WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 |

На правах рукописи

КОРНЕЕВ Антон Алексеевич ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРОЦЕССА ГЕНЕРАЦИИ ТРЕТЬЕЙ ОПТИЧЕСКОЙ ГАРМОНИКИ ПРИ ОТРАЖЕНИИ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ОТ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ДИФРАКЦИОННЫХ РЕШЁТОК Специальность 01.04.21 – лазерная физика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва – 2009

Работа выполнена на кафедре общей физики и волновых процессов физического факультета Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова Научные руководители: доктор физико-математических наук, профессор Андреев Анатолий Васильевич, кандидат физико-математических наук, Прудников Илья Рудольфович Официальные доктор физико-математических наук, профессор оппоненты: Акципетров Олег Андреевич кандидат физико-математических наук Семиногов Владимир Николаевич

Ведущая организация: Институт общей физики имени Прохорова РАН

Защита состоится “ 19 “ марта 2009 года в 1730 на заседании диссертационного совета Д 501.001.31 при Московском государственном университете имени М.В.

Ломоносова по адресу: 119991, Москва, улица Академика Хохлова, дом 1, КНО, аудитория имени С.А.Хохлова.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультета МГУ имени М. В. Ломоносова.

Автореферат разослан “ ” февраля 2009 года.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 501.001.31, кандидат физико-математических наук, доцент Ильинова Т.М.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследований Процесс генерации третьей оптической гармоники (ГТГ) является одним из эффективных инструментов исследования свойств тонких металлических плёнок и наночастиц, находящихся на поверхности подложки. В этой связи следует отметить эксперименты по определению толщины металлической плёнки и численных значений компонент тензора нелинейной восприимчивости третьего порядка на основе анализа сигнала ГТГ. В отличие от процесса генерации второй оптической гармоники, процесс ГТГ может происходить в объеме изотропной среды, что позволяет использовать спектры нелинейного отклика на частоте третьей гармоники для определения формы и размеров одиночных наночастиц, а также их местоположения на поверхности.

Основной трудностью при использовании ГТГ является ее малая эффективность:

например, в случае золотой пленки на подложке отношение интенсивности регистрируемого сигнала на частоте третьей гармоники I(3) к интенсивности падающего на среду излучения накачки I() составляет I(3)/ I()10-11. Одним из возможных методов усиления сигнала третьей гармоники, помимо непосредственного увеличения интенсивности падающего излучения, является усиление нелинейного отклика металла при помощи возбуждения поверхностного плазмона (ПП). ПП представляет собой поверхностную электромагнитную волну, распространяющуюся вдоль границы раздела металл - вакуум. Причиной возникновения ПП являются коллективные колебания электронов проводимости в металле. ПП является частично продольной волной ТМ-типа.

При возбуждении ПП происходит “перекачка” энергии от возбуждающей объемной волны к поверхностной электромагнитной волне. Так как ПП существует лишь в тонком приповерхностном слое (толщина слоя 10нм), то плотность энергии его электромагнитного поля в несколько раз превосходит плотность энергии возбуждающей волны накачки. Именно это обстоятельство обуславливает значительное усиление интенсивности нелинейного отклика - а значит и процесса ГТГ - в случае эффективного возбуждения ПП.

Таким образом, процесс ГТГ при участии ПП протекает в три этапа: на первом этапе происходит возбуждение ПП, затем в результате нелинейного плазмон–плазмонного взаимодействия появляется поверхностная электромагнитная волна на частоте третьей оптической гармоники, на последнем этапе ПП на утроенной частоте преобразуется в объёмную волну, которая и регистрируется в экспериментах.

Следует отметить, что при использовании ПП для увеличения эффективности ГТГ возникает препятствие – невозможность прямого возбуждения ПП объемной волной на гладкой металлической поверхности, т.к. волновой вектор ПП всегда больше волнового вектора объемной волны. Одним из способов компенсации этой разницы является использование дифракционной решетки. В последнем случае металлическая плёнка наносится на дифракционную решётку из диэлектрика, а возбуждение ПП происходит при помощи какого либо из порядков дифракции возбуждающей волны.

Различают две геометрии возбуждения ПП на дифракционной решетке коллинеарную и неколлинеарную. При коллинеарной геометрии возбуждения штрихи дифракционной решетки перпендикулярны плоскости падения волны накачки. В неколлинеарной геометрии возбуждения ПП штрихи решетки параллельны плоскости падения света. Отличительной особенностью неколлинеарной схемы является возможность одновременного возбуждения двух разных ПП с использованием двух порядков дифракции волны накачки. Это обстоятельство значительно расширяет спектр нелинейных взаимодействий различных ПП, а также предоставляет дополнительные возможности для управления эффективностью возбуждения ПП и пространственным распределением его электромагнитного поля вблизи поверхности металла.

Таким образом, создание теоретической модели, которая правильно описывает наблюдаемые в эксперименте особенности нелинейного отклика металлической дифракционной решетки на частоте третьей оптической гармоники, позволяет дать физическую интерпретацию особенностям усиления нелинейного отклика при возбуждении ПП, а также сформулировать критерии для получения наибольшей интенсивности сигнала на частоте третьей гармоники в эксперименте.

Основные цели диссертационной работы Теоретическое исследование процесса ГТГ в металлической пленке на стеклянной подложке с периодическим рельефом поверхности (в дальнейшем - металлической дифракционной решетке) при возбуждении ПП. Изучение зависимости эффективности нелинейного преобразования от параметров схемы возбуждения ПП, а также их оптимизация для получения максимальной интенсивности сигнала на частоте третьей гармоники.

В работе были поставлены и решены следующие задачи:

1. Развитие аналитического подхода к решению векторных уравнений Максвелла, описывающих нелинейный отклик металлических дифракционных решеток при рассеянии векторного электромагнитного излучения [Andreev A.V. etc., Phys.Rev.B, V.69, p.035403, 2004], для изучения процесса ГТГ в тонких металлических пленках с различным рельефом поверхности.

2. Создание на базе развитого теоретического метода численного алгоритма и программного комплекса для проведения компьютерного моделирования процесса ГТГ в металлической пленке, расположенной на диэлектрической подложке с периодическим рельефом поверхности.

3. Сравнение результатов теоретических расчетов с экспериментальными данными, полученными к настоящему времени другими исследователями. Физическая интерпретация наблюдаемых в эксперименте эффектов при ГТГ. Развитие методики для определения структурных параметров металлической пленки из экспериментальных угловых спектров ГТГ.

4. Моделирование процесса возбуждения и линейного взаимодействия ПП на металлической дифракционной решетке в случае различных геометрий возбуждения.

5. Теоретическое исследование и интерпретация особенностей нелинейного отклика металлической пленки при возбуждении ПП. Анализ возможностей для усиления нелинейного отклика на частоте третьей гармоники.

Научная новизна 1. Впервые теоретически исследован процесс усиления ГТГ в тонких металлических пленках на диэлектрической дифракционной решетке при возбуждении ПП.

2. Теоретически исследованы особенности нелинейного взаимодействия поверхностных плазмонов в коллинеарной и неколлинеарной геометрии возбуждения ПП. Показано как эти особенности влияют на эффективность нелинейного отклика.

3. Аналитически показано, что образование запрещенной зоны при возбуждении ПП в неколлинеарной схеме влияет на интенсивность нелинейного отклика на частоте третьей гармоники. Исследован физический механизм этого влияния.

4. Теоретически исследована связь между анизотропией нелинейных свойств тонкой металлической пленки, расположенной на диэлектрической подложке с периодическим рельефом поверхности, и эффективностью ГТГ в этой пленке.

5. На основе численного моделирования исследовано влияние структурных параметров металлической дифракционной решетки (период, высота рельефа, форма рельефа) на эффективность нелинейного отклика на частоте третьей гармоники.

6. Аналитически показано, что существует схема ГТГ в тонких металлических пленках, позволяющая увеличить максимальную интенсивность регистрируемого сигнала на два порядка по сравнению с ранее используемыми экспериментальными схемами.

Практическая ценность представленных в работе исследований 1. В результате теоретического исследования процесса линейного взаимодействия двух возбуждаемых поверхностных плазмонов, показана возможность управления распределением электромагнитного поля накачки внутри металлической пленки путем изменения формы рельефа дифракционной решетки.

2. На основе результатов численного моделирования найдены оптимальные значения для структурных параметров дифракционной решетки и характеристик падающего излучения накачки, которые необходимы для получения наибольшего усиления (в 104 раз) интенсивности сигнала на частоте третьей гармоники при возбуждении поверхностного плазмона.

Положения, выносимые на защиту 1. Причиной асимметрии плазмонных резонансов наблюдаемых при малых ( < 2°) азимутальных углах поворота решетки вокруг нормали в случае использования неколлинеарной геометрии возбуждения (плоскость падения волны накачки направлена вдоль штрихов решетки) является взаимодействие двух плазмонов. Это взаимодействие возникает в результате рассеяния поверхностного плазмона на второй гармонике рельефа поверхности и приводит к появлению запрещенной зоны для поверхностных плазмонов.

2. При использовании неколлинеарной схемы возбуждения поверхностного плазмона появляются дополнительные каналы обмена энергией между поверхностными электромагнитными волнами и объёмной электромагнитной волной на частоте третьей оптической гармоники, которые связаны с нелинейным взаимодействием поверхностных плазмонов, распространяющихся в различных направлениях. Появление этих каналов приводит к усилению интенсивности сигнала на частоте третьей оптической гармоники и является отличительной особенностью ГТГ в случае неколлинеарной схемы.

3. Учет взаимного пространственного расположения плоскостей поляризации падающей на металлическую дифракционную решетку волны накачки и возбуждаемого ПП открывает новые возможности управления эффективностью нелинейного отклика на частоте третьей гармоники.

Апробация работы Результаты исследований, вошедших в диссертационную работу, опубликованы в печатных работах, в том числе в 4-х научных статьях (из них 3 в журналах из списка ВАК), а также докладывались на следующих конференциях: “Фундаментальные проблемы оптики”, С. Петербург, 2004; “International Conference on Coherent and Nonlinear Optics” (ICONO), С. Петербург, 2005; “International Conference on Coherent and Nonlinear Optics” (ICONO), Минск, 2007; “Поляризационная оптика”, Москва, 2008; “Bilateral russian-french workshop on Nanosciences and Nanotechnologies”, Москва, 2008.

Личный вклад автора Автор диссертации участвовал в формировании задач исследований, обсуждении и физической интерпретации полученных результатов. Ему принадлежит разработка и создание программы для математического моделирования исследуемых объектов, а также работа по проведению численных экспериментов.

Структура диссертационной работы:

Диссертационная работа состоит из введения пяти глав и заключения.

Общий объем диссертации 123 страницы, в том числе 50 иллюстраций. Список литературы содержит 156 названий.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ Во введении обоснованна актуальность диссертационной работы, сформулированы основные цели и кратко изложены результаты проведенных исследований, а также сформулированы защищаемые положения.

Первая глава является обзором литературы и посвящена описанию основных аспектов исследования ПП, а также процесса ГТГ в тонких металлических пленках. В разделе 1.1 изложены основные исторические этапы исследования ПП с момента его первого наблюдения Робертом Вудом в 1902 году до настоящего времени. Раздел 1.посвящен теоретическому рассмотрению условий существования ПП и выводу его дисперсионного соотношения. Обзор основных схем возбуждения ПП на металлической поверхности приведен в разделе 1.3. В разделе 1.4 представлены различные направления исследований ПП, а основные области его практического применения рассмотрены в разделе 1.5. В заключение обзора литературы описаны основные исторические этапы исследования процесса ГТГ при отражении электромагнитного излучения от поверхности металла. Также рассмотрены примеры использования поверхностного плазмона для увеличения нелинейного отклика на частоте третьей гармоники.

Во второй главе представлено подробное описание процесса ГТГ при отражении волны накачки от тонкой металлической пленки, нанесенной на поверхность стеклянной дифракционной решетки с синусоидальным профилем. В разделе 2.1 исследован процесс генерации ПП на поверхности металлической пленки (см. Рис. 1). Падающая электромагнитная волна с волновым вектором K, испытывает дифракцию на решётке, и в случае выполнения условия:

K sin( ) + nQ = (K sin sin + Qn)2 + (K sin cos)2 = = К (1) ПП c 1 + происходит возбуждение ПП с волновым вектором К в (n)-ом порядке дифракции ПП падающего излучения. Изучение процесса возбуждения ПП происходит с помощью анализа коэффициента отражения от угла падения волны накачки. В случае возбуждения ПП на кривой зеркального отражения наблюдается минимум, обусловленный обменом энергией между падающей волной и ПП.

Рис. 1 Схема генерации поверхностного плазмона при рассеянии света на металлической дифракционной решётке. K-волновой вектор падающей волны, Ksin()- проекция волнового вектора падающей волны на подстилающею поверхность дифракционной решетки, KПП –волновой вектор поверхностного плазмона, Q- вектор обратной решётки, -угол падения, -азимутальный угол.

Pages:     || 2 | 3 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»