На правах рукописи. Барышев Александр Валерьевич МАГНИТООПТИЧЕСКИЕ ЭФФЕКТЫ В МАГНИТНЫХ И. ПЛАЗМОННЫХ НАНОСТРУКТУРАХ.


Чтобы посмотреть этот PDF файл с форматированием и разметкой, скачайте его и откройте на своем компьютере.
правах
рукописи
Александр
Валерьевич
МАГНИТООПТИЧЕСКИЕ
ЭФФЕКТЫ
ПЛАЗМОННЫХ
НАНОСТРУКТУРАХ
Специальность
физика
конденсированного
состояния
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации
соискание
ученой
доктора
физико
математических
наук
Санкт
Петербург
Работа
выполнена
ФГБУН
Физико
технический
институт
Иоффе
Российской
академии
наук
Технологическом
университете
Тоɺхаси
(Toyohashi University of Technology),
Официальные
Вербин
Сергей
доктор
физико
математических
наук
профессор
ФГБОУ
высшего
образования
Санкт
Петербургский
государственный
университет
Липовский
Андрей
Александрович
доктор
физико
математических
наук
профессор
Санкт
Петербургский
исследовательский
академический
университет
Российской
академии
наук
Шалыгина
Елена
Евгеньевна
доктор
физико
математических
наук
профессор
ФГБОУ
высшего
образования
Московский
государственный
университет
Ломоносова
Ведущая
организация
ФГБУН
Институт
радиотехники
электроники
Котельникова
Российской
академии
наук
Москва
Защита
состоится
__ ________ 2016
часов
заседании
совета
докторских
кандидатских
диссертаций
ФГБУН
Физико
технический
институт
Российской
академии
наук
расположенном
адресу
Россия
Санкт
Петербург
194021,
Политехническая
диссертацией
можно
ознакомиться
научной
библиотеке
сайте
ФТИ
адрес
сайта
www.ioffe.ru
Автореферат
разослан
__ _______ 2016
Отзывы
замечания
автореферату
двух
экземплярах
заверенные
печатью
просьба
высылать
вышеуказанному
адресу
имя
ученого
секретаря
диссертационного
совета
002.205.01.
секретарь
диссертационного
совета
кандидат
физико
математических
наук

Петров
Общая
характеристика
работы
нанофотоники
связано
растущими
возможностями
технологии
изготовления
искусственных
материалов
композитов
периодических
структур
характеристическими
размерами
постоянная
размер
рассеивателя
самой
структуры
меньше
электромагнитных
волн
рабочего
диапазона
Исследования
оптике
искусственных
материалов
концепции
фотонной
запрещенной
зоны
фотонных
кристаллов
метаматериалов
диффузии
андерсоновской
локализации
света
реализации
множества
наноструктур
наблюдению
оптических
явлений
Магнитофотонные
кристаллы
МФК
субволновые
периодические
структуры
содержащие
магнитооптические
рассеиватели
плазмонные
наноструктуры
являются
ярким
поскольку
реализуется
возможность
управления
как
поляризацией
так
амплитудой
пропущенного
отраженного
дифрагированного
света
помощью
внешнего
магнитного
поля
Диссертационная
работа
посвящена
технологии
синтеза
оптическим
исследованиям
свойств
МФК
плазмонных
наноструктур
включая
одномерные
двухмерные
трехмерные
МФК
плазмонные
нанокомпозиты
периодические
наноструктуры
Полученные
экспериментальные
результаты
анализируются
теоретически
помощью
численного
моделирования
Изучение
синтезированных
работе
объектов
представляет
интерес
связи
разработкой
технологии
создания
наноструктур
материалов
свойствами
управляемыми
внешними
полями
точки
обнаружения
фундаментальных
эффектов
наблюдающихся
объемных
материалах
связанных
структурированием
плазмонных
материалов
практического
таких
наноструктур
устройствах
оптоэлектроники
работы
области
МФК
мотивированы
интересом
возможности
усиления
отклика
счет
локализации
света
магнитном
материале
[1],
достижению
больших
углов
фарадеевского
вращения
единицу
оптического
пути
света
материале
показано
что
слабая
локализация
света
многослойных
структурах
основе
висмут
замещенного
железоиттриевого
граната
(Bi:YIG),
диоксида
приводит
увеличению
угла
фарадеевского
вращения
углом
полученным
одного
монослоя
Bi:YIG
толщиной
сумме
толщин
многослойной
структуре
Позже
продемонстрировано
что
максимальное
усиление
вращения
плоскости
поляризации
может
наблюдаться
МФК
структурой
микрорезонатора
Фабри
дефектом
[2].
таких
структур
экспериментально
продемонстрировано
десятикратное
угла
фарадеевского
вращения
[3].
Следует
подчеркнуть
что
МФК
увеличение
отклика
происходит
вследствие
локализации
волны
другими
словами
реализации
многопроходного
режима
Фабри
моды
внутри
дефекта
материала
приводящего
суммированию
поворота
плоскости
поляризации
каждом
проходе
волны
через
дефект
Работы
наблюдению
увеличения
угла
фарадеевского
вращения
микрорезонатора
Фабри
стимулировали
дальнейшие
исследования
МФК
дизайнами
развитие
технологии
изготовления
изучение
МФК
кристаллической
структурой
[4].
исследований
области
МФК
является
рассмотрение
плазмонных
МФК
поддерживающих
поверхностные
волны
геометрии
полного
внутреннего
отражения
частности
эффект
визуализации
высокодобротного
интерференционного
резонанса
поверхностной
блоховской
волны
МФК
счет
поглощения
волны
плазмонным
металлическим
слоем
оказался
интересным
приложения
оптическому
биосенсору
[A34, A35].
Взаимодействие
света
металлическими
частицами
наноструктурами
поддерживающими
плазмонные
резонансы
привлекает
значительное
ввиду
возможности
достижения
сильных
полей
локализованных
поверхности
металла
счет
такого
поля
системы
частица
металла
молекула
повышается
чувствительность
детектирования
спектров
рамановского
рассеяния
молекул
[5],
демонстрируется
увеличение
фотовольтаических
свойств
элементов
солнечных
батарей
[6],
повышение
разрешения
методов
микроскопии
[7]
литографии
[8],
локализация
резонансных
мод
волноводных
системах
[9]
Плазмонные
материалы
оказались
центре
поскольку
показано
что
отклик
модифицируется
[10]
значительно
увеличивается
если
внутрь
поверхность
материала
поместить
плазмонные
наночастицы
А23].
оптических
спектрах
таких
плазмонных
материалов
наблюдаются
особенности
связанные
возбуждением
локализованных
плазмонов
этих
частотах
происходит
усиление
отклика
Следует
заметить
что
литературе
вопрос
механизме
усиления
плоскости
поляризации
плазмонных
структурах
является
предметом
дискуссии
А34]
подробно
изучается
диссертационной
работе
диссертационной
работы
являлись
Изготовление
отработка
технологии
1D, 2D
МФК
основе
Bi:YIG
других
магнитооптических
материалов
Экспериментальное
теоретическое
исследование
оптических
магнитооптических
спектров
МФК
взаимодействии
поляризованным
светом
Наблюдение
исследование
оптических
резонансов
явлений
таммовское
состояние
эффект
Боррманна
эффект
суперпризмы
мода
двойного
микрорезонатора
Фабри
соответствующих
проявлений
этих
резонансов
эффектов
магнитооптических
спектрах
МФК
Экспериментальное
теоретическое
исследование
поверхностных
волн
плазмонных
МФК
возбуждаемых
геометрии
полного
внутреннего
отражения
Визуализация
резонанса
блоховской
поверхностной
волны
также
таммовского
состояния
резонанса
Фабри
зависимости
кристаллической
структуры
счет
поглощения
металле
возбуждения
поверхностного
плазмона
Изучение
возможности
использования
МФК
обладающих
высокодобротным
резонансом
блоховской
поверхностной
волны
оптических
сенсорах
Изготовление
плазмонных
магнитооптических
неупорядоченных
наноструктур
основе
золотых
наночастиц
внедренных
Bi:YIG.
Экспериментальное
теоретическое
исследование
оптических
свойств
структур
эффектов
увеличения
магнитооптического
отклика
наблюдаемого
возбуждения
локализованного
плазмонного
резонанса
отдельных
частицах
золота
решетке
золотых
частиц
Актуальность
работы
обусловлена
возрастающим
интересом
созданию
искусственных
оптических
материалов
наноструктур
демонстрирующих
возможность
управления
распространением
света
приложении
внешних
полей
МФК
наноструктурах
предполагается
наблюдение
новых
оптических
эффектов
связанных
векторной
природой
электромагнитной
волны
Возможность
значительного
увеличения
отклика
управления
поляризацией
направлением
распространения
волны
помощью
наноструктур
перспективы
практического
использования
твердотельной
оптоэлектронике
значительного
повышения
функциональности
существующих
миниатюризации
Актуальной
задачей
является
создание
высокочувствительных
оптических
сенсоров
основе
плазмонных
МФК
Научная
результатов
состоит
создании
исследовании
МФК
плазмонных
наноструктур
обнаружении
оптических
эффектов
изготовлены
исследованы
МФК
основе
многослойных
структур
/Bi:YIG,
спектрах
которых
обнаружены
оптические
состояния
аналогичные
таммовскому
состоянию
демонстрируется
оптический
аналог
эффекта
Боррманна
мода
двойного
микрорезонатора
Резонансное
взаимодействие
света
МФК
проявляется
спектрах
как
разрешенное
состояние
внутри
запрещенной
зоны
Установлено
что
взаимодействие
резонансных
мод
слоями
структуры
МФК
приводит
значительному
увеличению
отклика
Исследованы
МФК
изготовленные
последовательном
напылении
слоев
использованием
технологии
клонирования
затравочной
структурированной
поверхности
Наблюдались
эффекты
многоволновой
брэгговской
оптической
суперпризмы
установлено
влияние
отклик
МФК
измеренный
дифрагированного
прошедшего
света
Показано
что
поляризация
волны
взаимодействующей
МФК
определяется
как
откликом
магнитного
материала
так
анизотропным
пропусканием
кристаллов
вследствие
периодичности
структуры
изготовлены
МФК
основе
опалов
исследованы
оптические
свойства
Изучена
амплитудная
фазовая
анизотропия
прохождения
света
опалах
Изготовлен
микрорезонатор
Фабри
основе
тонких
опаловых
слоя
аналог
1D
МФК
Предложен
плазмонных
МФК
которых
сосуществуют
резонансы
природы
резонанс
связанный
возбуждением
оптического
таммовского
состояния
моды
Фабри
поверхностной
блоховской
волны
поверхностный
плазмонный
резонанс
Впервые
изготовлены
плазмонные
МФК
исследована
эволюция
спектров
отражения
спектров
кристаллов
режиме
пересечения
отвечающих
таммовскому
состоянию
поверхностному
плазмонному
резонансу
экспериментально
показано
что
плазмонные
МФК
являются
высокочувствительными
оптическими
сенсорами
Проведен
численный
анализ
структуры
сенсора
оптического
отклика
обнаружено
что
плазмонные
обладают
откликом
устойчивым
флуктуациям
угла
света
несовершенству
кристаллической
структуры
Теоретический
анализ
коммерческих
биосенсоров
предложенного
сенсора
основе
плазмонного
показал
что
сенсор
обладает
рядом
конкурентных
преимуществ
чувствительности
робастности
Экспериментально
показано
что
изготовленные
биосенсоров
основе
плазмонных
МФК
значительно
превосходят
чувствительности
биосенсоры
основе
Au (Biacore
технология
изготовленные
Исследованы
эффекты
увеличения
угла
поляризации
плазмонных
структурах
Плазмонные
неупорядоченным
упорядоченным
распределением
золотых
частиц
изучены
однопроходном
многопроходном
режимах
Впервые
экспериментально
установлено
что
увеличение
угла
вращения
плоскости
поляризации
обусловленное
возбуждением
плазмонов
взаимную
природу
накапливается
многопроходном
Проведено
численное
моделирование
плазмонной
структуры
Bi:YIG-Au
решеткой
сферических
частиц
золота
интерпретация
особенностей
наблюдаемых
оптических
магнитооптических
спектрах
установлены
условия
изменения
поляризационного
состояния
прошедшей
волны
защиту
выносятся
следующие
положения
спектрах
исследованных
одномерных
магнитофотонных
кристаллов
наблюдается
поверхностное
состояние
природы
оптический
аналог
таммовского
состояния
соответствующее
увеличение
угла
фарадеевского
вращения
углом
фарадеевского
вращения
неструктурированного
магнитооптического
материала
Многоволновая
брэгговская
двухмерных
магнитофотонных
кристаллах
приводит
значительному
росту
магнитооптического
отклика
прошедшей
волны
также
смене
знака
магнитооптического
отклика
противоположный
отклику
исходного
материала
поляризованный
свет
волны
диапазона
фотонной
запрещенной
зоны
дифрагирует
двухмерных
магнитофотонных
кристаллах
таким
образом
что
дифрагированное
излучение
является
эллиптически
поляризованным
этом
угол
поворота
главной
оси
эллипса
поляризации
значительно
увеличивается
углом
поворота
плоскости
поляризации
случае
неструктурированного
магнитооптического
материала
спектре
магнитооптического
отклика
плазмонных
одномерных
магнитофотонных
кристаллов
наблюдается
инвертирование
знака
вращения
плоскости
поляризации
Такая
трансформация
отклика
происходит
спектрального
пересечения
полосы
поглощения
поверхностного
плазмонного
резонанса
пиком
поверхностного
состояния
интерференционной
природы
Резонансы
связанные
поверхностными
состояниями
интерференционной
природы
плазмонных
одномерных
магнитофотонных
кристаллах
визуализируются
счет
поглощения
плазмонном
слое
таких
структур
Добротность
наблюдаемых
резонансов
обеспечивает
повышение
разрешающей
способности
улучшение
робастности
оптических
сенсоров
основе
плазмонных
одномерных
фотонных
магнитофотонных
кристаллов
Возбуждение
локальных
поверхностных
плазмонов
плазмонных
магнитооптических
структурах
приводит
угла
вращения
поляризации
углом
вращения
поляризации
исходного
магнитооптического
материала
без
плазмонной
подсистемы
).
Экспериментально
помощью
численного
моделирования
показано
что
увеличение
угла
вращения
поляризации
наблюдается
однопроходном
наблюдается
многопроходном
Таким
образом
исследованные
плазмонные
магнитооптические
структуры
являются
взаимными
вращателями
поляризации
помощью
численного
моделирования
предсказано
что
плазмонных
магнитооптических
структур
существует
режим
когда
угол
вращения
поляризованного
света
меняет
происходит
переключение
поляризации
независимую
компоненту
Предложено
использование
данного
эффекта
сверхтонкой
перестраиваемой
ближнепольной
Достоверность
надежность
полученных
результатов
определяется
следующим
изготовления
МФК
характеризации
структуры
изучения
оптических
свойств
использовались
технологии
электронная
литография
ионное
напыление
термическое
приборы
электронный
сканирующий
микроскоп
Jeol JSM-6700,
спектроскопическое
оборудование
фирм
Shimadzu (UV-3100PC)
Neo Arc (BH-M600VIR-FKR-TU)
.].
Хорошим
соответствием
между
изготовленными
структурами
проектируемыми
моделями
Полной
воспроизводимостью
результатов
экспериментов
хорошим
соответствием
экспериментальных
результатам
теоретического
анализа
Использованием
современных
пакетов
численного
моделирования
основе
метода
конечных
разностей
временн
области
основе
метода
матриц
переноса
работы
Результаты
работы
докладывались
международных
конференциях
Приглашенные
представлены
следующих
конференциях
: Donostia International Conferen
состоит
формулировке
задач
представленных
диссертации
исследований
разработке
непосредственном
изготовлении
объектов
исследований
планировании
проведении
экспериментальных
теоретических
исследований
анализе
полученных
результатов
выявлении
механизмов
обнаруженных
изученных
магнитооптических
эффектов
Публикации
диссертации
всего
опубликовано
работ
печатных
работ
изданиях
входящих
ВАК
основных
публикаций
приведен
конце
автореферата
Результаты
работы
автора
изложены
книге
[4]
соредакторстве
M. Inoue
M. Levy,
также
главах
следующих
[11, 12].
Структура
диссертации
Работа
состоит
введения
глав
заключения
списка
литературы
Диссертация
содержит
194
страницы
рисунок
Содержание
работы
введении
обоснована
актуальность
диссертационной
работы
сформулирована
представленных
исследований
обоснована
научная
полученных
результатов
показана
практическая
значимость
наблюдаемых
явлений
изложены
основные
положения
работы
выносимые
защиту
Глава
Общие
вопросы
оптики
магнитооптических
материалов
примере
висмут
замещенного
железоиттриевого
граната
искусственных
магнитооптических
структур
Технология
изготовления
образцов
детали
эксперимента
численного
анализа
Глава
содержит
обзор
литературы
касающейся
макроскопической
микроскопической
природы
эффектов
методов
теоретического
анализа
Проведен
литературных
повышению
отклика
Bi:YIG.
Описываются
основные
теоретические
экспериментальные
результаты
исследований
МФК
плазмонных
структур
полученные
выполнения
данной
диссертационной
работы
Оптические
свойства
материалов
МФК
рассмотренных
рамках
диссертационной
работы
описываются
тензором
диэлектрической
проницаемости
плоскость
поляризации
электрического
поля
распространяющейся
волны
распространении
электромагнитной
волны
вдоль
оси
параллельно
намагниченности
вещества
фарадеевская
геометрия
),
тензор
, (1)
здесь
вращение
вектора
электрического
поля
происходит
плоскости
угол
фарадеевского
вращения
определяется
величиной
гиротропии
Выражение
угла
фарадеевского
вращения
можно
записать
следующей
форме
leftright
klkl
ggl
=−=−−|
(2)
где
left
волновые
вектора
лево
циркулярно
поляризованных
мод
распространяющихся
материале
толщиной
отклика
МФК
определяется
волнового
вектора
блоховской
волны
Функция
соответствующие
зависимости
left
right
циркулярных
волн
это
функции
диапазоне
малых
частот
угол
фарадеевского
вращения
МФК
например
основе
практически
отличается
вращения
однородной
Bi:YIG.
Однако
функция
становится
более
более
пологой
кривой
приближении
режиму
брэгговской
краю
Последнее
отвечает
уменьшению
групповой
скорости
волны
приводит
тому
что
угол
фарадеевского
вращения
выражении
волны
некоторой
частотой
растет
вследствие
увеличения
разности
left
*)
*)|
главе
также
обсуждаются
технологические
методики
использованные
изготовления
МФК
плазмонных
структур
приведены
схемы
проведенных
экспериментов
Глава
Усиление
фарадеевского
вращения
одномерных
магнитофотонных
кристаллах
второй
главе
представлены
результаты
экспериментального
теоретического
исследования
МФК
различной
структурой
. 1).
Методом
электронно
лучевого
магнетронного
напыления
изготовлены
многослойные
структуры
элементарной
ячейкой
четвертьволновых
слоев
Bi:YIG.
Такие
многослойные
структуры
исследовались
как
уединенный
МФК
как
составной
элемент
более
сложного
кристалла
Так
случае
уединенного
МФК
продемонстрирован
оптический
аналог
эффекта
Боррманна
связанное
увеличение
фарадеевского
вращения
плоскости
поляризации
[A15].
Рис
Изображения
МФК
полученные
сканирующим
электронным
микроскопом
многослойная
структура
микрорезонатор
Фабри
микрорезонатор
Фабри
) and (
таммовские
структуры
Брэгговские
зеркала
/Bi:YIG)
здесь
далее
индекс
отвечает
числу
слоев
рис. 1 (а)],
использовались
как
составные
элементы
МФК
поддерживающих
оптические
таммовские
состояния
рисунке
показано
изображение
поперечного
сечения
МФК
включающего
/Bi:YIG)
/Ta
фотонные
кристаллы
Теоретически
рассчитанное
распределение
амплитуды
волны
резонансной
частотой
таком
МФК
нормальном
показано
рисунке
что
максимумы
распределения
находятся
двух
кристаллов
. 2.
Распределение
диэлектрической
постоянной
для
МФК
показанного
рис
. 1 (
амплитуда
электрического
поля
резонансной
= 800
Спектры
пропускания
немагнитного
кривая
магнитного
кривая
Пропускание
МФК
состоящего
двух
кривая
3),
расчетный
спектр
кривая
4). (
Спектр
фарадеевского
вращения
реперная
(SiO
структура
линия
), 1D
МФК
эксперимент
круглые
символы
расчет
серая
линия
. 3.
Распределение
диэлектрической
постоянной
для
МФК
показанного
амплитуда
электрического
поля
резонансной
волны
= 780
Спектры
пропускания
реперной
(SiO
/Bi:YIG)
структуры
кривая
золота
кривая
2).
Спектры
пропускания
/Bi:YIG)
/Au
структуры
кривая
расчетный
спектр
кривая
4. (
Спектр
фарадеевского
вращения
реперная
/Bi:YIG)
структура
эксперимент
/Bi:YIG)
/Au
структура
круглые
символы
эксперимент

асчет
Другая
структура
обладающая
подобным
распределением
поля
показана
рисунке
расчет
показал
что
максимальная
амплитуда
поля
наблюдается
окрестности
раздела
зеркала
/Bi:YIG)
слоя
золота
см. рис. 3 (а)].
случаях
оптических
спектрах
1D
МФК
наблюдался
резонансного
пропускания
внутри
соответствующие
увеличенного
угла
фарадеевского
вращения
спектрах
[A14, A20].
Следует
подчеркнуть
что
МФК
увеличение
отклика
происходит
вследствие
локализации
волны
другими
словами
реализации
многопроходного
режима
резонансных
мод
внутри
Bi:YIG,
приводящего
суммированию
поворота
плоскости
поляризации
каждом
проходе
волны
через
элемент
структуры
МФК
Поскольку
локализация
волны
происходит
поверхности
периодической
структуры
другой
средой
резонансные
моды
рассмотренных
МФК
интерпретированы
как
оптический
аналог
поверхностного
таммовского
состояния
известного
физике
твердого
тела
Глава
Двухмерные
магнитофотонные
кристаллы
Третья
глава
посвящена
исследованию
оптических
магнитооптических
свойств
МФК
исследований
являлось
изучение
влияния
периодичности
отклик
кристаллов
методов
изготовления
структур
основе
Bi:YIG [A18, A25, A27, A28].
. 4.
Изображение
тестового
(Ta
полученное
сканирующим
электронным
микроскопом
Кристалл
был
выращен
поверхности
подложки
фоторезиста
Отработанная
техника
роста
была
использована
при
изготовлении
аналогичного
образца
(Bi:YIG/SiO
МФК
Схема
структуры
восстановленная
изображения
показанного
панели
).
Указаны
элементы
структуры
характерными
толщинами
системы
методом
изготовления
МФК
являлась
технология
клонирования
поверхности
подложки
Его
отличительной
особенностью
является
возможность
отображения
симметрии
подложки
симметрию
напыляемой
структуры
качестве
подложек
роста
таких
кристаллов
преимущественно
использовались
структуры
плоских
подложках
кварцевого
стекла
Изготовленными
2D
МФК
МФК
YIG,
подложке
галлий
гадолиниевого
граната
массивом
платиновых
дисков
структурированная
пленка
Bi:YIG,
поверхности
искусственного
опала
объемный
МФК
выращенный
решетке
фотополимера
. 4).
. 5.
эксперимента
пропускания
поляризованного
спектры
вращения
объемного
показаны
реперного
, (Bi:YIG/SiO
Все
спектры
измерены
нормальном
падении
= 0
символы
||
отвечают
ориентации
плоскости
поляризации
падающего
поляризатором
поляризация
= 90
поляризация
Объемный
МФК
схематично
показанный
рисунке
),
изучался
фарадеевской
геометрии
рис
. 5 (
),
геометриях
позволяющих
наблюдать
эффект
суперпризмы
Показано
выбором
параметров
структуры
кристалла
толщина
напыляемых
период
решетки
фотополимера
возможно
реализовать
случай
когда
стоп
зоны
отвечающие
системах
плоскостей
будут
перекрываться
некотором
спектральном
диапазоне
Такое
стоп
полос
непропускания
наблюдалось
окрестности
600
см. рис. 5 (б)].
Длинноволновая
полоса
отвечает
системе
1,
коротковолновая
полоса
соответствует
системах
спектр
).
наклонном
падении
поляризованного
света
вплоть
= ± 15
наблюдалось
расщепление
коротковолновой
спектральные
расщепленных
брэгговской
дифракции
соответствующих
системах
плоскостей
учетом
света
поверхности
кристалла
2dcos
–asinsin
ieff
eff
(3)
где
eff
эффективный
показатель
преломления
угол
между
брэгговской
плоскостью
плоскостью
межплоскостное
расстояние
рис. 4(б)].
Экспериментально
показано
что
пересечения
стоп
зон
наблюдается
явление
суперпризмы
заключающееся
переключении
направления
пучков
незначительном
изменении
знака
Изучены
поляризационные
спектры
объемного
МФК
показано
что
отклик
света
волны
диапазона
соответствующего
соседних
стоп
зон
может
быть
значительно
увеличен
Установлено
что
плоскости
поляризации
может
быть
инвертирован
счет
анизотропии
пропускания
МФК
) [A27].
Установлена
связь
между
отклика
угла
прошедшего
света
также
между
углом
выхода
кристалла
дифрагированного
света
Показано
что
геометрии
пропускания
увеличение
угла
вращения
наблюдается
узком
диапазоне
углов
падения
света
угол
вращения
растет
ростом
угла
выхода
света
кристалла
[A28].
Однако
эффект
суперпризмы
[13]
наблюдался
экспериментально
силу
связанных
всего
малостью
гиротропии
Результаты
численного
моделирования
объемного
МФК
рис. 4 (а)]
представлены
работе
[A32],
когда
наблюдался
эффект
магнитной
суперпризмы
искусственном
масштабировании
Глава
Распространение
линейно
поляризованного
света
трехмерных
фотонных
кристаллах
магнитофотонные
кристаллы
основе
опалов
четвертой
главе
представлены
результаты
исследования
взаимодействия
поляризованного
света
фотонными
кристаллами
основе
тонкопленочных
объемных
синтетических
опалов
сформированных
сферических
частиц
аморфного
. 6).
изготовления
МФК
основе
опалов
использовано
свойство
опаловой
матрицы
заключающееся
том
что
опалы
обладают
сетью
пустот
между
сферическими
частицами
Таким
образом
матрица
опалов
являлась
контейнером
магнитооптических
жидкостей
твердых
материалов
(Bi:YIG,
магнетит
.) [14, A1–A3, A6, A7, A10, A12, A19].
Показано
что
синтез
ферромагнитных
материалов
возможен
внутри
опаловой
матрицы
свойства
МФК
определяются
типом
магнетизма
введенного
опал
материала
. 7).
Малость
объемной
доли
слабость
магнитооптического
отклика
введенного
вещества
позволили
обнаружить
какие
эффекты
связанные
периодичностью
МФК
основе
опалов
главе
проводится
анализ
экспериментальных
спектров
пропускания
спектральной
зависимости
поляризации
фазы
прошедшей
волны
освещении
опалов
поляризованным
светом
Обнаружены
критические
направления
кристаллах
опалов
которых
поляризованная
волна
испытывает
брэгговской
дифракции
какой
систем
кристаллографических
плоскостей
распространяется
без
ослабления
это
проявление
явления
аналогичного
явлению
[A8,
9, A11,
26].
Рис
Изображения
(111)
поверхности
образцов
незаполненного
опала
опал
магнитное
вещество
МФК
полученные
помощью
электронного
сканирующего
микроскопа
Рис
. 7.
намагничивания
МФК
основе
опал
магнитное
вещество
композитов
: 1 –
, 2 –
опал
, 3 –
опал
незаполненный
опала
Исследована
трансформация
поляризационного
состояния
волн
испытывающих
брэгговскую
дифракцию
системах
кристаллографических
плоскостей
опалов
[A26].
Показано
что
падающая
линейно
поляризованная
волна
сохраняет
состояние
поляризации
распространении
опале
плоскость
поляризации
прошедшей
волны
может
быть
значительно
повернута
Кроме
этого
падающий
поляризованный
свет
может
быть
трансформирован
эллиптически
поляризованный
свет
этом
главная
ось
эллипса
поляризации
поворачивается
некоторый
угол
Анализ
поляризационных
состояний
прошедшего
света
рамках
матриц
переноса
теории
гомогенизации
дал
хорошее
соответствие
расчетных
экспериментальных
спектров
Тонкопленочные
опалы
использовались
также
изготовления
более
сложных
структур
спектрах
гетероструктур
изготовленных
опаловых
Bi:YIG,
обнаружена
локализованная
мода
Фабри
связанное
модой
увеличение
угла
фарадеевского
вращения
[A17].
Спектры
пропускания
всех
композиционных
элементов
опал
/Bi:YIG/
опал
структурой
микрорезонатора
показаны
спектре
пропускания
гетероструктуры
опал
опал
обнаружен
внутри
(111)
стоп
зоны
опаловой
резонанс
Фабри
стрелка
Спектры
фарадеевского
вращения
гетероструктуры
опал
опал
демонстрируют
увеличенное
значение
угла
поворота
плоскости
поляризации
. 10)
счет
резонансного
взаимодействия
света
Bi:YIG.
Рис
Изображение
гетероструктуры
опал
полученное
помощью
сканирующего
электронного
микроскопа
находится
между
двумя
тонкими
опаловыми
пленками
вставке
показан
скол
. 9.
Спектры
пропускания
структурных
блоков
гетероструктуры
опал
/Bi:YIG/
каждом
этапе
изготовления
нормальное
(111)
систему
кристаллографических
плоскостей
Кривая
исходная
опаловая
пленка
первое
брэгговское
зеркало
), 2 –
первое
брэгговское
зеркало
после
отжига
, 3 –
опаловая
пленка
двойной
толщины
после
отжига
, 4 –
пленка
плоской
подложке
после
отжига
, 5 –
опал
гранат
без
отжига
опал
/Bi:YIG/
опал
после
отжига
Резонанс
обозначен
стрелкой
вставке
показана
обработка
спектров
спектры
разделены
огибающую
кривую
отвечающую
экстинкции
света
образцах
температуре
необходим
для
кристаллизации
Bi:YIG.
изготовления
опал
/Bi:YIG/
гетероструктуры
проводился
дважды
после
осаждения
первой
опаловой
пленки
после
осаждения
опаловой
пленки
брэгговского
зеркала
. 10.
Спектры
фарадеевского
вращения
кривая
1)
пропускания
кривая
2)
/Bi:YIG/
опал
гетероструктуры
при
нормальном
падении
Кривая
3 –
спектр
фарадеевского
вращения
обычной
пленки
выращенной
плоской
подложке
Резонанс
Фабри
обозначен
стрелкой
Глава
Одномерные
плазмонные
фотонные
магнитофотонные
кристаллы
режиме
возбуждения
поверхностного
плазмонного
резонанса
Пятая
глава
посвящена
исследованию
плазмонных
МФК
Впервые
предложена
структура
одновременного
возбуждения
резонансов
природы
[A29]: (
оптических
резонансов
связанных
периодичностью
поверхностного
плазмонного
резонанса
металлическом
слое
структуры
. 11).
Исследованными
образцами
являлись
МФК
которых
последний
предпоследний
изготовлялся
благородного
другого
металла
эксперименты
проводились
поляризованного
света
геометрии
Кречманна
когда
кристаллы
воздухом
водой
случае
плазмонных
МФК
проведенные
эксперименты
показали
что
оптическое
таммовское
состояние
плазмонная
полоса
поглощения
наблюдались
оптических
спектрах
. 12).
. 11.
Схема
эксперимента
для
одновременного
возбуждения
оптического
таммовского
состояния
поверхностного
плазмонного
резонанса
МФК
/Au.
Тонкая
линия
показывает
схематически
распределение
амплитуды
поля
кристалле
. 12.
Спектры
отражения
плазмонного
МФК
– (SiO
/Bi:YIG)
геометрии
Кречманна
углов
падения
призмы
рис
. 11)
= 43–45.7
Соответствующие
спектры
отклика
угол
вращения
плоскости
поляризации
угол
керровского
вращения
).
Граничащая
золотом
среда
воздух
Известно
что
спектральное
положение
плазмонной
полосы
поглощения
определяется
возбуждения
материалом
призмы
углом
света
средой
поверхности
металла
следует
выражению
sin() - 0, Re
ff
nnn
, (4)
где
это
показатель
преломления
призмы
угол
света
призмы
диэлектрическая
постоянная
золота
показатель
преломления
среды
граничащей
золотом
Поэтому
параметров
МФК
определялся
исходя
выражения
спектрального
положения
(0)1-
, (5)
где
это
спектральное
положение
пика
нормальном
света
угол
света
призмы
показатель
преломления
призмы
eff
эффективный
показатель
преломления
МФК
Обнаружено
что
спектральное
положение
плазмонной
полосы
значительно
смещается
коротковолновую
область
увеличении
тогда
как
смещается
незначительно
поэтому
возможно
спектральное
этих
резонансов
Показано
что
управление
спектральным
положением
плазмонной
полосы
влияет
форму
линии
отклика
Обнаружено
что
угла
меняется
противоположный
пересечении
плазмонной
полосы
поглощения
этом
угла
вращения
поляризации
практически
меняется
[A29].
Наблюдаемые
эффекты
интерпретированы
как
следствие
перераспределения
амплитуд
независимых
компонент
электрического
поля
отраженной
волны
счет
поглощения
поляризованной
компоненты
зависимость
спектрального
положения
плазмонного
резонанса
угла
диэлектрической
постоянной
материала
поверхности
тонкой
благородного
металла
использовано
чувствительности
сенсоров
основе
плазмонных
МФК
[A34–A36].
Экспериментально
установлено
что
плазмонные
МФК
обладают
большей
чувствительностью
предельно
малым
изменениям
диэлектрической
постоянной
материала
поверхности
сенсора
детектировании
биологических
реакций
между
белковыми
молекулами
Используется
современных
оптических
биосенсорах
(Biacore Technology).
Рис
. 13.
Геометрия
численного
эксперимента
принципиальная
структура
1D
плазмонного
схематическое
распределение
электрического
поля
внутри
кристалла
Спектры
отражения
поляризованного
света
случае
непоглощающего
(Ta
1, R = 1), (Ta
/SiO
содержащего
золота
толщиной
линия
(Ta
содержащего
золота
толщиной
Спектры
рассчитаны
угла
= 63
Проведенный
теоретический
анализ
показал
что
максимальная
чувствительность
сенсоров
основе
плазмонных
металлическим
слоем
наблюдается
кристаллов
поддерживающих
поверхностную
блоховскую
волну
непоглощающих
поверхностная
блоховская
волна
может
наблюдаться
спектрах
отражения
эффекта
полного
внутреннего
отражения
наличие
плазмонного
слоя
обеспечивает
отток
энергии
волны
канала
отражения
визуализацию
резонансов
связанных
периодичностью
. 13).
Подбор
толщины
плазмонного
слоя
структуры
обеспечивает
наблюдение
высокодобротного
пика
поверхностной
блоховской
волны
известными
оптическими
биосенсорами
показало
что
спектральное
смещение
пика
поверхностной
блоховской
волны
счет
изменения
диэлектрической
постоянной
поверхности
сенсора
ближайшей
окрестности
дает
только
значительное
повышение
чувствительности
сенсора
1500 nm/RIU) ,
устойчивость
его
рабочих
характеристик
[A34–A36].
Глава
Особенности
магнитооптического
отклика
субволновых
плазмонных
пленок
основе
граната
золота
Результаты
исследований
свойств
субволновых
композитных
основе
частиц
золота
внедренных
пленку
Bi:YIG,
приведены
шестой
главе
Изготовленными
двух
неупорядоченный
массив
золотых
частиц
латеральными
размерами
диапазоне
полученный
помощью
многократного
напыления
расплава
протяженной
пленки
пленку
. 14) [A16, A23],
квадратная
прямоугольная
решетка
золотых
частиц
внедренная
пленку
Bi:YIG [A37, A38].
случаях
толщина
основе
проведенного
численного
моделирования
системы
впервые
исчерпывающее
объяснение
механизма
увеличения
угла
магнитооптического
вращения
возбуждении
локализованного
плазмона
дается
интерпретации
наблюдаемых
спектров
найдены
параметры
плазмонного
магнитооптического
переключателя
[A38].
Экспериментальное
исследование
плазмонных
Bi:YIG-Au
фарадеевской
геометрии
показало
что
оптических
спектрах
наблюдается
полоса
поглощения
окрестности
= 600
связанная
возбуждением
локализованного
плазмонного
резонанса
. 15).
Соответственно
спектрах
отклика
обнаружен
увеличенного
угла
вращения
плоскости
поляризации
вращением
пленок
Bi:YIG.
Спектральное
положение
плазмонного
резонанса
неупорядоченных
хорошо
описывается
известным
выражением
дипольного
резонанса
сферической
частице
()2()
BiYIG
. (6)
. 14.
Изображения
полученные
помощью
сканирующего
электронного
микроскопа
островковые
неупорядоченные
структуры
изготовленные
помощью
многократного
напыления
расплава
тонкой
пленки
толщиной
при
температуре
скол
нанопленки
напылялся
поверх
островковых
структур
Рис
. 15.
Спектры
пропускания
вращения
плоскости
поляризации
: 1 – Bi:YIG
пленка
, 2 – Bi:YIG-Au
пленка
четыре
напыления
расплава
Au), 3
после
после
шести
Толщина
напыляемого
Bi:YIG
примерно
Обнаружено
отклик
увеличивается
однократном
прохождении
света
через
нанопленку
Bi:YIG-Au,
стремится
отклику
сплошной
двукратном
прохождении
света
накапливается
многократном
прохождении
[A33].
Таким
образом
эффект
усиленного
вращения
поляризации
частотах
плазмонного
резонанса
является
эффектом
когда
сильные
ближние
поля
окрестности
частиц
приводят
анизотропному
пропусканию
света
независимыми
поляризациями
Рис
Изображение
полученное
помощью
сканирующего
электронного
микроскопа
квадратная
решетка
дисков
Модель
исследованных
внутри
Bi:YIG,
изготовленные
подложке
кварца
Рис
Спектры
пропускания
вращения
плоскости
поляризации
пленок
пленка
Толщина
напыляемого
= 100
Экспериментально
теоретически
исследованы
оптические
свойства
зависимости
периода
частиц
[A38].
Обнаружено
что
спектральное
положение
коротковолновой
полосы
описывается
выражением
локализованного
плазмонного
резонанса
сферической
частице
выражение
Длинноволновая
полоса
поглощения
также
является
следствием
возбуждения
локализованных
плазмонов
золотых
частицах
спектральное
положение
определяется
условием
света
нанопленке
eff
, (7)
где
BiYIG
BiYIG
BiYIG
eff
BiYIG
εεεε
−
(8)
это
эффективный
показатель
преломления
рассчитанный
рамках
Максвелла
Гарнетта
iYIG
Au
это
вещественные
части
частотно
зависимых
диэлектрических
проницаемостей
граната
золота
это
объемная
доля
приходящаяся
частицы
золота
Расчет
формулам
проводился
частот
наблюдения
длинноволновой
полосы
как
экспериментальных
так
расчетных
спектрах
исследованной
впервые
показано
что
существует
критический
период
когда
достигается
ближнепольный
сильного
подавления
пропускания
таком
режиме
счет
отклика
Bi:YIG,
происходит
гигантское
увеличение
угла
поворота
плоскости
поляризации
возможностью
конвертации
поляризации
падающей
волны
независимую
также
эллиптическую
поляризацию
направлением
циркуляции
контролируемым
направлением
внешнего
магнитного
поля
Таким
образом
предложенная
система
является
управляемой
сверхтонкой
ближнепольной
волновой
пластинкой
[A38].
Основные
результаты
выводы
Оптический
эффект
Боррманна
приводит
увеличению
угла
поворота
поляризации
счет
снижения
групповой
скорости
волны
распространяющейся
МФК
этом
рост
амплитуды
электрического
поля
излучения
длиной
волны
соответствующей
коротковолновому
длинноволновому
полосы
пропускания
происходит
слоях
большим
показателем
преломления
ограниченных
кристаллах
изготовленных
Bi:YIG,
эффект
Боррманна
приводит
росту
угла
фарадеевского
вращения
Показано
что
прирост
угла
вращения
больше
длинноволновом
краю
счет
локализация
поля
слоях
Bi:YIG.
Впервые
экспериментальных
оптических
спектрах
МФК
структурой
поддерживающей
оптические
таммовские
состояния
обнаружен
внутри
связанный
резонансным
взаимодействием
света
структурой
Увеличение
фарадеевского
угла
таких
структурах
происходит
счет
значительной
локализации
волны
одном
слоев
аналогии
микрорезонатором
Фабри
результатом
чего
является
увеличение
угла
фарадеевского
вращения
Обнаружено
увеличение
фарадеевского
вращения
двойных
микрорезонаторах
Фабри
основе
МФК
Экспериментально
показано
что
спектр
фарадеевского
вращения
дублетную
структуру
являющуюся
признаком
взаимодействующих
микрорезонаторов
изучено
влияние
множественной
брэгговской
магнитооптические
спектры
МФК
выращенных
использованием
технологии
клонирования
подложки
Показано
что
наблюдаемые
особенности
оптических
спектрах
МФК
связаны
сильной
анизотропией
пропускания
поляризованного
света
Обнаружено
что
угол
поворота
плоскости
поляризации
значительно
растет
что
вращения
поляризации
меняется
противоположный
режиме
пересечения
фотонных
стоп
зон
фотонной
суперпризмы
наблюдалось
увеличение
отклика
дифрагированного
света
толщиной
выращенные
поверхности
опаловых
обладают
периодической
структурой
являющейся
репликой
поверхности
опала
спектрах
таких
структурированных
обнаружены
спектральные
полосы
связанные
решетке
Bi:YIG.
Показано
что
связанная
анизотропия
оптических
свойств
структурированных
пленок
значительно
влияют
отклик
использованием
фотонных
кристаллов
основе
опалов
экспериментально
исследована
трансформация
поляризации
прошедшего
света
Обнаружено
что
поляризационное
состояние
прошедшей
волны
определяется
амплитудной
фазовой
анизотропией
пропускания
независимых
компонент
входящего
кристаллы
поляризованного
света
основе
искусственных
опалов
впервые
синтезированы
МФК
Тонкопленочные
объемные
опалов
использовались
как
матрица
заполнения
магнитооптическим
материалами
так
качестве
брэгговских
зеркал
структуре
микрорезонатора
Фабри
Обнаружено
изменение
свойств
опал
магнитное
вещество
композитов
зависимости
магнитных
свойств
объема
введенного
опал
магнитного
вещества
Показано
что
структурах
опал
опал
наблюдается
резонанс
Фабри
соответствующее
ему
усиление
фарадеевского
вращения
Предложена
концепция
плазмонных
МФК
основанная
возможности
возбуждения
кристаллах
поверхностных
волн
различной
природы
продемонстрировано
что
таких
кристаллах
резонанс
поверхностной
блоховской
волны
другие
резонансы
связанные
периодичностью
кристаллов
может
быть
визуализирован
счет
поглощения
волны
слое
металла
Поглощение
поверхностной
блоховской
волны
наблюдается
спектрах
отражения
измеренных
геометрии
полного
внутреннего
отражения
как
высокодобротная
Обнаружено
значительное
повышение
чувствительности
робастности
оптических
сенсоров
основе
предложенных
плазмонных
МФК
Обнаружено
что
плазмонных
магнитооптических
нанокомпозитах
периодических
структурах
основе
золота
плазмонная
магнитооптической
матрице
наблюдается
усиление
магнитооптического
отклика
частотах
локализованных
плазмонных
резонансов
Впервые
показано
что
эффект
усиления
наблюдается
однократном
прохождении
света
через
образцы
накапливается
многократном
прохождении
основе
экспериментальных
исследованию
плазмонных
магнитооптических
структур
теоретически
проведено
моделирование
спектров
2D
структур
Обнаружена
связь
между
параметрами
плазмонной
гигантскими
углами
плоскости
поляризации
Обнаружены
эффекты
конвертации
поляризованного
света
эллиптически
поляризованный
возможностью
переключения
циркулярности
поляризации
что
может
быть
использовано
сверхтонкой
перестраиваемой
ближнепольной
Часть
результатов
получена
автором
работы
Технологическом
университете
Тоɺхаси
(Toyohashi University of Technology),
качестве
исследователя
(postdoctorate researcher)
профессора
(associate professor)
соавторстве
коллегами
том
числе
студентами
аспирантами
университета
Основные
результаты
диссертации
отражены
следующих
публикациях
A.V. Baryshev, T. Kodama, K. Nishimura,
H. Uchida, M. Inoue
, Three-dimensional
R. Fujikawa, A.V. Baryshev, K. Nishimur
a, H. Uchida, M. Inoue, Optical study on
opaline thin films grown by vertical deposition// J. Porous Mat. – 2006. – V. 13. – P. 287–
T. Kodama, K. Nishimura, A.V. Baryshev,
H. Uchida, M. Inoue, Opal photonic crystals
A.B. Khanikaev, A.V. Baryshev, P.B. Lim,
H. Uchida, M. Inoue, A.G. Zhdanov, A.A.
S. Baek, M. Dokukin, K. Yayoi, A. Bary
shev, M. Inoue, Diffraction-modified Kerr
A.V. Baryshev, A.M. Merzlikin, Approach
to visualization of and optical sensing by
X. Luo, and T. Ishihara, Surface plasm
on resonant interference nanolithography

Приложенные файлы

  • pdf 11389660
    Размер файла: 908 kB Загрузок: 0

Добавить комментарий