Резонансные оптические и магнитооптические эффекты в наноструктурах и фотонных кристаллах

Оглавление
Оглавление
Введение 6
Глава I
Резонансные эффекты и способы их изучения в наноструктурах и фотонных кристаллах 16
1. Магнитооптические свойства однородной среды............ 16
1.1. Тензор диэлектрической проницаемости прозрачной среды................................................. 16
1.2. Собственные моды................................ 18
1.3. Магнитооптические явления....................... 19
2. Резонансные оптические и магнитооптические эффекты, вызванные локальными и поверхностными плазмон-полярито-нами....................................................... 23
2.1. Локальные плазмоны в металлических наночастицах 23
2.2. Поверхностные илазмон-поляритоны на границе раздела металл-диэлектрик................................ 23
2.2.1. Понятие аномалии Вуда...................... 26
2.2.2. Экстраординарное оптическое пропускание.... 27
2.3. Усиление магнитооптическое эффекта Керра локальными плазмонами................................... 28
3. Резонансные оптические и магнитооптические эффекты в тонких пленках и одномерных фотонных кристаллах 29
3.1. Оптические эффек ты в тонких пленках............ 29
3.1.1. Многолучевая интерференция плоской монохроматической волны в тонкой пленке............... 29
3.1.2. Матричный метод расчета многослойных микроструктур ...................................... 36
Огланлелис
2
3.2. Микроструктуры с фотонной запрещенной зоной.... 40
3.2.1. Фотонные кристаллы........................... 40
3.2.2. Фотонные микрорезонаторы..................... 42
3.2.3. Магнитные фотонные кристаллы и микрорезонаторы ............................................. 43
3.3. Сверхбыстрая динамика резонансных оптических и
магнитооптических эффектов.......................... 44
3.3.1. Кросс-корреляционные методики детектирования ультракоротких лазерных импульсов 45
3.3.2. Методика накачки-зондирования................ 50
3.3.3. Исследования в области сверхбыстрой магнитооптики.............................................. 50
4. Метод оптического пинцета для изучения мирообъектов 53
4.1. Принцип работы оптического пинцета................. 53
4.1.1. Понятие оптического пинцета и принцип его действия............................................ 53
4.1.2. Принципиальная схема установки оптического пинцета............................................. 54
4.1.3. Оценка величии сил, действующих на микрочастицу ............................................ 56
4.1.4. Последовательная теория сил, действующих на микрочастицу в оптической ловушке................... 57
4.1.5. Особенности калибровки многолучевого оптического пинцета..................................... 59
4.1.6. Типичные применения оптического пинцета... 60
Оглавление 3
Глава II
Локальное усиление оптического поля вблизи одиночных микро- и наночастиц 67
1. Усиление оптического поля вблизи микро- и наночастиц ... 68
1.1. Экспериментальные образцы.......................... 68
1.2. Описание экспериментальной установки............... 70
1.3. Калибровка экспериментальной установки............. 72
1.3.1. Теоретические основы калибровки установки оптического пинцета............................... 72
1.3.2. Результаты калибровки........................ 77
1.4. Локальное усиление оптического поля одиночными частицами............................................... 79
1.4.1. Подбор интенсивности накачки................. 79
1.4.2. Плазменное усиление оптического ноля......... 80
1.4.3. Резонансы Ми в одиночных микрочастицах ... 82
1.5. Коллективные эффекты............................... 84
2. Силовые эффекты при резонансном усилении оптического поля вблизи наночастиц................................. 87
2.1. Описание экспериментальной установки............... 87
2.2. Наблюдение смещения захваченной частицы под действием дополнительного излучения........................ 89
2.3. Зависимость смещения захваченной частицы от мощности накачки........................................... 91
2.4. Корреляции смещения частицы и интенсивности люминесценции красителя................................... 93
Оглавление
4
Глава III
Возбуждение поверхностных плазмоы-поляриго-нов в магнитоплазмонных наноструктурах 96
1. Магнитооптические эффекты, вызванные возбуждением поверхностных плазмон-поляритонов..................... 96
2. Усиление магнитооптического меридионального эффекта Керра поверхностными плазмон-поляритонами................ 99
3. Экспериментальных образцы............................... 101
3.1. Структуры с одномерным упорядочением............. 101
3.2. Структуры с двумерным упорядочением.............. 103
4. Схема экспериментальной установки для оптической и магнитооптической спектроскопии............................ 106
5. Оптические резонансные особенности...................... 109
5.1. Образцы с одномерным упорядочением............... 109
5.2. Образцы с двумерным упорядочением................ 112
6. Магнитооптические резонансные особенности............... 113
6.1. Образцы с одномерным упорядочением............... 113
6.2. Образцы с двумерным упорядочением................ 115
Глава IV
Резонансное усиление эффекта Фарадея в одномерных магнитофотонных кристаллах 117
1. Усиление эффекта Фарадея в магнитофотонных кристаллах 117
1.1. Предварительные расчеты.......................... 117
1.2. Сравнение с экспериментальными результатами 121
1.2.1. Экспериментальные образцы.................. 121
1.2.2. Результаты спектроскопии оптических и магнитооптических свойств............................ 122
1.2.3. Аппроксимация результатов эксперимента .... 123
Оглавление
5
1.3. Анализ численных результатов.................... 124
1.3.1. Локализация поля в магнитных слоях........ 124
1.3.2. Сравнение магнитных фотонных кристаллов и микрорезонаторов................................. 127
2. Сверхбыстрая динамика эффекта Фарадея в фотоннокристаллических структурах................................... 129
2.1. Предварительные оценки.......................... 129
2.2. Экспериментальная методика измерения временной зависимости оптического пропускания и эффекта Фарадея .............................................. 133
2.2.1. Экспериментальная установка............... 133
2.2.2. Экспериментальная установка для магнитооптических измерений............................... 134
2.2.3. Интерпретация результатов к^юсс-корреляционных измерений........................................ 135
2.3. Экспериментальные образцы и их характеризация .. 141
2.4. Экспериментальные результаты.................... 144
2.4.1. Пленка толщиной 11 мкм.................... 144
2.4.2. Пленка толщиной 30 мкм.................... 148
2.5. Численные расчеты временной зависимости оптического и магнитооптического отклика фотоннокристаллических структур................................ 150
Заключение 160
Список литературы
163
Введение
6
Введение
Диссертационная работа посвящена экспериментальному изучению оптических и магнитооптических эффектов в наноструктурах и фотонных кристаллах, вызванных воздействием лазерного излучения. Основной задачей работы является подбор экспериментальных техник и экспериментальное изучение резонансных оптических и магнитооптических эффектов в наноструктурах различной размерности: металлических наночастица х, периодически наноструктурированных поверхностей металла и многослойных диэлектрических структур (фотонных кристаплов) в видимом, ближнем ИК, ближнем УФ диапазонах.
Резонансное усиление оптических и магнитооптических эффектов в наноструктурах различной размерности обусловлено различными механизмами. В случае пуль-мерпых металлических наноструктур (наночастицы) усиление оптических эффектов обусловлено возбуждением локальных плазмонов. Оптическое поле вблизи таких частиц многократно усиливается в области пространства сопоставимой с размерами частицы. Оптическая частота резонанса обусловлена размерами частиц, материалом частиц и их окружением. Плазмонный резонанс крайне чувствителен к ближайшему окружению частиц и может применяться, в частности, в различных химических сенсорах для детектирования ультрамалых концентраций веществ. Наиболее яркие плазмонные эффекты наблюдаются на наночастицах благородных металлов: серебра и золота. Для экспериментального наблюдения плазмонного усиления локального поля вблизи одиночных металлических наночастиц неообходимо зафиксировать частицу в пространстве и поместить в область частицы невозмущающий зонд. Уникальной экспериментальной методикой, позволяющей работать с одиночными микро- и нанообъектами, является метод лазерного (оптического) пинцета. Кроме того, что этот метод позволяет зафиксировать одиночный микрообъект в пространстве с помощью жестко сфокусированного лазерного пучка, он также позволяет изме-
Введение
7
рять силы порядка нескольких фемтоньютонов. Таким образом, применив данный метод для изучения одиночных наночастиц, можно пронаблюдать также и корреляцию усиления оптического ноля с оптической силовой отдачей, обусловленной неоднородностью усиления локального поля. Кроме того, применяя метод фотонно-силовой микроскопии, можно провести прямую спектроскопию илазмонных свойств нано- и микрообъектов но величине силового взаимодействия исследуемого объекта с лазерным излучением калиброванной интенсивности, что невозможно сделать любыми другими методами.
Резонансные оптические эффекты в двумерных металлических наноструктурах, т.е. наноструктурированных поверхностях металлов, обусловлены резонансным возбуждением поверхностных плазмон-поляри-тонов. Резонансное возбуждение происходит при условии фазового синхронизма между тангенциальной составляющей падающей электромагнитной волны, векторов обратной решетки периодической структуры поверхности и волнового вектора поверхностного плазмон-поляритоиа. Эти условия выражаются в резонансных особенностях частотно-угловых спектров коэффициента отражения подобных структур. По аналогии с фотонными кристаллами (многослойными диэлектрическими структурами) подобные структуры могут быть названы двумерными плазмоп-ными кристаллами. Намагниченность такой наноструктуры приводит также к резонансным особенностям в спектрах магнитооптических эффектов. Как и для наночастиц наиболее удобными материалами являются серебро и золото. С другой стороны, эти материалы не обладают ферро- или ферримагнитным упорядочением, следовательно, не проявляю']’ магнитооптических эффектов. Магнитные материалы, обладают большим поглощением на длине волны оптического диапазона, длина пробега поверхностного плазмона мала, следовательно эффективность резонансного возбуждения поверхностного плазмона на периодически структурированной металлической поверхности мала. Возможным ком-
Введение
8
промиссом между эффективностью резонансного возбуждения поверхностных плазмонов и величиной магнитооптических эффектов является рассмотрение никеля.
Фотонными кристаллами называются одно- двух- или трехмерные периодические структуры с характерным пространственным периодом порядка длины волны электромагнитного излучения видимого, ближнего УФ или ближнего ИК диапазонов. Как правило, такие структуры являются прозрачными ДЛ51 оптического излучения. При наличии ферро- или ферримагнитных компонентов, такие фотонные кристаллы также называют магнитофотоннымги В работе рассмотрены одномерные магнитофотонные кристаллы. В таких структурах проявляются оптические резонансы подобные резонансам Фабри-Перо, возникающие благодаря многократному отражению оптической волны в слоях структуры и многолучевой интерференции. Оптические спектры коэффициентов отражения и пропускания могут быть описаны на языке фотонной запрещенной зоны по аналогии с электронной запрещенной зоной для обычных кристаллов в физике твердого тела. Наличие ферро-или ферримагнитого упорядочения в слоях такой структуры приводит к появлению аксиально-симметричных не.диагональиых компонент тензоров диэлектрической проницаемости соответствующих слоев структуры. Аксиальная симметрия обуславливает нечетность инверсии по времени, что приводит к невзаимным магнитооптическим эффектам, таким как эффект Фарадея. В магнитофотонных кристаллах эффект Фарадея может значительно усиливаться по сравнению с однородной пластиной за счет конструктивной многолучевой интерференции благодаря невзаимной природе эффекта. Резонансные условия усиления эффекта Фарадея в магнитофотонных кристаллах могут быть выражены и в терминах фотонной запрещенной зоны и закона дисперсии. Угол фарадеевского вращения плоскости поляризации благодаря невзаимности эффекта может рассматриваться как часы, отсчитывающие время взаимодействия
Введение
9
излучения с веществом. Таким образом, замедление групповой скорости может1 интерпретироваться как увеличение времени взаимодействия излучения с веществом, с одной стороны, и как увлечение числа проходов в структуре за счет многократных иереотражений в слоях структуры, с другой стороны. Р1 то, и другое приводит к частотно-угловому резонансу магнитооптического эффекта Фарадея. Особенности динамики распространения ультракоротких лазерных импульсов и сверхбыстрой динамики эффекта Фарадея служат дополнительным подтверждением подобных механизмов усиления в многослойных фотонных структурах.
Итак, в нуль-мерных наноструктурах (металлические наночастицы) оптические резонансы обусловлены возбуждением локальных плазмонов, в двумерных и квазитрехмериых наноструктурах (нанострукту-рированные поверхности металлов) оптические резонансы обусловлены возбуждением поверхностных нлазмон-поляритонов. В случае одномерных магнитофотонных кристаллов имеют место резонансы схожие с резонансами Фабри-Перо, вызванные многолучевой интерференцией в слоях структуры. При наличии магнитного материала также возникает усиление магнитооптических эффектов.
Целью диссертационной работы является экспериментальное обнаружение, изучение и систематизация резонансных оптических и магнитооптических эффектов в наноструктурах различной размерности и фотонных кристаллах, вызванных структурной дисперсией образца.
Актуальность работы заключается в фундаментальном интересе к механизмам оптических резонансов и резонансному усилению магнитооптических эффектов в наноструктурах и фотонных кристаллах. Растущий интерес к плазмонным наноструктурам и наночастицам сопровождается большим количеством работ в этой области, однако, малоохва-ченной областью, остается магнитоплазмоника, т.е. изучение резонансов магнитооптических эффектов имеющих плазмоннуго природа Что касается плазмон-активных наночастиц, то работ, посвященных изуче-
Введение
10
нию одиночных наночастиц сравнительно мало. Фотонные кристаллы, особенно одномерные изучены сравнительно хороню, однако, детальное объяснение механизмов усиления эффекта Фарадея в магнитофотонных кристаллах, основанное на анализе пространственного распределения оптического поля в структуре и ее дисперсионных свойств, как и анализ сверхбыстрой временной динамики эффекта в литературе отсутствует.
Практическая ценность работы заключается:
• в экспериментальной демонстрации использования метода лазерного пинцета в качестве средства диагностики и прямой силовой спектроскопии плазмонных свойств одиночных объектов размером от сотен нанометров до нескольких микрон;
• в экспериментальной демонстрации возможности возбуждения поверхностных плазмон-поляритонов на наноструктурированной поверхности никеля и возможности управления резонансными особенностями как в оптическом, так и в магнитооптическом отклике меняя угол поворота образца либо угол падения и длину волны используемого излучения;
• в результатах численных расчетов оптимальных с точки зрения усиления эффекта Фарадея магнитофотонных структур и анализа динамики распространения ультракоротких лазерных импульсов в них с учетом динамики плоскости поляризации, т.е. эффекта Фарадея.
Научная новизна работы заключается в следующем:
• Обнаружен парный эффект илазмонного усиления оптического поля между одиночными наиочастицами. Методом лазерного пинцета, совмещенного с конфокальной схемой спектроскопии измерена зависимость усиления оптического поля от расстояния между илазмон-активными объектами.
Введение
11
• Обнаружен эффект силовой отдачи, вызванной неоднородным резонансным усилением оптического поля сфокусированного лазерного излучения вблизи захваченного микрообъекта.
• Продемонстрировано возбуждение поверхностных плазмон-поля-ритонов на наноструктзфированной поверхности никеля. Измерены серии частотно-угловых спектров экваториального магнитооптического эффекта Фарадея, показано резонансное плазмонно-индуцированное усиление магнитооптического отклика.
• С помощью метода матриц распространения проведен расчет одномерных магнитофотопных структур. Показана связь между дисперсионными свойствами таких структур, пространственным распределении оптического поля в них и резонансным усилением оптических и магнитооптических свойств
• Численно рассчитаны временные зависимости фарадеевского угла для магнитофотопных структур. Показаны временные особенности оптического и магнитооптического откликов на временах порядка нескольких фемтосекунд. На примере однородных пластин феррит-граната экспериментально обнаружена зависимость эффекта Фарадея от времени
Научные положения и результаты, выносимые на защиту:
• В зазоре между двумя одиночными микрочастицами, частично покрытыми металлическими наночастицами и помещенными в раствор красителя, происходит усиление локального оптического поля. приводящее к резонансному усилению люминесценции красителя. Резонансы усиления локального оптического поля обусловлены взаимодействием локальных плазмонов в соседних наночастицах
• При неоднородном резонансном усилении оптического поля лазерного излучения вблизи плазмои-активной микрочастицы, помещенной в краситель, возникает эффект силовой отдачи благодаря
Введение
12
плазмонному усилению люминесценции. Величина силы, действующей на микрочастицу составляет порядка 100 фН при мощности лазерной накачки 1600 мкВт
• Резонансное возбуждение поверхностных плазмон-поляритонов на периодически структурированной поверхности никеля при выполнении условий фазового синхронизма между падающим излучением, поверхностным плазмоном и вектором обратной решетки структуры, приводит к появлению резонансных особенностей в спектрах экваториального магнитооптического эффекта Керра
• На длинноволновом краю фотонной запрещенной зоны магнитофотонного кристалла наблюдается усиление эффекта Фарадея, вызванное многолучевой интерференцией. При этом пучности стоячей электромагнитной волны имеют место в магнитных слоях структуры, имеющих больший коэффициент преломления. При смене контраста структуры, пучности электромагнитной волны локализуются в магнитных слоях при длине волны излучения, соответствующей коротковолновому краю фотонной запрещенной зоны. При этом усиление эффекта Фарадея наблюдается также на коротковолновом краю фотонной запрещенной зоны. Усиление эффекта Фарадея коррелирует с локализацией оптического ноля в магнитных слоях структуры и может рассматриваться как магнитооптический аналог эффекта Боррманна
• Угол фарадеевского вращения в одномерных фотонных кристаллах нелинейно зависит от числа слоев структуры благодаря росту добротности резонансов многолучевой интерференции с ростом числа слоев структуры. Это может рассматриваться как нелинейный закон Верде для фотоннокристаллических структур
• Угол фарадеевского вращения при распространении ультракоротких лазерных импульсов через тонкие пленки и фотоннокристал-
Введение
13
лические структуры зависит от времени. Характер зависимости определяется соотношением длины импульса и толщины структуры, а также спектральным положением несущей частоты лазерного импульса относительно спектральных резонансных особенностей структуры
Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, содержащего выводы, списка литературы и 3-х приложений. Основная часть работы имеют следующую структуру:
• Глава 1 посвящена обзору литературы по объектам изучения и экспериментальным методам, рассмотренных в работе
• Глава 2 посвящена экспериментальному изучению резонансных оптических и магнитооптических эффектов в одиночных микро- и наночастицах методом лазерного оптического пинцета. В качестве объектов изучения рассматривались частично покрытые наночастицами серебра частицы полистирола микронного размера. Частицы погружались в водный раствор красителя родамина 6>К, далее пара покрытых микрочастиц захватывалась в оптические ловушки и подводилась на контролируемое расстояние. Люминесценция красителя возбуждалась дополнительным лазером, работал ющем в непрерывном режиме. Экспериментально обнаружено резонансное усиление люминесценции при сближении микрочастиц, связанное с возбуждением локальных плазмонов. Также экспериментально обнаружено дополнительное смещение покрытых частиц, которое может’ интерпретироваться как оптическая силовая отдача при возбуждении плазмон-усиленной люминесценции.
• Глава 3 посвящена экспериментальному исследованию магнито-11 лазмонных эффектов на планарных металлических нано-и мик-роструктурированных поверхностях. В качестве объектов изучения рассматриваются наноструктурированные поверхности нике-
Введение
14
ля с одномерные периодическим рисунком, а также поверхность инвертированного никелевого опала. Экспериментально обнаружена аномалия в частотно-угловом спектре коэффициенте отражения (аномалия Вуда), связанная с резонансным возбуждением поверхностных плазмон-поляритонов на периодической пространственно-моделированной структуре. Обнаружено, что при длине волны угле падения излучения на структуру, соответствующей аномалии Вуда, наблюдается усиление магнитооптического эффекта Керра. На примере двумерно-структурированной поверхности инвертированного никелевого опала показано возбуждение и суперпозиция различных плазмонных мод, приводящие к дополнительному усилению как оптических, так и магнитооптических эффектов.
• Глава 4 посвящена одномерным диэлектрическим структурам -магнитофотонным кристаллам. Такие структуры представляют собой одномерные фотонные кристаллы, некоторые слои которых обладают магнитооптическими свойствами. Продемонстрировано резонансное усиление магнитооптического эффекта Фарадея при длине волны изучения, соответствующей длинноволновому краю фотонной запрещенной зоны. Проведены численные расчеты методом матриц распространения размерности 4x4. Численные результаты с хорошей точностью аппроксимируют экспериментальные зависимости. Проведен также расчет пространственного распределения поля в одномерном магнитофотонном кристалле, демонстрирующий связь усиления магнитооптического эффекта Фарадея с локализацией оптического поля в магнитоактивных слоях структуры. Кроме того, как численно, так и экспериментально рассмотрен вопрос сверхбыстрой динамики эффекта Фарадея при распространении ультракоротких лазерных импульсов в многослойных магнитооптических структурах.
Апробация работы проводилась на следующих конференциях: