Оглавление
су
1
Оглавление
Введение 4
Глава I
Обзор литературы 9
1. Фотонные кристаллы: основные понятия........................... 9
1.1. Микроструктуры с фотонной запрещенной зоной: определение и основные понятия.................................... 9
1.2. Виды и способы изготовления фотонных кристаллов 13
1.3. Оптические эффекты в фотонных кристаллах............... 15
2. Поверхностные волны в фотонных кристаллах..................... 17
2.1. Распространение поверхностных электромагнитных волн: основные понятия........................................... 17
2.2. Оптические свойства поверхностных поляритонов.......... 19
2.3. Поверхности],10 электромагнитные волны в фотонных кристаллах .................................................... 25
3. Эффект Гуса-Хенхен на поверхностях металлов и диэлектриков . 28
3.1. Основные понятия....................................... 28
3.2. Экспериментальные особенности наблюдения эффекта Гуса-Хенхен .................................................... 32
3.3. Усиление эффекта Гуса-Хенхен при отражении от поверхностей металлов............................................ 33
3.4. Усиление эффекта Гуса-Хенхен поверхностными волнами
в фотонных кристаллах................................... 34
4. Нелинейная оптика в фотонных кристаллах....................... 37
4.1. Описание генерации оптических гармоник в объеме и на поверхности нелинейных сред................................ 37
4.2. Влияние дисперсии среды на эффективности генерации оптических гармоник.......................................... 40
4.3. Фазовый квазисинхронизм при генерации второй гармоники в периодических средах.................................. 43
4.4. Нелинейная дифракция в периодических средах....... 45
5. Цели работы................................................... 50
Оглавление
2
Глава II
Поверхностные волны в одномерных фотонных кристаллах 52
1. Феноменологическое описание поверхностных волны в одномерных фотонных кристаллах методом матриц распространения .... 52
2. Поверхностные волны в одномерных фотонных кристаллах 59
2.1. Экспериментальные установки и образцы................. 59
2.2. Спектроскопия резонанса поверхностных электромагнитных волн в одномерных фотонных кристаллах................. 62
2.3. Оптическая микроскопия поверхностных электромагнитных волн в одномерных фотонных кристаллах................. 64
3. Исследование усиления флуоресценции красителя поверхностными волнами в одномерных фотонных кристаллах............... 66
3.1. Описание образцов и экспериментальной установки 66
3.2. Спектроскопия интенсивности флуоресценции красителя . 68
3.3. Скорость выгорания красителя.......................... 68
Глава III
Эффект Гуса-Хенхен в одномерных фотонных кристаллах 72
1. Эффект Гуса-Хенхен при наличии поверхностных воли в одномерных фотонных кристаллах: расчет методом матриц распространения ........................................................... 72
2. Оценка величины эффекта Гуса-Хенхен из угловой спектроскопии отражения................................................. 77
2.1. Описание образцов и экспериментальной установки 77
2.2. Экспериментальные результаты.......................... 79
2.3. Оценка длины свободного пробега ПЭВ и сдвига Гуса-Хенхен из аппроксимации угловых спектров коэффициента отражения................................................. 81
3. Микроскопия эффекта Гуса-Хенхен.............................. 84
3.1. Экспериментальный подход к исследованию эффекта Гуса-Хенхен методом оптической микроскопии..................... 84
3.2. Экспериментальные результаты.......................... 88
3.3. Интерпретация результатов............................. 89
Оглавление З
Глава IV
Нелинейная дифракция в искусственных опалах 90
1. Описание оптических свойств образцов искусственных опалов, исследование влияния иммерсии на проявление фотонной запрещенной зоны....................................................... 90
1.1. Экспериментальные установки и образцы............... 90
1.2. Дифракция света в опалах при падении света в плоскости, перпендикулярной ростовой поверхности..................... 92
1.3. Дифракция света в опалах при падении света в плоскости, параллельной ростовой поверхности........................ 100
2. Описание нелинейной дифракции в трехмерных фотонных крис-тачлах методом Эвальда................................... 102
3. Нелинейная дифракция второй и третьей оптических гармоник в образцах искусственных опалов............................ 106
3.1. Экспериментальная установка......................... 106
3.2. Угловые спектры интенсивности второй гармоники...... 108
3.3. Угловые спектры интенсивности третьей гармоники 110
3.4. Интерпретация полученных результатов................ 113
Заключение 118
Список литературы
120
Введение
4
Введение
Общая характеристика работы
Диссертационная работа состоит из двух частей, первая из которых посвящена исследованию особенностей генерации и распространения поверхностных электромагнитных волн в фотонных кристаллах, вторая — изучению явлений линейной и нелинейной дифракции света в трехмерных фотонных кристаллах синтетических опалов. Особое внимание уделено исследованию эффекта Гуса-Хенхен, усиленного поверхностными электромагнитными волнами, в фотонных кристаллах.
Одним из направлений современной оптики является поиск новых способов управления интенсивностью, локализацией и направлением распространения света и создание структур, обладающих такими способностями. В связи с этим в настоящее время активно развивается область оптики, занимающаяся исследованием оптических, в том числе нелинейно-оптических, эффектов в микроструктурах с фотонной запрещенной зоной — фотонных кристаллах (ФК). Многообразие оптических и нелинейно-оптических эффектов, существующих в ФК, таких как гигантская оптическая дисперсия, локализация ноля, аномально малая групповая скорость света на краю фотонной запрещенной зоны, делает их перспективными объектами для создания на их основе устройств современной фотоники и оптоэлектроники, например, волноводов и оптических переключателей. По аналогии с поверхностными поляритонами в кристаллах, в ФК существует решение уравнений Максвелла, отвечающее возбуждению поверхностных электромагнитных волн (Г1ЭВ), распространяющихся вдоль границы раздела ФК — диэлектрик. В силу того, что ПЭВ распространяются в обеих средах, их характеристики и условия возбуждения зависят не только от свойств ФК, но и от свойств второй среды. По сравнению с поверхностными плазмон-поляритонами, ПЭВ в фотонных кристаллах обладают более узким спектрально-угловым резонансом и большей длиной свободного пробега, что открывает возможность их применения в оптических сенсорах. Характеристики ПЭВ в ФК, такие как широкий спектральный диапазон возбуждения, малое поглощение и большая длина свободного пробега, позволяют ожидать увеличения чувствительности сенсоров, использующих ПЭВ, по сравнению с существующими сенсорами на основе резонанса поверхностных плазмон-поляритонов.
Локализация поля вблизи границы раздела в присутствии ПЭВ обуслав-
Введение
5
ливает усиление оптических и нелинейно-оптических эффектов, зависящих от интенсивности падающего света, таких как генерация оптических гармоник или флуоресценция красителя. Другие эффекты, например, эффект Гуса-Хенхен, представляющий собой сдвиг отраженного луча относительно положения, определяемого геометрической оптикой при полном внутреннем отражении от идеального зеркала, могут быть усилены за счет дополнительного переноса энергии, обеспечиваемого ПЭВ. Исследование влияния ПЭВ на эффект Гуса-Хенхен при отражении от поверхности ФК открывает дополнительные возможности для развития технологии оптических сенсоров.
С точки зрения нелинейной оптики, ФК представляют интерес как структуры, способные усиливать эффективность генерации оптических гармоник за счет выполнения условий фазового квазисинхронизма с участием вектора обратной решетки. В неколл и псарном случае, когда фазовый квазисинхронизм обеспечивается выполнением нелинейного аналога закона Брегга-Вульфа, такой процесс называют нелинейной дифракцией. Нелинейная дифракция хорошо исследована в одномерных или двумерных оптических сверхрешетках. В них длина вектора обратной решетки много меньше длины волнового вектора излучения, что ограничивает пространственный диапазон направлений распространения прогенерированного в кристалле излучения. В ФК длина вектора обратной решетки сравнима с длиной волнового вектора излучения, генерируемого в структуре, что позволяет ожидать увеличения числа возможных направлений и значений углов нелинейной дифракции.
Трехмерные ФК дают широкие возможности для исследования и последующего применения неколлинеарной дифракции, поскольку в них дифракция не ограничена плоскостью и дифракционный максимум может быть получен практически в любом направлении. Примером трехмерного ФК служит синтетический опал, представляющий собой искусственно изготовленную илот-ноупакованную структуру, в узлах которой находятся сферические частицы аморфного диоксида кремния субмикронного размера. Трехмерная периодичность структуры синтетических опалов дает возможность ожидать появления дифракционных пиков одновременно в нескольких направлениях.
Целями диссертационной работы являются исследование свойств поверхностных электромагнитных волн в одномерных фотонных кристаллах, обнаружение эффекта Гуса-Хенхен на поверхности фотонных кристаллов, а также экспериментальное обнаружение и исследование процессов генерации второй и третьей оптических гармоник в образцах синтетических опалов в условиях нелинейной дифракции при одновременной пространственной модуляции линейной и нелинейной восприимчивостей.
Введение
6
Актуальность проведенных исследований обусловлена фундаментальным интересом к изучению новых оптических и нелинейно-оптических эффектов в ФК, таких как генерация поверхностных состояний и нелинейная дифракция света в нсколлинеарных направлениях, а также развитию связанных с ними аналогий между физикой ФК и физикой твердого тела. Приведенные в работе исследования являются перспективными для применений в устройствах оптической сенсорики, в частности, оптических биосенсорах и сенсорах, чувствительных к изменениям условий окружающей среды, например, оптических газовых сенсорах. Результаты работы могут быть использованы в качестве основы для создания нового типа оптических сенсоров на основе генерации ПЭВ в ФК.
Практическая ценность работы состоит в развитии возможностей применения ПЭВ на поверхности ФК в оптических сенсорах в качестве аналога поверхностных плазмон-поляритоиов, а также в выяснении применимости синтетических опалов в качестве основы для нового типа нелинейных сред.
Научная новизна работы состоит в следующем:
— впервые проведено исследование влияния ПЭВ на интенсивность флуоресценции красителя, нанесенного на поверхность ФК;
— предложен новый способ измерения величины эффекта Гуса-Хенхен методом оптической флуоресцентной микроскопии в дальней зоне;
— впервые проведены исследования влияния ПЭВ на величину эффекта Гуса-Хенхен при отражении света от ФК, установлена зависимость величины сдвига Гуса-Хенхен от структуры ФК;
— впервые щюведено исследование эффекта нелинейной дифракции света в трехмерном ФК синтетического опала.
Работа имеет следующую структуру:
— первая глава посвящена обзору литературы, касающейся теоретического и экспериментального исследования линейных и нелинейных оптических свойств фотонных кристаллов, а также методов их описания.
— во второй главе представлены результаты экспериментального и численного исследования возбуждения и оптических свойств ПЭВ в фотонных кристаллах.
— третья глава содержит описание новой методики измерения сдвига Гуса-Хенхен методом оптической флуоресцентной микроскопии, результаты
Введение
7
численного и экспериментального исследования усиления сдвига Гуса-Хенхен ПЭВ в фотонных кристаллах.
— четвертая глава посвящена экспериментальному исследованию линейной и нелинейной дифракции в синтетических опалах, приводятся результаты угловой спектроскопии ВГ и ТГ в образце синтетического опала, обсуждаются механизмы усиления нелинейное отклика и возможные причины уширения дифракционных максимумов
На защиту выносятся следующие основные положения:
о Метод оптической и флуоресцентной микроскопии поверхности в дальней зоне применим для исследования поверхностных электромагнитных волн в одномерных фотонных кристаллах.
о Интенсивность флуоресценции красителя, нанесенного па поверхность фотонного кристалла, возрастает за счет локализации поля в поверхностной электромагнитной волне.
о Наблюдение эффекта Гзюа-Хенхен, вызванного поверхностной электромагнитной волной, осуществлено при отражении от границы раздела фотонный кристалл — воздух. Величина сдвига Гуса-Хенхеи увеличивается за счет поверхностных электромагнитных волн не менее, чем в два раза, но сравнению с величиной сдвига, наблюдаемого при отражении от металлических поверхностей.
о Усиление генерации второй и третьей оптических гармоник в трехмерных фотонных кристаллах синтетических опалов наблюдается в некол-линеарных направлениях при выполнении условий эффективной дифракции, определяемых нелинейным аналогом закона Врэгга-Вульфа. Усиление генерации третьей оптической гармоники наблюдается в двух направлениях за счет одновременной нелинейной дифракции света на кристаллографических направлениях 1111] и [111] решетки синтетического опала.
Апробация работы проводилась на следующих конференциях:
Международная конференция “FiO/LS/OF&T/OPE 2006” (Рочестер, СИГА, 2006);
Международная конференция “3rd International Conference on Materials Science and Condensed Matter Physics” (Кишинев, Молдова, 2006);
Международная конференция “SPIE Photonics West 2007” (Сан-Хосе, США, 2007);
Владение
8
Международная конференция “4th International Conference On Materials Science And Condensed Matter Physics” (Кишинев, Молдова, 2008);
Международная конференция “SPIE Europe Optics + Optoelectronics 2009” (Прага, Чехия, 2009);
Международная конференции “Quantum Electronics and baser Science Conference (QELS)” (Сан-Хосе, США, 2010);
Международная конференция “ICONO/LAT 2010” (Казань, Россия, 2010); Международная конференция “Frontiers in Optics (FiO) 2010” (Рочестер, США, 2010).
9
Глава І
Обзор литературы
1. Фотонные кристаллы: основные понятия
1.1. Микроструктуры с фотонной запрещенной зоной: определение и основные понятия
Фотонные кристаллы являются специальным классом периодических сред, обладающих периодичностью диэлектрической проницаемости в одном или нескольких направлениях. Отличительным свойством является наличие у них фотонной запрещенной зоны — области частот, при которых падающее излучение не распространяется внутрь среды (рисунок ]). Простым одномерным случаем фотонного кристалла является периодическая среда, состоящая из чередующихся слоев с толщинами а и Ь и показателями преломления П) и п-2, соответственно. Показатель преломления всей среды п(г) при этом является периодической функцией координаты г, направленной перпендикулярно границам раздела слоев, и удовлетворяют условию периодичности п(х) = п(г 4- Л), где Л = а + Ь — период среды. Возникновение фотонной запрещенной зоны проще всего продемонстрировать для случая одномерного фотонного кристалла, используя формализм Ярива и Юха [1]. Распространение монохроматического электромагнитного поля в фотонном кристалле описывается уравнениями Максвелла в приближении немагнитных сред:
где Ецг, Нцг — вектора напряженности электрического и магнитного полей в кристалле и среде, £1,2 — диэлектрическая проницаемость кристалла и однородной среды, соответственно, £ — время. Решения уравнений (1) можно записать в виде плоских воли, называемых модами электромагнитного поля:
ГОІ Е; = --І7НІ, СОІ
гоі Нг = Єі-—Еі, сдЬ
<ііV ЄіЕі = О,
сііу Н, = 0, г = 1,2,
О)
Е = Ек(г)е~ІКг
Н = Нк(г)е
—іКг
характеризующиеся амплитудами Ек и Нк и квазиволновым вектором К.
- Київ+380960830922