Введение к работе
Актуальность темы. Использование в оптических системах фотонных кристаллов позволяет внести существенный вклад в решение проблемы миниатюризации блоков оптических систем за счет уменьшения размеров самих устройств или применения одного устройства для решения сразу нескольких задач, например фильтрация по частоте и модуляция сигнала. Основным свойством фотонно-кристаллических структур (ФКС) является появление в спектрах пропускания и отражения, так называемых, фотонных запрещенных зон. Другое важное свойство ФКС – высокая степень локализации электромагнитных волн на дефектах решетки, что позволяет использовать нелинейные оптические эффекты. Интерес к ФКС вызван тем, что частотные зависимости их оптических свойств определяются не только геометрией структуры и составом входящих материалов, но и направлением распространения излучения, внешними полями и т.д. Одним из вариантов таких сред являются ФКС на основе магнетиков, использование которых позволяет управлять шириной и положением запрещенных зон, а также приводит к проявлению эффектов Керра и Фарадея. Поэтому исследование физической природы и условий усиления магнитооптических эффектов является важной задачей [1].
Модификация свойств ФКС может происходить при использовании в качестве ее составляющих нанокомпозитов. Нанокомпозит (НК) это многокомпонентный материал, состоящий из матрицы и распределенных в ней наноразмерных частиц. Такие структуры могут состоять из изотропных и анизотропных материалов, включая диэлектрики, металлы, полупроводники, сегнетоэлектрики и ферромагнетики. Использование наночастиц дает возможность управлять свойствами композита, используя изменение геометрических размеров, конфигурации нанообъектов и с помощью внешних полей. Волновые характеристики подобных структур существенно зависят от величины и направления внешних электрических и магнитных полей. Направление указанных полей существенно не только по отношению к направлению распространения волны, но и к направлению оси периодичности структуры. Дисперсионные свойства такой структуры во многом определяются частотной и полевой зависимостью диэлектрической и магнитной проницаемости компонент структуры, наличием гиротропии, диссипации или усиления.
В настоящий момент активно изучается влияние на свойства ФКС эффектов, при которых зависимость коэффициента преломления имеет резонансный характер, такие как: плазмонный и ферромагнитный резонансы. Однако в работах посвященных этой теме недостаточно подробно рассмотрен фундаментальный вопрос о влиянии поляризационной чувствительности спектров пропускания и отражения фотонным кристаллом линейно поляризованной электромагнитной волны.
Цель диссертационной работы: изучить влияние поляризационной чувствительности резонансной дисперсионной зависимости материальных параметров сред составляющих фотонный кристалл на модификацию его спектров отражения и пропускания.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
- проанализировать модификации спектров отражения и пропускания одномерного фотонного кристалла и степени локализации в нем электрического поля при наличии дефектов структуры различного типа и количества;
- изучить влияние плазмонного резонанса на спектры отражения и пропускания одномерного диэлектрического фотонного кристалла с нанокомпозитным дефектным слоем;
- изучить влияние ферромагнитного резонанса на спектры отражения и пропускания одномерного диэлектрического фотонного кристалла с ферромагнитным дефектным слоем;
- изучить влияние ферромагнитного резонанса на спектры отражения и пропускания фотонного кристалла (ферромагнетик-диэлектрик).
Научная новизна полученных автором результатов:
- показано, что ширина дефектной моды в фотонной запрещенной зоне одномерной фотонно-кристаллической структуры существенно зависит от отношения показателей преломления дефектных слоев и слоев, граничащих с дефектом;
- исследованы особенности модификации спектров пропускания и отражения ФКС, в которой активный слой (с резонансной дисперсией магнитной или диэлектрической проницаемости) находится между диэлектрическими брэгговскими зеркалами; если частота резонанса (или его наличие) зависит от поляризации падающего излучения, то в спектрах ТЕ и ТМ мод возможно практически полное подавление пропускания, которое наблюдается в различных частотных диапазонах;
- показано, что в частотной области соответствующей резонансу магнитной проницаемости, положение которой может быть изменено внешним магнитным полем, в спектрах отражения и пропускания ТЕ волны для поперечно-намагниченной магнитоактивной ФКС без дефектов и с дефектами инверсионного типа наблюдается частотная область с коэффициентом отражения близким к 1;
- показано, что в спектрах отражения и пропускания ТЕ волны поперечно-намагниченной бездефектной ФКС (магнетик-диэлектрик) в частотной области, соответствующей магнитному резонансу, наблюдается область с коэффициентом отражения, близким к 1. Положением этой области можно управлять внешним магнитным полем.
Практическая значимость: проведенный в работе анализ и полученные результаты относятся к практически важному разделу современной оптики и могут быть использованы при создании различных интегральных устройств, работающих на основе эффектов, проявляющихся в периодических структурах в широком диапазоне частот. Предложенные конфигурации фотонно-кристаллических структур позволяют эффективно управлять поляризацией и интенсивностью света, что дает возможность использовать их в качестве сенсоров магнитного поля и оптических модуляторов, которые необходимы для обработки информации в интегральных оптических схемах нового поколения.
Положения, выносимые на защиту:
- в спектрах отражения и пропускания ТЕ волны поперечно-намагниченной бездефектной ФКС (магнетик-диэлектрик) в частотной области, соответствующей магнитному резонансу, наблюдается область с коэффициентом отражения, близким к 1. Положением этой области можно управлять внешним магнитным полем. Спектр ТМ волны не чувствителен к внешнему магнитному полю;
- в ФКС, состоящей из слоев с равной оптической толщиной и содержащей в центре структуры одиночный дефект инверсионного типа с диэлектрической проницаемостью, меньшей проницаемости соседних слоев, локализация поля осуществляется на внутренней границе двух дефектных слоев; если же дефект образован слоями с проницаемостью, большей проницаемости соседних слоев, то в распределении волнового поля возникают два симметричных максимума, расположенных на внешних границах дефектных слоев. В первом случае ширина дефектной моды в 10 раз меньше и максимум локализации в 10 раз выше, чем во втором;
- в симметричной ФКС, в которой между двумя брэгговскими зеркалами, состоящими из слоев с равной оптической толщиной , находится дефектный слой с оптической толщиной , распределение поля имеет два максимума на границах дефекта, если он граничит со слоями с меньшей из диэлектрических проницаемостей материалов зеркал, и один максимум в центре дефекта, если он граничит со слоями с большей из диэлектрических проницаемостей;
- для собственных волн (ТЕ и ТМ) в нанокомпозите (металлические наноразмерные эллипсоиды, распределенные в диэлектрике) существуют две резонансные области, соответствующие ориентации вектора электрического поля вдоль большой и малой полуосей эллипсоида. Совпадение частоты дефектной моды в спектре ТЕ или ТМ волны симметричной ФКС, в которой дефектный слой находится между двумя брэгговскими зеркалами, состоящими из слоев с равной оптической толщиной, с областью резонанса для одной из собственных волн приводит к подавлению пропускания на этой частоте;
- для симметричной ФКС, в которой поперечно-намагниченный магнитоактивный слой находится между двумя диэлектрическими брэгговскими зеркалами, состоящими из слоев с равной оптической толщиной, попадание частоты дефектной моды в спектре ТЕ волны в частотную область, соответствующую магнитному резонансу, наблюдается подавление пропускания этой моды. Спектр ТМ волны не чувствителен к внешнему магнитному полю.
Апробация результатов исследования. Основные результаты работы докладывались на 11 конференциях: Moscow International Symposium on Magnetism Magneto-optical properties of periodic domain structure in magnetic field. Moscow 2011; III Международная научно-практическая конференция «Оптика неоднородных структур – 2011». Могилев, 2011; «Волны-2011». Москва, 2011; Российский семинар по волоконным лазерам 2012, Новосибирск, 2012; XXII Международная конференция «Новое в магнетизме и магнитных материалах», Астрахань, 2012 г; 9-й Всероссийская конференция с элементами молодежной научной школы «Материалы нано-, микро-, оптоэлектроники: физические свойства и применение». Саранск, 2010; XIV школа молодых ученых "Актуальные проблемы физики". Звенигород, 2012; Международная школа-семинар для студентов, аспирантов, молодых ученых и специалистов "Черемшанские чтения". Часть 3. Димитровград, 2012; IV российский семинар по волоконным лазерам. Ульяновск, 2010; 12-ая Международная научная конференции-школа «Материалы нано-, микро-, оптоэлектроники и волоконной оптики: физические свойства и применение», Саранск, 2013; VIII Всероссийская конференция молодых ученых «Наноэлектроника, нанофотоника и нелинейная физика», Саратов, 2013.
Достоверность результатов, представленных в диссертационной работе, обеспечена применением широко известных методик и приближений. Апробация предложенной модели проходила по средствам сравнения результатов экспериментов, полученных при решении близких по тематике задач, с результатами расчетов проведенных на основании приведенных в этих экспериментах данных.
Личный вклад. Основные теоретические положения представляемой работы разработаны совместно с проф. Семенцовым Д.И. Автором произведены все численные расчеты и проведен их анализ.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 19 работ, в том числе 7 в рецензируемых научных журналах рекомендованных ВАК, 11 тезисов международных и всероссийских конференций, другие публикации 1. Список работ помещен в конце автореферата.
Структура и объем диссертации: диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка и приложения. Материал изложен на 116 страницах, содержит 39 рисунков и список из 118 библиографических наименований, 1 приложения.
