Диссертация (1105425), страница 9
Текст из файла (страница 9)
Для сдвига длины волны резонанса ТПП в область запрещенной зоны, толщина верхнего слоя SiO2 была увеличена на 80 нм SiO2 . На итоговый образецбыла напылена плёнка золота толщиной 30 нм.1.1.2 Образец серии 2Фотонный кристалл образца серии 2 представлял собой набор из 7 пар слоёвSiO2 /Ta2 O5 на подложке из плавленого кварца толщиной 500 мкм. Показателипреломления на длине волны 800 нм составляли 1.45 и 2.07 соответственно, асредние толщины составляли 90 нм для слоёв Ta2 O5 и 130 нм для слоёв SiO2 .Параметры структуры были выбраны таким образом, чтобы ТПП возбуждалсяв образце серии 2 на длине волны 800 нм при угле падения 20◦ . В отличие отобразца серии 1 верхним слоем ФК, граничащим с металлом, был слой с высоким показателем преломления.
В работе использовались две модификацииданного образца: в первой на ФК напылялся слой серебра толщиной 30 нм, вовторой — слой золота той же толщины. Образец покрытый серебряной плёнкой был дополнительно пассивирован слоем оксида алюминия Al2 O3 толщиной10 нм, который не влиял на оптические свойства образца, однако препятствовалдеградации серебра из-за взаимодействия с воздухом [109].1.1.3 Образец серии 3Структура фотонного кристалла образца серии 3 представляла собой пять групп,каждая из которых состояла из четырех слоев, т.е. была следующей: (ABA*B*)5 .Слои типа A состояли из SiO2 , причем толщина слоёв A составляла 240 нм, аслоёв A* — 285 нм. Слои типа B состояли из Ta2 O5 , причем толщина слоёв BГлава II. Фемтосекундная динамика релаксации таммовских ...47составляла 165 нм, а слоёв B* — 195 нм.
Верхним слоем ФК был слой Ta2 O5толщиной 195 нм. ФК был напылён на подложку из плавленого кварца толщиной 500 мкм. Сверху на ФК был напылён слой серебра толщиной 30 нм. Фотография образца серии 3, полученная с помощью сканирующего электронногомикроскопа, показана на рисунке 2.2. В классических брэгговских отражате-Рис. 2.2: Микрофотография среза образца серии 3, полученная с помощью сканирующего электронного микроскопа.лях фотонный кристалл представляет собой набор пар слоёв четвертьволновойтолщины, поскольку в этом случае реализуется наибольшая ширина фотоннойзапрещённой зоны ФК [110].
Оптическая толщина слоёв ФК определяет спектральное положение фундаментальной ФЗЗ, однако существуют также кратные запрещённые зоны. В общем случае из-за нелинейности закона дисперсииматериалов слоёв ФК центральные частоты кратных ФЗЗ не равны в точности произведению центральной частоты фундаментальной ФЗЗ на натуральные числа.
Вышесказанное справедливо и для резонансных частот таммовскихплазмон-поляритонов. Однако в работах [86, 111] было показано, что при использовании «двухпарной» геометрии, когда ФК состоит из двух подрешетокс отличающимися периодами, можно добиться того, что частота возбужденияТПП, например, третьего порядка, в точности равна утроенной частоте возбуждения фундаментального ТПП при определённом угле падения излученияГлава II.
Фемтосекундная динамика релаксации таммовских ...48на структуру. Необходимость выполнения именно этого условия будет подробнообъяснена в части 3 главы III.1.2. Спектроскопия коэффициентов отражения и пропускания исследуемыхобразцовДля исследования стационарных оптических свойств таммовских плазмон-поляритонов была проведена серия измерений спектров коэффициентов отражения и пропускания структур ФК/металл и образцов сравнения для различныхуглов падения и поляризаций падающего излучения. Спектры коэффициентапропускания и отражения образца серии 1 при угле падения излучения 10◦показаны на рисунке 2.3 красными и чёрными точками соответственно.
В спек1.0R, T0.80.60.40.20.04005006007008009001000,Рис. 2.3: Спектры коэффициентов пропускания (красные точки) и отражения (чёрные точки) образца серии 1 при угле падения излучения на структуру равном 10◦ .трах можно выделить области фотонной запрещённой зоны ФК, находящейсяна длинах волн между 700 нм и 1050 нм. На длине волны 790 нм в спектрахвидны резонансы, соответствующие возбуждению таммовского плазмон-поляритона, причём его возбуждение приводит к уменьшению коэффициента отра-Глава II. Фемтосекундная динамика релаксации таммовских ...49жения от 0.8 — в центре ФЗЗ до 0.1 — в минимуме резонанса и к увеличениюкоэффициента пропускания от 0.01 — в центре ФЗЗ до 0.25 — в максимуме резонанса. При увеличении угла падения излучения θ на структуру, наблюдаетсясмещение спектрального резонанса ТПП в коротковолновую область. Смещение резонанса ТПП при увеличении угла падения излучения связано со смещением фотонной запрещенной зоны из-за уменьшения нормальной компонентыволнового вектора падающего излучения.
Кроме того, существует зависимостьцентральной длины волны резонанса ТПП λc от поляризации падающего излучения. На рисунке 2.4 приведены зависимости спектрального положения резонанса таммовского плазмон-поляритона от угла падения для s и p поляризацийизлучения. С увеличением угла падения положение резонанса как для s, так и800ps,78076074072070001020304050,Рис. 2.4: Зависимость центральной длины волны резонанса таммовского плазмонполяритона от угла падения излучения. Чёрные точки — p поляризация, красныеквадраты — s поляризация. Сплошными кривыми показаны результаты численногорасчёта.для p поляризации смещается в коротковолновую область спектра, при этомспектральное расстояние между резонансами для различных поляризаций па-Глава II.
Фемтосекундная динамика релаксации таммовских ...50дающего излучения увеличивается. Сплошными кривыми на рисунке показанырезультаты численного расчета дисперсионных кривых ТПП для различныхполяризаций. Зависимости λc (θ) описываются формулойλc = λ0 − βsin2 (θ),(2.1)причем λ0 = 798 нм, а параметр β отличается для s и p поляризаций.На рисунке 2.5 красными точками показан спектр коэффициента пропускания фотонного кристалла образца серии 2 при нормальном падении излученияна структурe, измеренный на спектрофотометре Shimadzu. В спектре видна1.00.80.60.40.20.04006008001000120014001600,Рис. 2.5: Спектры коэффициента пропускания фотонного кристалла образца серии2 (красные точки) и фотонного кристалла покрытого плёнкой серебра толщиной30 нм (чёрные точки), измеренные при нормальном падении излучения на структуру.
Сплошными кривыми показаны результаты численного расчёта методом матрицраспространения.фотонная запрещенная зона ФК на длинах волн между 660 нм и 920 нм. Чёрными точками на том же рисунке показан спектр коэффициента пропусканияГлава II. Фемтосекундная динамика релаксации таммовских ...51ФК с напылённой плёнкой серебра толщиной 30 нм.
Коэффициент пропусканияобразца с металлической плёнкой в среднем меньше, чем «чистого» фотонногокристалла, однако в окрестности длины волны 820 нм наблюдается резонансноеувеличение пропускания, связанное с возбуждением ТПП. Значение коэффициента пропускания в максимуме резонанса ТПП достигает 0.52, в то время какв центре ФЗЗ оно не превосходит 0.01. Сплошными кривыми на рисунке 2.5показаны результаты численного расчёта спектров коэффициента пропусканияметодом матриц распространения.
Расчёты в целом хорошо совпадают с результатами эксперимента. Отличия могут быть объяснены тем, что в экспериментесуществовала небольшая угловая расходимость пучка падающего излучения и,кроме того, излучение на выходе из монохроматора имело конечную ширинуспектра, в то время как в численных расчётах падающее излучение считалосьстрого монохроматическим с плоским волновым фронтом.Спектры коэффициента пропускания фотонного кристалла и образца серии3 при нормальном падении излучения показаны на рисунке 2.6 чёрной и краснойкривыми соответственно. В спектре ФК видны фундаментальная запрещённаязона на длинах волн между 1320 нм и 1720 нм, а также ФЗЗ третьего порядка надлинах волн между 490 нм и 535 нм.
Легко заметить, что центральная частотаФЗЗ третьего порядка не равна утроенной частоте фундаментальной ФЗЗ, чтосвязано с нелинейным законом дисперсии материалов, составляющих ФК. Принапылении металла на ФК происходит существенное уменьшение коэффициента пропускания, связанное с поглощением в металле. Одновременно внутриФЗЗ возникают резонансы пропускания, связанные с возбуждением таммовских плазмон-поляритонов.
Центральные длины волн данных резонансов равны1570 нм и 530 нм для фундаментального ТПП и ТПП третьего порядка соответственно. Максимальная величина коэффициента пропускания в резонансефундаментального ТПП составляет 0.21, а в резонансе ТПП третьего порядка — 0.5. Можно отметить, что спектральное положение резонанса ТПП третьего порядка практически совпадает с длинноволновым краем ФЗЗ третьегопорядка. Однако расчёты пространственного распределения электромагнитно-Глава II.
Фемтосекундная динамика релаксации таммовских ...521.00.80.60.40.20.0480 500 520 5401300 1500 1700 1900,Рис. 2.6: Спектры коэффициента пропускания фотонного кристалла образца серии 3(чёрная кривая) и фотонного кристалла, покрытого плёнкой серебра толщиной 30 нм(красная кривая), измеренные при нормальном падении излучения на структуру.го поля на длине волны 530 нм показали, что данное распределение имеет вид,характерный именно для моды ТПП.
При увеличении угла падения излученияна образец оба резонанса ТПП смещаются в коротковолновую область спектравслед за фотонными запрещенными зонами. Важно отметить, что при увеличении угла падения, спектральное смещение фундаментального резонанса ТППмного больше спектрального смещения резонанса ТПП третьего порядка. Таким образом, при угле падения, равном примерно 20◦ , выполняются условия,при которых длина волны фундаментального резонанса ТПП в точности равнаутроенной длине волны резонанса ТПП третьего порядка.В таблице 1 приведена информация о том образцы какой серии использовались в экспериментах.Глава II. Фемтосекундная динамика релаксации таммовских ...53Таблица 1: Использование образцов в экспериментах.Серия123Тип экспериментаРаздел диссертацииФемтосекундная спектроскопия отражениячасть 4 Главы IIГенерация второй гармоникичасть 1 Главы IIIГибридные состояния ТПП и ПППГлава IVИзмерение времени жизни ТППчасть 2 Главы IIГенерация второй гармоникичасти 1,2 Главы IIIГенерация третьей гармоникичасть 3 Главы III2.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
