Воздействие резонансных оптических полей на низкоразмерные гетерофазные системы

Федеральное 1 осударственное унитарное предприятие «Всероссийский научный центр ’’Государственный оптический институт имени С.И. Вавилова"»
На правах рукописи
ВАРТАНЯН Тигран Арменакович
ВОЗДЕЙСТВИЕ РЕЗОНАНСНЫХ ОПТИЧЕСКИХ ПОЛЕЙ НА НИЗКОРАЗМЕРНЫЕ ГЕТЕРОФАЗНЫЕ СИСТЕМЫ
01.04.05 - оптика
Диссертация на соискание ученой степени доктора физико-математических наук
(/г"
Санкт-Петербург
2003
2
Оглавление
Введение 5
Глава 1. Селективное зеркальное отражение оптического излучения на границе 15
разреженной газовой среды
1.1. Нелинейные эффекты при резонансном лазерном возбуждении 21 атомарных паров вблизи поверхности прозрачного диэлектрика
1.1.1. Полевое уптирение узких бездоплеровских резонансов 22
1.1.2. Самодифракция резонансного излучения при отражении от 32 селективного газового зеркала
1.1.3. Оптическое управление продольными периодическими 35 струкгурами вблизи 1раницы разреженной резонансной среды
1.2. Отражение оптического излучения от тонких слоев резонансного газа 42
1.2.1. Интерференционное усиление и гашение бездоплеровских 43 резонансов в линейном режиме
1.2.2. Нелинейная дифракция света на решетке нсустановившейся 46 поляризации в тонком слое резонансных паров
1.2.3. Модификация спектрального контура селективного 52 зеркального отражения с помощью интерференционных покрытий
1.3. Электродинамические эффекты второго порядка но плотности газа в 59 селективном зеркальном отражении
1.3.1. Отражение света потоком атомов, покидающих отражающую 60 поверхность
1.3.2. Природа "синего сдвига" бездоплеровских резонансов 72
селективного зеркального отражения
1.3.3. Влияние поправки на локальное поле на положение резонансов селективного зеркального отражения Глава 2. Динамика коллективных электронных возбуждений в металлических наночастицах
2.1. Генерация второй и третьей оптических гармоник в ансамблях металлических кластеров с неоднородным уширением плазменных переходов
2.1.1. Влияние неоднородного утирения на достоверность результатов измерения времени дефазировки поверхностного плазмона по автокорреляционной методике
2.1.2. Универсальная связь между линейными спектрами поглощения и результатами автокорреляционных измерений
2.2. Прожигание постоянных провалов в спектрах поглощения ансамблей металлических наночастиц
2.2.1. Селективное изменение формы и размеров частиц при лазерном воздействии
2.2.2. Моделирование формы провалов в неоднородно упшренных спектрах поглощения ансамблей металлических частиц
2.2.3. Полевое уширение спектральных провалов
2.2.4. Применение техники прожигания спектральных провалов для измерения однородных ширин и истинных времен дефазировки коллективных электронных возбуждений в металлических наночастицах в зависимости от их формы, размера и химического окружения.
Заключение
Рисунки
Литература
Введение
Актуальность работы
Гетерофазные системы пониженной размерности в последнее время стали предметом очень активных экспериментальных и теоретических исследований. Необходимость таких исследований связана с одной стороны с тем, что физические процессы, протекающие в пространственно ограниченных системах и на границах раздела фаз играют все большую роль в современных промышленных технологиях, а с другой стороны с тем, что непосредственное использование результатов, полученных для больших объемов однородных веществ, оказывается, как правило, невозможным из-за появления в гетерфазных низкоразмерных системах новых свойств, отсутствующих у однордных веществ, из которых они состоят.
Настоящая работа посвящена воздействию резонансных оптических нолей на гетерофазные системы пониженной размерности. Интерес к оптическим свойствам низкоразмерных систем связан в основном с двумя обстоятельствами. Во-первых, развитие лазерной техники привело к тому, что электромагнитные поля оптических частот по дешевизне и легкости управления начинают приближаться к полям мегагерцового диапазона, па исключительное использование которых до последнего времени опиралась традиционная электроника. В то же время, значительно более высокая частота, а следовательно, и информационная емкость оптических полей, делает их использование весьма привлекательным. Во-вторых, успехи в создании наноразмерных структур позволяют в известной мере избавиться, или, по крайней мере, значительно ослабить влияние основного недостатка оптического излучения - невозможности пространственной локализации свободных полей в области размером меньше длины
6
волны. Так, например, поле оптической частоты, резонансной поверхностному плазмону, локализованному в напоразмсрной металлической частицы, сосредоточено, в основном, в области размером немногим большим размера самой металлической частицы, который может быть в сто раз меньше оптической длины волны.
С теоретической точки зрения системы пониженной размерности характеризуются прежде всего сильным влиянием границ, так как понижение размерности в действительности реализуется за счет сильного пространственного ограничения по определенному числу координат. Близость поверхностей раздела приводит к частым столкновениям частиц с поверхностью, что заметно усложняет теоретическое описание, делая необходимым включение в него элементарных нестационарных переходных процессов даже при описании явлений, стационарных с макроскопической точки зрения. В ряде случаев это приводит к значительному усложнению математического аппарата и необходимости подробного теоретического анализа явлений, прежде чем наблюдаемые экспериментально эффекты будут связаны с процессами, идущими на микроскопическом уровне. Таким образом, создание адекватных теоретических моделей оптических процессов в гетерофазных системах пониженной размерности и их количественный анализ были и остаются актульными проблемами теоретической физики.
Шншшіщжеуш
Границу раздела между резонансно поглощающей газовой средой и прозрачным диэлектриком можно считать простейшим примером двумерной системы с оптическими свойствами, несводимыми к макроскопическим характеристикам прилегающих к ней
7
трехмерных сред. В первой половине прошлого века отражение резонансного оптического излучения от границы газовой среды рассматривалось как тривиальная иллюстрация законов физической оптики [1]. Использование этого явления для изучения взаимодействия атомов между собой и с поверхностью твердого тела стало возможным лишь после экспериментального обнаружения [2] и теоретической интерпретации [2, 3] свободных от донлеровского уширсния узких резонансов в спектрах отражения. Прежде всего было определено резонансное столкновительное уширение в центре атомных линий, недоступное для обычной абсорбционной спектроскопии из-за эффектов самопоглощсния в оптически плотных атомарных парах [4]. Были измерены также константы ван-дер-ваальсова взаимодействия между поверхностью твердого тела и резонансно возбужденным атомом, для которых других методов измерения неизвестно [5]. В то же время неразработанность теоретического описания привела к возникновению ряда проблем и парадоксов при попытках обработки экспериментальных данных без учета таких сопутствующих обстоятельств как нсэкспоненциалъный характер поглощения излучения в среде, отличие локального поля от среднего, насыщение атомных переходов и взаимное влияние различных факторов, вызывающих сдвиг, уширение и деформацию спектрального контура линий селективного зеркального отражения. В первой главе настоящей диссертации излагается решение части возникших теоретических проблем, препятствовавших более широкому использованию диагностических возможностей отражательной спектроскопии разреженных газовых сред. Особое внимание уделено нелинейно-оіггическим процессам при отражении резонансного оптического излучения от границы разреженной газовой среды [6], эффектам второго порядка по оптической плотности среды [7] и отражению резонансного излучения от сверхтонких слоев резонансных сред (8].
По сравнению с объемной металлической фазой малые металлические частицы, окруженные диэлектрической средой, можно считать системами нулевой размерности.
8
Уже при макроскопическом описании [9] были выявлены существенные отличия оптических свойств малых металлических частиц от оптических свойств протяженных трехмерных металлических тел. Резонансное поглощение и рассеяние оптического излучения металлическими частицами с размерами порядка десятков нанометров принято описывать как возбуждение локализованного поверхностного плазмона. Из-за частых столкновений электронов проводимости с поверхностью металлической частицы оптические характеристики локализованного поверхностного плазмона не могут быть выведены из макроскопических характеристик металла. Так как с точки зрения современных приложений особенно важно определение времени жизни плазмона, то на измерение имено этой характеристики были направлены основные усилия экспериментаторов. Среди использованных подходов необходимо назвать работы по исследованию изолированных металлических частиц [10], измерение оптических свойств упорядоченных массивов идентичных частиц, созданных с помощью электроннной литографии [11], и применения различных вариантов автокорреляционной методики, основанной на генерации второй и третьей гармоник падающего излучения иа поверхности металлических частиц [12]. Ограничения первых двух подходов очевидны. В первом случае, при работе с одной единственной частицей отношение сигнал/шум оказывается довольно низким, что не позволяет исследовать малые частицы. Кроме того, такого рода измерения в условиях высокого вакуума до сих пор не реализованы, так что состояние поверхности металлической частицы в точности не известно. Второй метод несомненно имеет большие перспективы, но в настоящее время размер частиц также ограничен снизу величиной порядка 50 нм, так как разброс параметров более мелких частиц оказывается недопустимо большим. Следует также отметить исключительную дороговизну образцов, полученных с помощью электронной литографии. Применение автокорреляционной методики было связано с надеждой на создание относительно простого метода, позволяющего определять время жизни плазмонов в ансамблях
9
металлических частиц, выращенных на подложках в условиях естественной самоорганизации островковой металлической пленки. Во второй главе настоящей диссертации проведен подробный теоретический анализ автокорреляционной методики, который показал, что неоднородное уширение плазмонного резонанса, связанное с разбросом резонансных частот плазмонов в разных металлических частицах из-за их различия по форме, существенно сказывается на результатах измерений и делаег однозначное определение времени жизни плазмона по автокорреляционной методике невозможным. Для однозначного определения времени жизни плазмонов в малых металлических частицах мы предложили использовать технику прожигания постоянных спектральных провалов. Теоретическая модель, позволяющая извлекать параметры индивидуальных резонансное из простых оптических экспериментов с ансамблями металлических частиц, выращенных в хорошо контролируемых условиях высокого вакуума, описана в тексте диссертации. Приведены также первые результаты полученные по этой методике.
Содержание
Диссертация состоит из введения, двух глав, разделенных на пять разделов и 15 подразделов, и заключения. Первая глава посвящена селективному зеркальному отражению оитичсского излучения от границы разреженной газовой среды.
В нервом разделе первой главы излагаются результаты начатых нами в 1985 году теоретических исследований нелинейных эффектов при резонансном лазерном возбуждении атомарных паров вблизи поверхности прозрачного диэлектрика. Показано, что при повышении мощности излучения субдоплеровские резонансы селективною зеркального отражения уширяются, а их амплитуда уменьшается, причем мощность, при которой могут наблюдаться нелинейные эффекты в окрестности субдоплеровского
10
резонанса, значительно меньше мощности, необходимой для насыщения всего доплеровски уширенного контура спектральной линии. Далее, эти результаты используются для расчета эффективности самодифракции резонансного излучения при отражении от границы резонансной среды и приводятся результаты соответствующих экспериментов. Насыщение оптических переходов в атомах, испытавших столкновение с отражающей свет поверхностью и возвращающихся в газовый объем, приводит к осцилляциям заселенности атомных уровней и интенсивности прошедшего в газ излучения. Демонстрируется возможность оптического управления продольными периодическими структурами вблизи границы разреженной резонансной среды.
Во втором разделе первой главы рассмотрены особенности отражения света от тонких слоев резонансного газа. Показано, что уже в линейном режиме переходные процессы установления поляризации атомов, испытавших столкновения с передней и задней границами резонансной среды приводят к своеобразным интерференционным эффектам, вследствие которых спектр отражения приобретает сложную структуру с несколькими максимумами и минимумами, а амплитудный коэффициент селективного отражения может, в оптимальных условиях, превысить амплитудный коэффициент селективного отражения от толстого слоя резонансного газа в четыре раза, в то время как обычные интерференционные эффекты приводят лишь к удвоению амплитудного коэффициента отражения. Рассмотрены также нелинейные эффекты в тонких слоях и приведены результаты расчетов диффракционной эффективности тонкого слоя резонансных паров в зависим ост от толщины слоя и отстройки частоты падающего излучения от точного резонанса с частотой перехода в покоящемся атоме. В конце этого раздела приведены результаты расчета, демонстрирующего возможность модификации спектрального контура селективного зеркального отражения с помощью интерференционных покрытий. Найдены условия, а именно, толщины и показатели преломления допотштсльных покрытий, при которых спектральный контур селективного
11
зеркального отражения от границы разреженной резонансной среды определяется не вещественной, а мнимой частью ее поверхностного адмиттанса (обратного имнедапса).
В третьем разделе первой главы рассмотрены электродинамические эффекгы второго порядка по плотности газа в селективном зеркальном отражении. Показано, что основной вклад в сдвиг максимума отражения в сторону более высоких частот обусловлен совместным действием атомов подлетающих к отражающей свет хранице и атомов, отлетающих от нее. Рассчитан численный коэффициент, определяющий величину спектрального сдвига при известных плотностях налетающих на границу и отлетающих от нее атомов. Определено влияние поправки, связанной с отличием локального поля от среднего, на положение резонансов селективного зеркального отражения.
Вторая глава посвящена динамике коллективных электронных возбуждений в металлических наночастицах. В первом разделе второй главы обсуждается возможность применения автокорреляционной методики при генерации второй и третьей оптических гармоник в ансамблях металлических кластеров с неоднородным уширением плазмонных переходов для измерения времени дефазировки поверхностного плазмона В рамках предпоженой теоретической модели продемонстрирована универсальная связь между линейными спектрами поглощения и результатами автокорреляционных измерений, и, тем самым, невозможность использования автокорреляционной методики для однозначного определения времени дефазировки в условиях неоднородного уширения плазмонного резонанса. Во втором разделе второй главы изложена идея использования техники прожигания постоянных спскгральньгх провалов для однозначного определения времени дефазировки плазмонного резонанса. Обоснована возможность селективной модификации распределения металлических частиц по размерам и формам под воздействием интенсивного лазерного облучения. Построена теоретическая модель и обоснована методика определения времен дефазировки по измерениям линейных спектров экстинкции до и после лазерного облучения. Приведены результаты измерений