Введение к работе
Диссертация посвящена изучению резонансных магнитооптических эффектов в двумерных периодических дифракционных структурах, содержащих намагниченные (гиротропные) материалы, на основе численного моделирования дифракции света в рамках электромагнитной теории.
Актуальность темы. Взаимодействие света с периодическими дифракционными структурами является предметом интенсивных исследований. В таких структурах существует широкий круг экстраординарных (резонансных) оптических эффектов (экстраординарное оптическое пропускание, полное поглощение падающего излучения, резонансы в спектрах отражения и пропускания, локальное усиление интенсивности электромагнитного поля). Данные эффекты находят широкое применение при создании элементов интегральной оптики, в том числе оптических датчиков, оптических спектральных фильтров, элементов фотовольтаики.
Особый интерес представляют структуры, содержащие материалы с перестраиваемыми оптическими свойствами. Такие структуры представляют интерес при создании широкого класса оптических устройств оптоэлектроники, лазерной и волоконной оптики. Среди них следует особо выделить магнитооптические материалы. Применение магнитооптических материалов делает возможным создание невзаимных оптических устройств. Кроме того, приложение внешнего магнитного поля позволяет изменять оптические свойства таких материалов. Это позволяет применять магнитооптические материалы для модуляции оптического излучения переменным внешним магнитным полем. При этом частота модуляции может достигать нескольких десятков гигагерц.
Для однородных намагниченных слоев величина МО эффектов является небольшой, что приводит к существенному увеличению размеров получаемых оптических устройств. Существует несколько подходов к увеличению величины магнитооптических эффектов. Первый подход заключается в оптимизации химического состава используемого магнитооптического материала. Второй подход состоит в использовании магнитофотонных кристаллов, а так же фотонных кристаллов, содержащих дефект из магнитооптического материала (Belotelov and Zvezdin, 2005; Goto et al, 2009; Inoue et al., 1998; Koerdt et al., 2003; Merzlikin et al., 2007; Vinogradov et al, 2010).
В последнее время большое внимание уделяется плазмон-поляритонному усилению магнитооптических эффектов. В рамках данного подхода исследовались системы однородных слоев, содержащие магнитооптические материалы и благородные металлы (Bonod et al., 2004; Hermann et al., 2001). За счёт возбуждения поверхностных плазмон-поляритонов в таких структурах показано значительное усиление магнитооптических эффектов, однако величина их по-прежнему остаётся сравнительно малой: изменение интенсивности отражённого света в указанных работах составляет доли процента.
В ряде работ для возбуждения поверхностных плазмон-поляритонов использовались металлические плёнки, перфорированные периодической системой отверстий. В частности, экспериментально исследовалась структура, состоящая из перфорированной металлической плёнки и тонкого слоя диэлектрического магнитооптического материала. Для таких структур было продемонстрировано резонансное изменение коэффициента пропускания структуры при намагничивании её внеш-
ним магнитным полем, направленным по нормали к поверхности структуры (Wurtz et al., 2008). В качестве перфорированной структуры может быть использована тонкая плёнка магнитооптического материала (кобальта). Для такой структуры при меридиональной геометрии было экспериментально продемонстрировано усиление величины наблюдаемых магнитооптических эффектов (Diwekar et al., 2004).
В ряде работ исследовалось влияние локализованных плазмон-поляритонов на магнитооптические свойства структур. В частности, была показана возможность усиления магнитооптических эффектов возбуждением локализованных плазмон-поляритонов на поверхности металлических нанодисков (Sepulveda et al., 2010). Теоретически и на основе численного моделирования было показано, что перфорированная периодической системой отверстий тонкая металлическая плёнка во внешнем магнитном поле может проявлять выраженные магнитооптические свойства за счёт возбуждения как поверхностных, так и локализованных плазмон-поляритонов (Strelniker and Bergman, 1999, 2008).
Указанные работы представляют из себя по большей части экспериментальные исследования либо исследования на основе приближённых методов моделирования дифракции света. Для теоретического описания условий возбуждения резо-нансов использовались простые дисперсионные соотношения для плазмон-поляри-тона на границе раздела двух сред, в то время как наличие неоднородностей в структуре, как правило, приводит к существенному изменению дисперсионных зависимостей. Методы строгого решения задачи дифракции, в первую очередь метод фурье-мод (Li, 1996; Moharam and Gaylord, 1981; Moharam et al., 1995), также применялись для исследования магнитооптических свойств периодических структур. В частности, были исследованы трёхмерные периодические структуры, представляющие из себя дифракционную решётку с отверстиями, заполненными магнитооптическим материалом. Для такой структуры показано резонансное усиление эффекта Фарадея, наблюдающееся одновременно с эффектом экстраординарного оптического пропускания (Khanikaev et al., 2007). Усиление магнитооптического эффекта в такой структуре объяснялось возбуждением поверхностных плазмон-поляритонов. Для двумерной периодической структуры, состоящей из диэлектрических решётки и волноводного слоя, намагниченных полярно, было теоретически предсказано усиление величины магнитооптического эффекта Керра и эллиптичности отражённого света, обусловленное возбуждением квазиволноводных мод (Bai et al., 2006). Влияние квазиволноводных мод на магнитооптические эффекты Керра и Фарадея так же исследовалось в трёхмерных дифракционных структурах, содержащих металлическую дифракционную решётку и однородный слой, намагниченный полярно (Belotelov, Doskolovich, and Zvezdin, 2007). Было показано, что в таких структурах магнитооптические эффекты Фарадея и Керра на порядок превышают аналогичные эффекты для однородных плёнок.
В указанных работах основное внимание уделялось изучению магниоопти-ческих эффектов Фарадея и Керра, в то время, как эффекты, заключающиеся в изменении интенсивности и фазы отражённого и прошедшего света при намагничивании структуры практически не исследовались. Изучение указанных эффектов представляет большой интерес, и может послужить основой новых методов управления параметрами оптического излучения.
В большинстве работ исследуемая структура полагалась намагниченной перпендикулярно её плоскости (полярно). В известных работах резонансные магнитооптические эффекты в диэлектрических структурах, намагниченных меридионально,
не исследованы. При данном направлении вектора намагниченности следует ожидать больших по величине магнитооптических эффектов.
Для адекватного описания магнитооптических резонансов необходимы строгие методы исследования мод структуры. В указанных выше работах для описания мод использовались простые дисперсионные соотношения для плазмон-поляритона и мод плоскопараллельного волновода, в то время как представляет интерес исследование мод более сложной конфигурации с общих теоретических позиций. При этом важным является учёт влияния намагниченности на собственные моды структуры. Для строгого анализа мод намагниченных структур необходимо применять строгий подход основанный на вычислении полюсов матрицы рассеяния структуры (Collin et al., 2001; Gippius et al., 2005; Neviere et al., 1995; Tikhodeev et al., 2002), который до настоящего времени применялся для исследования резонансных оптических свойств только ненамагниченных структур.
Цель работы Исследование резонансных магнитооптических эффектов в двумерных периодических дифракционных структурах, содержащих однородные или перфорированные слои из намагниченного (гиротропного) материала.
Задачи диссертации
Исследовать резонансные магнитооптические свойства двумерных периодических дифракционных структур, состоящие в изменении интенсивности дифракционных порядков вследствие намагничивания материала структуры (структура намагничена меридионально).
Исследовать условия возникновения резонансных магнитооптических эффектов в двумерных периодических дифракционных структурах для случая меридиональной геометрии.
Исследовать резонансные магнитооптические свойства двумерных периодических дифракционных структур, состоящие в изменении фазы дифракционных порядков вследствие намагничивания материала структуры (структура намагничена меридионально).
Исследовать резонансные магнитооптические свойства двумерных периодических дифракционных структур на намагниченной подложке (материал подложки намагничен экваториально), заключающиеся в изменении интенсивности дифракционных порядков при перемагничивании подложки.
Исследовать магнитооптический эффект Фарадея в двумерных периодических дифракционных структурах для случая меридиональной геометрии намагниченности.
Научная новизна работы
1. На основе численного моделирования дифракции света предсказан и исследован резонансный магнитооптический эффект, состоящий в изменении интенсивности дифракционных порядков двумерной диэлектрической структуры при изменении величины намагниченности. Структура состоит из дифракционной решётки и однородного слоя, материал структуры намагничен меридионально.
Магнитооптические резонансы двумерных периодических дифракционных структур (материал структуры намагничен меридионально) разделены на два типа в зависимости от свойств симметрии и поляризации возбуждаемых собственных мод.
На основе численного моделирования дифракции света предсказан и исследован резонансный магнитооптический эффект, состоящий в изменении фазы дифракционных порядков двумерной диэлектрической структуры при изменении величины намагниченности. Структура состоит из дифракционной решётки и однородного слоя, материал структуры намагничен меридионально.
На основе расчёта полюсов матрицы рассеяния показано, что резонансный эффект изменения интенсивности порядков дифракции двумерной металлической дифракционной решётки, происходящий при изменении величины намагниченности подложки (материал подложки намагничен экваториально), обусловлен возбуждением собственных мод структуры.
На основе численного моделирования дифракции света получены условия резонансного усиления магнитооптического эффекта Фарадея в двумерных периодических дифракционных структурах при меридиональном направлении вектора намагниченности. Структура состоит из металлической дифракционной решётки и намагниченного диэлектрического слоя.
На защиту выносятся:
Резонансный магнитооптический эффект изменения интенсивности дифракционных порядков двумерной диэлектрической структуры при изменении величины намагниченности и результаты его исследования. Структура состоит из дифракционной решётки и однородного слоя, материал структуры намагничен меридионально.
Условия возникновения магнитооптических резонансов в двумерных периодических дифракционных структурах (материал структуры намагничен меридионально) и разделение резонансов на два типа, основанные на свойствах симметрии и поляризации возбуждаемых собственных мод.
Резонансный магнитооптический эффект изменения фазы дифракционных порядков двумерной диэлектрической структуры при изменении величины намагниченности и результаты его исследования. Структура состоит из дифракционной решётки и однородного слоя, материал структуры намагничен меридионально.
Результаты численного исследования дифракции света на двумерной металлической дифракционной решётке, объясняющие связь резонансного магнитооптического эффекта изменения интенсивности дифракционных порядков при изменении величины намагниченности подложки (материал подложки намагничен экваториально) с возбуждением собственных мод структуры.
Условия резонансного усиления магнитооптического эффекта Фарадея в двумерных периодических дифракционных структурах при меридиональном направлении вектора намагниченности. Структура состоит из металлической дифракционной решётки и намагниченного диэлектрического слоя.
Практическая ценность результатов Исследованные дифракционные структуры могут найти применение для эффективного управления параметрами оптического излучения (модуляции амплитуды, фазы, поляризации) посредством пере-магничивания структуры внешним магнитным полем.
Возможность получения высокодобротных резонансов, управляемых магнитным полем может найти применения в датчиках. Измеряемой величиной может быть либо величина внешнего магнитного поля, либо показатель преломления среды, находящейся в оптическом контакте с резонансной структурой.
Публикации По теме диссертации опубликовано 30 работ, в том числе 15 статей в научных журналах и изданиях, рекомендованных Высшей аттестационной комиссией для опубликования основных научных результатов диссертации на соискание учёной степени кандидата и доктора наук.
Апробация и внедрение результатов Результаты работы докладывались на международных и всероссийских конференциях, в том числе: SPIE Europe, Optics and Optoelectronics (Prague, Czech Republic, 16-18 April 2007); ICONO / LAT 2007 (Minsk, Belarus 28 May-1 June 2007); Пятая международная конференция «Голография ЭКСПО-2008» (Санкт-Петербург, Россия, 1-2 июля 2008); Progress In Electromagnetics Research Symposium (Beijing, China, 23-27 March 2009); Progress In Electromagnetics Research Symposium (Moscow, Russia, 18-21 August 2009);П1естая международная конференция «ГОЛОЭКСПО-2009», (Киев, Украина, 1-2 июля 2009); International Conference "Functional Materials" ICFM'2009 (Simferopol, Ukraine, 5-10 October 2009); SPIE Photonics Europe (Brussels, Belgium, 12-16 April 2010); Progress In Electromagnetics Research Symposium (Cambridge, USA, 5-8 July 2010); ICONO / LAT 2010 (Kazan, Russia, 23-26 August 2010).
Структура и объём диссертации Диссертация состоит из введения, трёх глав, заключения, списка литературы и трёх приложений. Общий объём 166 страниц, в том числе 50 рисунков, 2 таблицы и 115 библиографических ссылок.
Связь с государственными программами Результаты, изложенные в диссертации получены при выполнении работ в рамках Российско-американской программы «Фундаментальные исследования и высшее образование» (грант BRHE PG08-014-1), грантов Российского фонда фундаментальных исследований (07-01-96602, 07-07-91580, 07-07-97601, 08-07-99005, 09-07-12147, 09-07-92421, 10-02-01391, 10-07-00553), федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы (госконтракт №16.740.11.0145), грантов президента РФ (НШ-3086.2008.9, НШ-7414.2010.9).
