Исследование возможности повышения эффективности процесса генерации третьей оптической гармоники при отражении лазерного излучения от металлических дифракционных решеток

• Автор: Корнеев, Антон Алексеевич
• Шифр специальности: 01.04.21
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2009
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 123 с. : ил.

Содержание.
СОДЕРЖАНИЕ
ГЛАВА I. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ
1.1 История исследования поверхностного плазмона
1.2 Основные свойства поверхностных плазмонов
1.3 Способы возбуждения поверхностных плазмонов
1.4.Теоретическое описание процесса возбуждения поверхностных плазмонов
1.5.Основные направления оптики поверхностных плазмонов
1.6 Применения плазмонной оптики
ГЛАВА II. ГЕНЕРАЦИЯ ТРЕТЬЕЙ ОПТИЧЕСКОЙ ГАРМОНИКИ НА МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ РЕШЕТКЕ
2.1 Возбуждение поверхностного плазмона на металлической дифракционной решетке
2.2 Усиление процесса генерации третьей гармоники в условиях возбуждения поверхностных плазмонов
ГЛАВА III. ЧИСЛЕННЫЙ АЛГОРИТМ РАСЧЕТА
3.1 Алгоритм расчёта зеркального отражения света от дифракционной решетки
3.2 Алгоритм расчёта нелинейного отклика дифракционной решётки на частоте третьей гармоники
ГЛАВА IV. РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЕТА ЛИНЕЙНОГО ОТКЛИКА МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ ДИФРАКЦИОННОЙ РЕШЕТКИ
4.1 Влияние формы профиля дифракционной решётки на кривые зеркального
ОТРАЖЕНИЯ СВЕТА
4.2 Зависимость кривых зеркального отражения света от азимутального угла поворота дифракционной решётки
4.3 Отражение света от дифракционной решётки с шероховатым профилем
ГЛАВА V. РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЕТА НЕЛИНЕЙНОГО ОТКЛИКА МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ ДИФРАКЦИОННОЙ РЕШЕТКИ
5.1 Генерация третьей гармоники в случае коллинеарной геометрии рассеяния света
5.2 Генерация третьей гармоники в случае неколлинеарной геометрии рассеяния света
5.3 Влияние поляризации излучения накачки на эффективность генерации третьей ГАРМОНИКИ
5.4 Влияние величины периода дифракционной решётки на эффективность генерации ТРЕТЬЕЙ ГАРМОНИКИ
5.5 Влияние величины высоты рельефа дифракционной решётки на эффективность
ГЕНЕРАЦИИ ТРЕТЬЕЙ ГАРМОНИКИ
5.6 Влияние второй пространственной гармоники рельефа дифракционной решётки на эффективность генерации третьей гармоники
5.7 Оптимальная схема для генерации третьей гармоники в тонкой металлической пленке
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Введение.
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 1(Зсо) к интенсивности падающего на среду излучения накачки 1(со) составляет 1(3 со)/ 1(со)«10"п. 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 1111 существует лишь в тонком приповерхностном слое (толщина СЛОЯ яТОнм), 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 1111 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.

1.6.2 Голография с использованием поверхностных плазмонов.
Освещающее
излучение
Мнимое изображение объекта
Металлическая
пленка
Рассеянное
излучение
Рис.1.11 Схема восстановления голограммы с использованием поверхностного плазмона. КПп - волновой вектор поверхностного плазмонов, К - волновой
вектор объемной волны.
Сильная зависимость характера распространения ПП от диэлектрической проницаемости и толщины пленки металла делает возможным его использование для определения этих параметров на основе исследования создания голографических изображений [113]. Принцип действия подобного устройства состоит в следующем (см. Рис. 1.11). Пленка из фоторезистора с записанной голограммой (представляющею собой дифракционную решетку) помещается на поверхность металлической пленки, нанесенной на основании призмы. Возбуждающийся с помощью призменного метода ПП, распространяется вдоль металлической пленки и рассеивается на дифракционной решетке и перерассеивается в пространство, формируя изображение объекта, записанное на голограмме. Основными плюсами данного метода воспроизведения голограммы является отсутствие нулевого порядка дифракции в восстановленном поле, а также возможность использования белого света для освещения голограммы, связанное с тем, что при заданном угле падения света ПП может возбуждаться только в узком интервале частот. Развитие этого метода может привести к созданию плоских голографических мониторов, освещаемых светом, подводимым при помощи оптического волокна.