Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Введение 4
1.1. Поверхностные электромагнитные волны 4
История плазмонных исследований 4
Поверхностные плазмон-поляритоиы 5
Двухмерные фотонные кристаллы 6
Фотонные оптические устройства „ 8
1.2. Взаимодействие вещества с ультракоротким мощным лазерным излучением 10
Оптический пробой 10
Лазер-кластерное взаимодействие 11
1.3. Общая характеристика работы 16
Глава 2. Поверхностные поляритонные моды ближнеполыюго зонда 22
2.1. Поверхностные поляритонные моды цилиндрического ближнеполыюго зонда. .. 23
2.2. Преобразование падающего излучения в цилиндрические поверхностные поляритоны 33
2.3. Резонансные поверхностные поляритоны цилиндрического трехслойного волновода в дальнем ИК диапазоне 41
2.4. Цилиндрические поверхностные плазмон-поляритоиы в среде с пространственно
неоднородной диэлектрической проницаемостью 48
2.5. Резонансные моды поверхностных плазмон-поляритопов конического ближнеполыюго зонда 55
Заключение 5S
Глава 3. Исследование свойств и структуры поля поверхностных электромагнитных
возбуждений оптического диапазона 59
3.1. Радиальные цилиндрические поверхностные электромагнитные волны 61
3.2. Локализация оптического излучения с помощью ПЭВ 65
3.3. Интерференционные геометрии двухмерных фотонных структур 70
3.4. Возбуждение поверхностных плазмон-поляритопов при ультракоротких
воздействиях 75
Заключение 77
Глава 4. Нарушение зарядового равновесия в твердом теле под действием сверхкоротких импульсов и его роль в субмикрошюй реструктуризации кристаллической решетки 78
4.1. Динамика разлета наиочастицы, полностью ионизированной мощным ультракоротким лазерным импульсом 80
Описание модели 81
Возбуждение электронного ансамбля и эмиссия электронов под действием импульса 83
Нарушение зарядового равновесия и движение тяжелых частиц 85
Численное моделирование динамики разлета ионов 89
Обсуждение и выводы 91
4.2. Деструкция наночастицы, частично ионизированной мощным ультракоротким
лазерным импульсом 93
Описание модели 93
«Континуальное» приближение 94
Численное моделирование 97
Обсуждение и выводы 100
Заключение 102
Приложение 1. Методика расчета интерференции цилиндрических поверхностных электромагнитных волн в двухмерных фотонных кристаллах 103
Приложение 2. Методика расчета разлета ионов в процессе "кулоновского взрыва"... 109
Благодарности 120
Список литературы 121
- Поверхностные электромагнитные волны
- Поверхностные поляритонные моды цилиндрического ближнеполыюго зонда.
- Радиальные цилиндрические поверхностные электромагнитные волны
- Динамика разлета наиочастицы, полностью ионизированной мощным ультракоротким лазерным импульсом
Введение к работе
Актуальность темы
Представленная работа содержит результаты теоретического исследования интенсивного лазерного воздействия в условиях предельной пространственной и временной локализации излучения. Она состоит из двух самостоятельных разделов, первый из которых посвящен анализу применения поверхностных электромагнитных поляритонов для локализации излучения в ближнепольных зондах на масштабах много меньших длины лазерного излучения, а второй — исследованию особенностей воздействия на среду ультракоротких лазерных импульсов, длительность которых гораздо меньше всех характерных времен релаксации в системе твердого тела.
Эффективность ближнепольных зондов, обычно представляющих собой заостренное волокно, наружная поверхность которого, за исключением вершины конуса, покрыта непрозрачным слоем металла, не превышает 1 0"М О"3. Это связано с тем, что при уменьшении диаметра волоконного волновода менее диаметра отсечки излучение перестает распространяться в виде волноводной моды и преимущественно рассеивается в оболочку волокна. Поиск новых принципов и подходов к улучшению энергетической эффективности ближнепольных зондов является важной и актуальной задачей [1].
Одним из подходов к решению проблемы локализации электромагнитного излучения в нанооптике является использование структур с фотонными зонами (photonic band gap structures, PBGS) [2], где в результате интерференции света, многократно рассеянного на периодических наноструктурах, происходит его локализация и появляется возможность направляемого распространения излучения на субмикронных масштабах. Перспективными практическими реализациями PBGS являются периодические структуры на поверхности металлических пленок или системы упорядоченных металлических нанообразований на диэлектрической подложке. В таких системах происходят возбуждение, многократное рассеяние и интерференция поверхностных плазмон-поляритонов, приводящие к пространственной локализации оптического излучения. Большой интерес, вызванный использованием таких поверхностных структур, определяется тем, что они достаточно просты с точки зрения технологии их изготовления и достаточно легко интегрируются с другими оптоэлектронными элементами.
Интерес к процессам, происходящим при воздействии ультракороткого лазерного импульса (УКИ) на твердое тело связан как с фундаментальными аспектами, так и с возможностями технологических приложений. Среди них -лазерные методы нанотехнологии [3], создание мощных пучков высокоэнергетичных ионов [4] и другие. Технологии, связанные с применением очень коротких импульсов, перспективны из-за возможности существенного повышения точности и качества обработки материалов по сравнению с воздействием нано- и пико- секундными импульсами [5-6].
Значительных успехов удалось достичь в понимании физики процессов воздействия УКИ на металлы. В работах [7-8] была предложена т.н. "двухтемпературная модель" УК воздействия, которая легла в основу практически всех современных методов расчета порогов оптической деструкции под действием коротких лазерных импульсов. Предложенные подходы не описывают всю совокупность процессов макроскопической деструкции. Особенности механизма деструкции прозрачных материалов УК импульсами поняты далеко не полностью, а применимость двухтемпературной модели и теории нуклеации к таким системам неочевидна.
В связи с этим проведенное в работе последовательное теоретическое исследование изменения состояния твердого тела с нарушенным зарядовым равновесием и анализ влияния этого фактора на возникновение оптического разрушения материала при его интенсивном облучении является актуальным.
Цель работы
-
Теоретическое исследование свойств и структуры поля поверхностных поляритонов (ПП), выяснение предельных и реальных возможностей использования ПП для пространственной локализации светового излучения в ближнепольных оптических устройствах и оптоэлектронных устройствах субмикронных размеров.
-
Теоретическое исследование нарушения зарядового равновесия в твердом теле под действием ультракоротких импульсов и анализ его роли в субмикронной реструктуризации кристаллической решетки и инициировании лазерной деструкции прозрачных оптических сред.
Научная новизна
-
Впервые теоретически рассмотрены распространение и возбуждение цилиндрических и конических поверхностных плазмон-поляритонов в условиях предельной пространственной локализации.
-
Было впервые предложено последовательное описание возбуждения поверхностных электромагнитных волн в массивах упорядоченных неоднородностей на основе представления о цилиндрических поверхностных поляритонах.
-
Предложены новые подходы к анализу энергетического спектра ионов, движение которых в наночастице и за ее пределами обусловлено ускорением в кулоновском поле, возникающем вследствие нарушения зарядового равновесия в среде при действии УКИ, и тормозящим действием нейтральных узлов решетки твердого тела.
-
Разработан новый статистический метод расчета кулоновских сил внутри диэлектрика, вызванных случайным расположением его ионизованных узлов. Впервые проведено сопоставление результатов аналитического расчета и численного моделирования разлета частично ионизованной наночастицы.
Практическая ценность
Предложенный подход, обеспечивающий локализацию света в ближнепольных зондах, имеет практические преимущества для излучения инфракрасного диапазона (в частности, для излучения С02-лазера), где длина пробега цилиндрического поверхностного поляритона составляет 1-10 см, а зонды могут быть изготовлены с помощью существующих технологий.
Численные расчеты показали, что в типичном случае резонансной решетки с высотой около 0,1 длины волны электрические поля цилиндрических поверхностных поляритонов и падающей волны сопоставимы по амплитуде. Это подразумевает достаточную эффективность преобразования лазерного излучения в поверхностные электромагнитные волны (ПЭВ) для практических нужд в области ближнепольной оптики.
Исследование локализации и распространения излучения ПЭВ в массивах упорядоченных неоднородностей может быть использовано для моделирования поведения фотонных оптических устройств в двумерной микро- и нанооптике.
Результаты исследований динамики разлета быстрых ионов из нанообъекта могут быть использованы для разработки физических основ нового метода субмикронной реструктуризации материалов под действием ультракоротких световых импульсов, и создания на их поверхности квантовых точек с контролируемыми параметрами.
Положения, выносимые на защиту;
-
Резонансные поверхностные плазмон-поляритоны (ТМ0-мода) цилиндрического трехслойного волновода могут быть локализованы теоретически в сколь угодно малом пространстве. При определенных условиях возможна полная локализации поля цилиндрических поверхностных поляритонов (ЦПП) внутри волновода.
-
В случае резонансного возбуждения при соблюдении условия типа фазового синхронизма коэффициент преобразования падающего излучения в ЦПП на гармонической решетке, "навитой" на поверхность цилиндрического металлического волновода, ограничен только диссипативными и излучательными потерями. При нерезонансном возбуждении амплитуда волны конечна и быстро уменьшается с увеличением расстройки.
-
В системах упорядоченных неоднородностей субмикронных размеров распределение светового поля существенно изменяется при изменении соотношения между длиной волны излучения и периодом упорядоченной структуры, а также зависит от поляризации падающей волны и эффективной длины пробега возбуждаемых поверхностных поляритонов. При определенном соотношении параметров возможно возникновение волноводного эффекта, при котором излучение преимущественно локализовано внутри канала между массивами рассеивателей
-
Расчеты энергетических спектров разлетающихся тяжелых заряженных частиц, выполненные для полностью или частично ионизованной наночастицы, показали, что возникающие в системе кулоновские потенциалы достаточно высоки, и позволяют ускорить разлетающиеся ионы до энергий в несколько КэВ.
-
Сравнение результатов расчета, выполненного на основе предложенного аналитического метода, с результатами компьютерного моделирования подтвердили пригодность использования континуальной модели среды для анализа энергетического распределения ионов в наночастице и за ее пределами, а также динамики разлета наночастицы, ионизованной лазерным излучением.
Апробация основных результатов
Основные результаты, включенные в диссертацию, опубликованы в 10 статьях, изложены в докладах и трудах международных конференций:
Оптика, 19-21 Октября 1999 (Санкт-Петербург Россия)
Оптика, 16-20 Октября 2000 (Санкт-Петербург, Россия)
Laser Optics, 26-30 June 2000 (Saint-Petersburg, Russia)
Scanning Probe Microscopy, 26 February - 1 March 2001 (Nizhny Novgorod, Russia)
Оптика, 16-19 Октября 2001 (Санкт-Петербург, Россия)
International Conference on Coherent and Nonlinear Optics, 26 June - 1 July
2001 (Minsk, Belarus)
Scanning Probe Microscopy, 3-6 March 2002 (Нижний Новгород, Россия)
Photonics Prague, 26-29 May 2002 (Prague, Czech Republic)
The 4th Nordic-Baltic Scanning Probe Microscopy Workshop, 29-31 May
2002 (Tartu, Estonia)
Optical Micro- and Nanotechnologies, 17-18 June 2002 (Saint-Petersburg, Russia)
Conference on Lasers, Applications and Technologies, 22 - 28 June 2002 (Moscow, Russia)
Near Field Optics, 11-15 August 2002 (Rochester NY, USA)
Saratov Fall Meeting, 1-4 October 2002 (Саратов, Россия)
Problems of Optics and High Technology, 23-26 October 2002 (Kiev, Ukraine)
Scanning Probe Microscopy, 2-5 March 2003 (Nizny Novgorod, Russia)
International Symposium on Intensive Laser Actions and their Applications, 28 June - 1 July 2003 (Saint-Petersburg, Russia)
Saratov Fall Meeting Saratov, 7-10 October 2003 (Saratov, Russia)
Basic Problems of Optics, 18-21 October 2004 (Saint-Petersburg, Russia)
Scanning Probe Microscopy, 25 March - 28 March 2005 (Нижний Новгород, Россия)
International Conference on Coherent and Nonlinear Optics, 11-15 May 2005 (Saint-Petersburg, Russia)
Boulder Damage Symposium, 19-21 September 2005 (Boulder, CO USA)
Days on Diffraction, 30 May - 2 June 2006 (Saint-Petersburg, Russia)
Личный вклад автора
Все основные результаты, представленные в диссертации, получены лично Д.С. Смирновым.
Структура и объем диссертации
Поверхностные электромагнитные волны
В 1704 Ньютон наблюдал явление полного внутреннего отражения в опыте с контактом поверхности полностью отражающей призмы и выпуклой линзой. Таким образом, он открыл эванесцентные электромагнитные поля (или ближние поля), хотя и не представлял себе саму концепцию поля [1]. Зеннек в 1907 и Зоммерфельд в 1909 продемонстрировали теоретически, что электромагнитная волна в радиодиапазоне частот возникает на границе раздела двух сред, из которых одна является «диэлектриком с потерями» или металлом, а другая средой без потерь [2-5]. В 1936 Фано предположил, что поверхностные электромагнитные волны ответственны за возникновение аномальных эффектов в дифракционном спектре металлических решеток (аномалии Вуда) [6-8], Ритчи в 1957 показал теоретическое существование поверхностных плазмовых возбуждений па поверхности металла [9]. В 1958 Штерн и Феррелл указали па то, что поверхностные электромагнитные волны на металлической поверхности вызывают взаимодействие электромагнитного излучения с поверхностными плазмонами. Ими было впервые получено дисперсионное соотношение для поверхностных электромагнитных волн на поверхностях металлов [10]. Поуэлл и Сван (1960) наблюдали возбуждение поверхностных плазмонов на тонкой металлической фольге с помощью электронов [11]. Отто в 1969 разработал метод по наблюдению взаимодействия объемных электромагнитных волн и поверхностных электромагнитных волн на оптических частотах [12,13]. Кречмани и Рейтер модифицировали геометрию Отто в том же году [14], и на сегодняшний день их геометрия является самой широко используемой в устройствах по возбуждению поверхностных электромагнитных волн. В последующие годы сильный интерес к этой области исследований привел к публикации большого числа работ. Хороший обзор исследований до начала восьмидесятых приведен в книге Аграновича [15]. После этого периода интерес к этой области исследований несколько спал. Изобретение сканирующих зопдовых методов привело к возникновению целого ряда новых подходов к исследованию поверхностных плазмонов, но это датируется уже девяностыми годами, когда систематические открытия привели к возрождению интереса к исследованию поверхностных плазмонов.
Поверхностные плазмон-поляритоны Многие электромагнитные процессы на поверхности металлов, носящие экстраординарный характер, находятся в центре внимания современных исследований, В особенности, это относится к аномальным процессам при падении электромагнитных волн на границу раздела диэлектрик-металл с периодическим профилем рельефа, обычно называемыми аномалиями Вуда. В этом случае при определенных длинах волн и углах падения может произойти полное поглощение плоской волны металлической решеткой [16,17]. Более того, необычайное усиление рамановского распространяющего сигнала было обнаружено в экспериментах [18,19] по рамаповскому распространению от молекулы, адсорбированной на шероховатой поверхности металла. При ианометровых масштабах неровностей металлической поверхности наблюдалось усиление интенсивности рамановского сигнала до 106 раз. И, наконец, наблюдалось усиление сигнала вследствие шероховатости металлической поверхности во время процесса поверхностной генерации второй гармоники [20]. Детальное изучение условий возникновения этих феноменов привело к заключению, что они вызваны возбуждением поверхностных электромагнитных волн. Из чего можно заключить, что формирование электромагнитных волн на неровной поверхности иногда может приобрести довольно специфические свойства. В частности, усиление нелинейного отклика упомянутого выше является результатом аномального увеличения электрического поля поверхностных плазмон-поляритонов.
Поверхностные поляритонные моды цилиндрического ближнеполыюго зонда
Асимптоты кривых получены путем анализа характеристического уравнения (2.7) в зависимости от пределов сг, Д- 0 и сг, Д-»оо,где r = R2/R], A = R2 - Я(. Асимптоты представляют собой характеристические зависимости из [5] для цилиндрических двухслойных волноводов, полученных из исходного цилиндрического трехслойного волновода путем исключения одного из двух диэлектрических слоев.
Рассмотрим более подробно каждый случай. ТМо-мода I типа цилиндрического трехслойного волновода с металлической сердцевиной представляет собой поверхностный цилиндрический поляритон, бегущий по границе "сердцевина-прослойка". На Рис. 2.3(1) приведена зависимость компоненты поля Е2{р) при /?, /- =0.1. (Далее везде, где специально не оговорено, считается, что С0 = 1, R2 =1.5/?,, = 10.6 мкм).
Вид ТМо-моды I типа для цилиндрического трехслойного волновода с металлической прослойкой существенно зависит от значения волнового числа возбуждения q. В случае (д/к0)г е] существуют одинаково направленные поляритоны вдоль обеих поверхностей раздела сред (Рис. 2.3(2), Я[/Я0=0.2\), т.е. имеет место симметричная (в смысле распределения поля в металлическом слое) поляритоиная мода. В случае (qfk0)2 є} поляритоиная мода превращается в полноводную моду (при описании распределения поля в сердцевине используется уже обычная функция Бесселя, а не модифицированная). Здесь отличие между верхней (I) (Рис. 2.3(3), Rl/AQ=0A) и нижней (II) (Рис. 2.3(4), RJ/AQ =0.2) ветвями зависимости заключается в направленности возбуждения, бегущего вдоль границы "прослойка-ВС".
class3 Исследование свойств и структуры поля поверхностных электромагнитных
возбуждений оптического диапазона class3
Радиальные цилиндрические поверхностные электромагнитные волны
Взаимодействие света с поверхностью твердого тела является одним из центральных вопросов современной физической оптики. Наличие границы раздела сред существенным образом влияет на картину распространения оптического излучения, а взаимодействие света с поверхностью обладает целым рядом характерных особенностей. Среди них особое место занимают поверхностные электромагнитные волны (ПЭВ), или поверхностные поляритоны (ПП) [15Ы53]. Большой интерес к ПЭВ определяется тем, что они играют заметную роль во многих эффектах в широком диапазоне условий взаимодействия оптического излучения с поверхностью начиная от оптического пробоя [I52] и заканчивая аномально высоким оптическим пропусканием массивов отверстий с размерами меньше длины волны света [154]. В главе рассмотрены результаты, полученные при анализе пространственной локализации электромагнитного поля с помощью ПЭВ, а также при временной локализации возбуждения ПЭВ при воздействии ультракоротких лазерных импульсов на поверхность полупроводника.
Для объяснения многих явлений, возникающих на границе раздела двух сред, широко привлекаются представления о возбуждении поверхностных электромагнитных мод. При этом рассматривают два типа таких возбуждений: локализованные моды (поверхностные плазмоны), размеры локализации которых много меньше длины волны, и нелокализованные (ПЭВ), длина пробега которых много больше длины волны падающего излучения Я [155,156].
Возбуждение плазмоиов происходит на отдельных пеоднородиостях поверхности и на расположенных вблизи нее частицах [156]. Для возбуждения ПЭВ, которые обычно рассматриваются как плоские волны, необходимо, чтобы па поверхности имелись протяженные периодические микронеоднородпости рельефа или диэлектрической проницаемости среды є (типа решеток), Рассмотрение свойств ПЭВ проводится в значительной степени в связи с установлением их важной роли в образовании периодических структур при воздействии на поверхность ряда материалов интенсивного когерентного излучения [158, 159]. Считается, что такие структуры формируются при нагреве и разрушении поверхности в интерференционном поле двух плоских волн: падающей и дифрагированной, представляющей собой ПЭВ. Считается также, что изначальное возбуждение ПЭВ происходит на случайной периодической решетке резонансной пространственной частоты.
В работе [160] была предложена электродинамическая модель возникновения периодических структур, основанная на представлении о возбуждении светом цилиндрических поверхностных электромагнитных волн (ЦПВ). Как и ПЭВ, ЦПВ является нелокализованной модой, но в отличие от плоских ПЭВ для возбуждения ЦПВ не нужно периодического рельефа: как и плазмоны, ЦПВ возбуждается на отдельных неоднородпостях поверхности.
Динамика разлета наиочастицы, полностью ионизированной мощным ультракоротким лазерным импульсом
Существующие модели лазерной деструкции прозрачных конденсированных сред, основанные на концепциях лавинной ионизации и тепловой неустойчивости, принципиально непригодны для описания разрушения, вызванного действием ультракоротких импульсов (УКИ) излучения, длительность которых г й10 13сек значительно меньше, чем времена релаксации энергии (тг 10"12 -10" сек) в электронной и фоношюй подсистемах твердого тела.
Имеется много экспериментальных результатов, не описываемых существующими моделями. К ним относится, например, существование двух режимов лазерной абляции -"мягкого" и "жесткого" - при воздействии УКИ [180,181], сильных эмиссионных потоков электронов и ионов в поверхности облучаемых образцов (например, в [191,192]), мощных потоков быстрых ионов [184,185] при импульсном воздействии на фольги экстремально интенсивными лазерными импульсами.
Механизмы возникновения эмиссионных потоков и их возможное влияние на процессы лазерной деструкции в настоящее время не вполне ясны. В ряде работ предприняты попытки связать нарушение зарядового равновесия в решетке твердого тела с ее разрушением (т.н. модель "кулоновского взрыва", [184,190]).
Простые оценки показывают, что для плотностей поглощенного потока д в десятки ТВт/см и выше, характерных для экспериментов по УКИ лазерной абляции, скорости фотовозбуждения электронной подсистемы твердого тела могут достигать значений 109+ 10211/(фсексм3). Таким образом, световой импульс длительностью около ЮОфсек способен обеспечить плотность возбужденных электронов Дп в десятки процентов от полной концентрации узлов ti0 в решетке твердого тела .
Аналогичные оценки (Ди/и0 0.15) были получены в работах [188,189].
Эмиссионный уход из кристалла значительного числа электронов приводит к возникновению в нем электростатического поля нескомпенсированного положительного заряда с высокой напряженностью, способного вызвать движение тяжелых заряженных частиц, составляющих кристаллическую решетку и, как следствие этого, ее деструкцию ("кулоновский взрыв").
В настоящее время для анализа кулоновского взрыва в основном используются методы численного моделирования. Недостатком этих методов, в частности, широко применяемого метода молекулярной динамики, является то, что они требуют значительных компьютерных ресурсов, и практически позволяют проводить анализ разлета зарядов лишь для ансамблей, содержащих 102 103 частиц. В то же время при обычных условиях лазерного воздействия размер зоны возбуждения сравним с длиной волны света 10"5 10 см даже в условиях острой фокусировки светового пучка. Если учесть, что среднее расстояние между узлами в твердом теле составляет несколько ангстрем, это означает, что в типичных условиях свет воздействует на ансамбли, содержащие 107-г 109 узлов. Такие большие ансамбли частиц полностью ионизовать трудно технически, и численное моделирование их динамики затруднительно.
Области размером в несколько нанометров, содержащие до 105 атомных частиц, можно ионизовать полностью, и в этом случае описание эффекта нарушения зарядового равновесия в них существенно упрощается. Вместе с этим для описания поведения таких больших ансамблей можно использовать макроскопические (континуальные) методы, описывающие непрерывные среды. В данном разделе выполнено сопоставление результатов численного моделирования и аналитического описания кулоновского разлёта наночастиц в простых условиях [182].
