидетельствующая о перекачке энергии в ППП. В спектре (рис. 1.19(в)) наблюдаетсяГлава I. Обзор литературы41минимум при угле падения 46◦ , соответствующий возбуждению ППП в золотойпленке.Нелинейно-оптические эффекты могут быть усилены и в отсутствие усиления электромагнитного поля излучения накачки за счёт нелинейно-оптического аналога эффекта Парселла. В оригинальной статье 1946 года [94] былопоказано, что при помещении системы в резонатор происходит увеличение вероятности спонтанного излучения, определяющееся добротностью резонатора исвязанное с увеличением плотности фотонных состояний на частоте излучения.Данный эффект был использован при изготовлении наноструктур с усиленнымизлучением и лазеров на их основе.
В качестве резонаторов используются однои двумерные фотонные и плазмонные кристаллы [95], а в качестве активныхсред — квантовые ямы [96], квантовые точки [97, 98] и углеродные нанотрубки [99]. Формализм эффекта Парселла может быть расширен на вынужденноеизлучение, частным случаем которого являются нелинейно-оптические процессы. Было теоретически показано, что при помещении излучающей системы врезонатор эффективно увеличивается её оптическая нелинейность, что можетпривести к усилению генерации оптических гармоник [100, 101] и нелинейнооптического эффекта Керра [102, 103]. Как и в классическом случае, усилениеизлучения происходит за счёт увеличения плотности фотонных состояний насобственных частотах резонатора, однако в нелинейном режиме такие частотыдолжны совпадать с частотами оптических гармоник.Глава I.
Обзор литературы42На основании проведённого обзора литературы могут быть сделаны следующие заключения:1. В структурах фотонный кристалл-полупрозрачная металлическая плёнка при определённых условиях возможно возбуждение таммовского плазмон-поляритона — локализованного состояния электромагнитного поля.Резонансная частота возбуждения ТПП находится в области фотонной запрещённой зоны ФЗЗ, причём её точное положение зависит от толщиныверхнего слоя ФК, граничащего с металлом. При увеличении угла паденияизлучения на структуру резонансная частота ТПП смещается в коротковолновую область спектра и наблюдается поляризационное расщеплениемоды ТПП (таким образом, что частота возбуждения ТПП для ТЕ- иТМ-поляризованного излучения различна).2.
В вышеописанных структурах возможно возбуждение гибридных состояний ТПП и экситона, ТПП и микрорезонаторной моды ФК. При возбуждении гибридного состояния наблюдается спектральное расталкивание законов дисперсии каждой из компонент гибридного состояния. Величинойсмещения можно управлять, варьируя степень пространственного перекрытия моды ТПП и второго локализованного состояния. Возбуждениегибридного состояния ТПП и ППП позволит управлять дисперсионнойкривой ППП, однако, экспериментального наблюдения данного состоянияне проводилось.3.
Возбуждение локализованных состояний электромагнитного поля импульсами, длительность которых сравнима со временем жизни состояния, приводит к изменению формы отражённого или прошедшего через структуру импульса за счёт перекачки энергии импульса в моду поверхностного состояния и её последующего высвечивания с временной задержкой,определяющейся характерным временем жизни состояния. Динамика возбуждения и релаксации ТПП определяет возможность их применения вустройствах управления излучением и является недостаточно изученной.Глава I.
Обзор литературы434. Модификация оптических свойств структур, поддерживающих возбуждение локализованных состояний, приводит к спектральному сдвигу соответствующих резонансов. При использовании схемы «накачка-зонд» возможно наблюдение временной динамики сдвига резонанса путём измерения зависимостей коэффициентов отражения и пропускания от временизадержки между импульсами зонда и накачки. При перестройке частоты зонда через резонанс локализованного состояния наблюдается асимметричная спектральная зависимость модуляции оптических параметров,имеющая форму производной резонанса.
ТПП имеет спектрально узкийрезонанс, что обусловливает потенциально большое значение относительного изменения коэффициента отражения при спектральном сдвиге резонанса.5. Нелинейно-оптический отклик наноструктур может быть усилен за счётдвух независимых процессов. Одним из них является усиление локальныхполей накачки в областях структур с высоким значением нелинейно-оптической восприимчивости, вторым является усиление вынужденного излучения на частоте оптической гармоники за счёт увеличения плотности фотонных состояний на данной частоте. При возбуждении ТПП наблюдаетсялокализация электромагнитного поля на границе раздела ФК/металл, атакже увеличение плотности фотонных состояний на частоте резонанса.Таким образом целями диссертационной работы являются:• Изучение временной динамики релаксации ТПП в зависимости от углападения и поляризации падающего излучения;• Исследование влияния возбуждения ТПП на спектральную и временнуюзависимость коэффициента отражения структур ФК/металл;• Изучение механизмов усиления нелинейно-оптического отклика структурФК/металл при возбуждении в них таммовских плазмон-поляритонов;• Наблюдение гибридного состояния таммовского и поверхностного плазмон-поляритонов и исследование его свойств.Глава IIФемтосекундная динамика релаксации таммовскихплазмон-поляритоновКак показал обзор литературы, исследование временной динамики возбуждения и релаксации локализованных состояний электромагнитного поля представляет большой интерес с точки зрения создания новых типов активных устройствфотоники и оптоэлектроники.
Время жизни поверхностных и локализованныхплазмон-поляритонов было изучено достаточно подробно, в то время как систематических исследований времени жизни ТПП не проводилось. Перспективность использования ТПП и гибридных состояний ТПП для создания компактных лазеров и сенсоров обусловливает важность исследования временнойдинамики релаксации ТПП, а также изучение влияния возбуждения данногосостояния на временную зависимость оптического и нелинейно-оптического отклика структур, поддерживающих возбуждение ТПП.1. Измерение стационарных оптических свойств таммовских плазмон-поляритонов1.1. Экспериментальные образцыВ ходе выполнения работы было изготовлено три серии экспериментальныхобразцов.
Образцы представляли собой набор диэлектрических слоёв (брэгговский отражатель или одномерный фотонный кристалл), покрытый сверху тонкой полупрозрачной плёнкой металла. Параметры структуры образцов, такиекак толщина и материал, количество слоёв диэлектрика, толщина и тип слояметалла, оптимизировались с помощью расчёта оптических и нелинейно-оптических спектров методом матриц распространения. При расчётах была учтенадисперсия материалов, описанная в работах [104–108]. Схемы образцов представлены на рисунке 2.1.
Все образцы изготавливались методом послойногомагнетронного напыления в вакуумной камере. Значения показателей прелом-Глава II. Фемтосекундная динамика релаксации таммовских ...(а)Au 30 нм(б)45Ag 30 нмSiO2 225 нмTa2O5 90 нмSiO2 130 нмSiO2 145 нмZrO2 110 нмплавленый кварцплавленый кварц(в)Ag 30 нм.. 5 групп.(г)Ta2O5 195 нмSiO2 285 нмTa2O5 165 нмSiO2 240 нмплавленый кварцРис.
2.1: Поперечное сечение образцов серии 1 (а), серии 2 (б), серии 3 (в). Фотография образца серии 2 без плёнки металла (слева) и с ней (справа) (г).ления материалов были определены с помощью эллипсометрии. Оперативныйконтроль толщины напыляемых слоёв проводился с помощью кварцевого резонатора, а для итогового контроля толщины и однородности напыления использовались методы сканирующей электронной и атомно-силовой микроскопии. Кроме основных образцов, представлявших собой структуры «подложкаФК-металлическая плёнка», были изготовлены образцы сравнения, представлявшие собой следующие структуры: «подложка», «подложка-ФК», «подложка-металическая плёнка».1.1.1 Образец серии 1В качестве основы образца серии 1 был выбран фотонный кристалл, состоящий из 6 пар слоев ZrO2 /SiO2 на подложке из плавленого кварца.
Показателипреломления слоев на длине волны 800 нм составляли 1.95 и 1.46 соответствен-Глава II. Фемтосекундная динамика релаксации таммовских ...46но; средние толщины слоев составляли 109 нм (ZrO2 ) и 146 нм (SiO2 ), что соответствует длине волны центра ФЗЗ λB = 850 нм. Спектральное положениетаммовского плазмона зависит от толщины слоя фотонного кристалла, граничащего с металлом. В случае, когда верхним слоем ФК является слой с низкимпоказателем преломления (SiO2 ) толщиной λB /4, ТПП возбуждается на коротковолновом краю ФЗЗ и практически совпадает с одной из волноводных модФК.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
