Фемтосекундные нелинейно-оптические процессы, усиленные поверхностными электромагнитными волнами

• Автор: Назаров, Максим Михайлович
• Шифр специальности: 01.04.21
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2002
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 160 с. : ил

СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ

1 ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1.1 Поверхностные электромагнитные волны в металле

1.2 Экспериментальные методы возбуждения и регистрации ПЭВ

1.3 Неколлинеарная геометрия возбуждения ПЭВ

1.4 Нелинейная оптика с участием ПЭВ

1.5 Некоторые приложения ПЭВ

1.6 Исследование свойств ПЭВ

1.7 Выводы к обзору литературы

2 ГЛАВА 2. ФЕМТОСЕКУНДНЫЕ ЛАЗЕРНЫЕ КОМПЛЕКСЫ ДЛЯ

ИССЛЕДОВАНИЯ СВОЙСТВ ПЭВ, ОБРАЗЦЫ, ХАРАКТЕРНЫЕ ВЕЛИЧИНЫ
2.1 Общие требования, предъявляемые к экспериментальным установкам для изучения

2.2 Особенности лазерных комплексов использовавшихся в работе
2.3 Параметры и характеризация оптического излучения
2.4 Точность измерения
2.5 Методика приготовления и характеризация образцов
2.6 В ыводы к главе
3 ГЛАВА 3 УСИЛЕНИЕ НЕЛИНЕЙНО-ОПТИЧЕСКОГО ОТКЛИКА В
СИММЕТРИЧНОЙ СХЕМЕ ВОЗБУЖДЕНИЯ ПЭВ
3.1 Линейные оптические свойства симметричной схемы
3.2 Увеличение эффективности ГВГ в симметричной схеме
3.3 Увеличение эффективности ГСЧ в симметричной схеме
3.4 Увеличение эффективности ЧВС в симметричной схеме
3.5 Выводы к главе
4 ГЛАВА 4 - ПРИМЕНЕНИЕ ПЭВ ДЛЯ НЕЛИНЕЙНО-ОПТИЧЕСКОГО
ИССЛЕДОВАНИЯ ЗЕРКАЛЬНО-АСИММЕТРИЧНЫХ МОЛЕКУЛ
4.1 Известные оптические методы исследования хиральных сред
4.2 ГВГ от хиральной периодической поверхности
4.3 Экспериментальная установка. Специальная часть
4.4 Обсуждение поляризационных зависимостей ГВГ
4.5 Выводы к главе
5 ГЛАВА 5. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННЫХ СВОЙСТВ
ФЕМТОСЕКУНДНОГО ПАКЕТА ПЭВ
5.1 Корреляционная функция ПЭВ одной частоты, время жизни ПЭВ
5.2 Корреляционная функция ПЭВ разной частоты
5.3 Плазменная корреляционная функция третьего порядка
5.4 Исследование ПЭВ акустическим методом
5.5 Сканирующий акустический микроскоп
5.6 Рассеяние света и ПЭВ на поверхностной акустической волне
5.7 Визуализация формы и размера области возбуждения ПЭВ
5.8 Выводы к главе
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ТЕРМИНОЛОГИЯ И ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ СОКРАЩЕНИЯ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
Введение.
Исследование поверхности до сих пор представляет большой интерес для многих областей науки. В том числе для нелинейной оптики. Информативный нелинейнооптический сигнал с поверхности обычно настолько слаб, что его трудно надёжно регистрировать даже современными методами. Поэтому для исследования поверхностей, тонких плёнок или малых количеств вещества нелинейно-оптическими методами необходимо использовать электромагнитное поле большой интенсивности (по величине сравнимое с внутриатомным полем), но не разрушать при этом объект исследования.
Такая задача может быть решена с помощью методов усиления локального поля и с помощью применения сверхкоротких лазерных импульсов. Один из перспективных методов усиления локального поля лазерного излучения - это возбуждение поверхностных электромагнитных волн (ПЭВ) [1], которые позволяет получать высокоинтенсивные, монохроматические поля на поверхности с заданными пространственными и временными характеристиками. ПЭВ уже имеют разработанные применения в диагностике поверхности, нелинейной оптике и спектроскопии, микроскопии, контроле химических и биологических процессов на поверхности. В данной работе детально изучаются механизмы и возможности усиления локального электромагнитного поля при возбуждении фемтосекундного пакета ПЭВ на периодической поверхности металла.
Специфические свойства ПЭВ это: высокая и селективная чувствительность к свойствам границы раздела, локализация поля на поверхности, возможность взаимодействия со светом только при специальных условиях. ПЭВ могут существовать только на границе двух сред, которые имеют действительные части диэлектрической проницаемости разных знаков. Наиболее простой случай ПЭВ это бегущие неизлучающие плазмоны на гладкой поверхности металла - колебания газа свободных электронов на границе раздела. При своем распространении в металле такая (поверхностная) волна излучиться не может из-за рассогласования фаз (длин волновых векторов) с объёмной электромагнитной волной. Волновой вектор ПЭВ всегда больше волнового вектора световой волны соответствующей частоты. Для того чтобы возбуждать такие ПЭВ световой волной, нужны специальные устройства, позволяющие скомпенсировать расстройку длин волновых векторов - достичь фазового синхронизма. Фазовый синхронизм, в частности, может быть достигнут при использовании периодической поверхности, например, дифракционной металлической решётки [2], за счёт дифракции падающей световой волны. Возбуждая поверхностный плазмон, можно получить надёжно

Глава 2. Фемтосекундные лазерные комплексы для исследования свойств ПЭВ, образцы, характерные величины.
2.1 Общие требования, предъявляемые к экспериментальным установкам для изучения ПЭВ
Ограничимся рассмотрением возбуждения ПЭВ, лазерным пучком с небольшой шириной спектра. Главным условием для возбуждения ПЭВ светом является выполнение условия фазового синхронизма. При выполнении условия фазового синхронизма
отстройка Дк длин волновых векторов ПЭВ и проекции возбуждающего ПЭВ излучения на поверхность должна быть равна нулю. В случае возбуждения ПЭВ на дифракционной решётке эта отстройка выражается как:
М = — .1 - 1(^) +5т2(£)-^зш(£)со^) ,
С ^у£’(й)) + 1 у СО ] СО
где <з, = 2тг/^, вектор обратной решётки, й период решётки. Как видно из этой формулы,
достигать ПЭВ резонанса можно по нескольким параметрам. А именно: по частоте - со, углу падения - 0 и углу ориентации штрихов решётки - ср. Наиболее часто используемый способ это изменение угла падения излучения на решетку. Достижение резонанса по углу ориентации решётки [8] или по частоте используются крайне редко. Тем не менее, использование этих параметров для оптимизации возбуждения ПЭВ имеет ряд
преимуществ для экспериментальной реализации.
Если изменять только угол ориентации решётки, то исчезает влияние Френелевских коэффициентов на измеряемые величины. Кроме того, нет необходимости двигать приёмный тракт установки, что актуально в случае сложной и громоздкой техники для регистрации слабых нелинейных сигналов. Симметрия измеряемых зависимостей относительно ср=пп12 - хороший критерий качества и достоверности измерений.
Если изменять только частоту (что стало легко реализуемо с усовершенствованием титан сапфировых лазеров, например «Цунами»), тогда и образец и установка могут оставаться неподвижными, что важно для микроскопии с применением ПЭВ, когда требуется субмикронная точность позиционирования. (См. главу 5)
В данной работе все указанные методы достижения ПЭВ резонанса были экспериментально исследованы (См. рис. 3.8 и рис. 3.9 и Главу 5).