ВЫНУЖДЕННОЕ КОМБИНАЦИОННОЕ РАССЕЯНИЕ С ПЛАЗМОННОЙ НАКАЧКОЙ В ПЛАНАРНОМ МИКРОРЕЗОНАТОРЕ НА ОСНОВЕ НИТРИДА ТИТАНА
|
Введение 3
Глава 1. Поверхностные плазмон-поляритоны в металлических структурах 6
1.1. Физические свойства поверхностных плазмон-поляритонов 6
1.2. Метод конечных разностей во временной области для решения уравнений
Максвелла 13
Глава 2. Основы теории вынужденного комбинационного рассеяния света 18
2.1. Нелинейные оптические процессы. Нелинейная поляризуемость 18
2.2. Волновое уравнение в нелинейной среде 21
2.3. Явление ВКР с точки зрения квантовой теории 24
2.4. Классическая модель ВКР 28
Результаты и обсуждение 34
Заключение 46
Список литературы
Глава 1. Поверхностные плазмон-поляритоны в металлических структурах 6
1.1. Физические свойства поверхностных плазмон-поляритонов 6
1.2. Метод конечных разностей во временной области для решения уравнений
Максвелла 13
Глава 2. Основы теории вынужденного комбинационного рассеяния света 18
2.1. Нелинейные оптические процессы. Нелинейная поляризуемость 18
2.2. Волновое уравнение в нелинейной среде 21
2.3. Явление ВКР с точки зрения квантовой теории 24
2.4. Классическая модель ВКР 28
Результаты и обсуждение 34
Заключение 46
Список литературы
За последние несколько лет плазмоника стала одним из ключевых направлений исследований, предоставив базу для современных фотонных устройств [1-5], где применяются уникальные оптические свойства металлических наноструктур [6,7]. В металле, под действием света возможно резонансное возбуждение поверхностных плазмонов - коллективных колебаний электронов проводимости - существующих в виде двумерного (экспоненциально затухающего с расстоянием от границы металла) электромагнитного поля. Дисперсионное соотношение для таких поверхностных волн существенно отличается от случая свободно распространяющегося света [6]. В частности, при конечной частоте излучения, могут быть достигнуты неограниченно большие значения волнового числа. Таким образом, согласно принципу неопределенности Гейзенберга, появляется беспрецедентная возможность локализации света в субволновую область, вплоть до нескольких нанометров. Обратный процесс, при котором происходит конвертирование плазмона в свободно распространяющееся излучение, также может быть реализован. Частота и спектральный профиль плазмонного резонанса в металлических нанообъектах определяется их геометрическими параметрами, а так же материалами металла и окружающего его диэлектрика. Данный эффект лег в основу метода создания искусственных материалов с настраиваемым оптическим откликом за счет дизайна формы металлических наноструктур, выступающих в качестве мета-атомов [3,8]. Это открывает огромный потенциал в управлении светом и генерации его новых состояний [1].
Сильная локализация электромагнитного поля при возбуждении плазмонного резонанса приводит к увеличению эффективности взаимодействия света и вещества [9]. Ярким примером является техника TERS (Tip enhanced Raman scattering - спектроскопия локально усиленного зондом комбинационного рассеяния) микроскопии, где плазмонная наноантенна используется для увеличения на несколько порядков сечения комбинационного рассеяния света, а также для достижения субдифракционного пространственного разрешения [10,11]. С другой стороны, возбуждение поверхностного плазмона в металлических наноструктурах сопровождается гигантским усилением поля, что делает их перспективными в приложениях нелинейной оптики [2,12]. Традиционно, для получения нелинейных оптических эффектов используются высокоинтенсивные импульсные лазеры. Излучение от таких источников, по мере прохождения через среду конвертируется в нелинейный сигнал, для накопления которого требуются расстояния, значительно превышающие длину волны света. На сегодняшний день, актуальной задачей в нанофотонике является получение нелинейного оптического отклика с локальной области размером несколько нанометров, при использовании непрерывных лазеров с малой мощностью.
Среди всех материалов, используемых в нелинейной оптике, металлы отличаются большими нелинейностями [13]. Таким образом, использование металлических нанообъектов в качестве нелинейной среды объединяет преимущества их высоких значений нелинейных коэффициентов и гигантского усиления поля при плазмонном резонансе. Сечения нелинейных оптических процессов в таких структурах могут на несколько порядков превосходить сечения для широко используемых нелинейных кристаллов, таких как LiNbO3и KTP[14-16]. За последнее время было реализовано множество плазмонных нелинейных устройств, например: преобразователи частоты света [17,18], ультрабыстрые оптические затворы [19] и высокочувствительные биосенсоры [5,20]. Однако, широкого распространения эти устройства не получили. Причиной этому явилось то, что традиционные плазмонные материалы, такие как золото, серебро, медь и алюминий, склонны к деформациям при больших интенсивностях поля (температура плавления ~1000°С), необходимых для наблюдения нелинейного отклика [21,22]. Кроме того, медь и серебро являются химически нестабильными. Задача поиска альтернативных плазмонных материалов на сегодняшний день занимает одно из центральных мест в плазмонике [23]. Недавно, в качестве тугоплавкого плазмонного материала был предложен TiN[23]. Помимо высокой температуры плавления (>2900ОС), нитрид титана является химически стабильным и био-совместимым [23,24], а также обладает большими коэффициентами нелинейности [25]. Другая отличительная особенность нитрида титана от всех других плазмонных материалов заключается в том, что он является раман-активной средой, т.е. в спектре присутствуют линии комбинационного рассеяния света [26]. Благодаря тому, что возбуждение плазмонного резонанса сопровождается гигантским усилением электромагнитного поля, в таком материале возможно нелинейное взаимодействие поверхностных плазмонов и стоксовой волны нитрида титана. Это может приводить к перекачке значительной доли энергии излучения в стоксову компоненту за счет процесса вынужденного комбинационного рассеяния (ВКР). В отличие от других нелинейных процессов преобразования частоты излучения, сигнал ВКР остается в полосе плазмонного резонанса, что может способствовать дополнительному усилению нелинейного сигнала.
Ввиду вышеизложенного, целью настоящей работы являлось экспериментальное наблюдение сигнала вынужденного комбинационного рассеяния света в планарном плазмонном резонаторе на основе нитрида титана при использовании непрерывных лазеров малой мощности. Для этого решались следующие задачи: синтез и характеризация тонких пленок (<100 нм) нитрида титана; создание планарных структур на основе полученных пленок с помощью травления сфокусированным пучком; численное моделирование возбуждения поверхностных плазмонов в микрорезонаторах из нитрида титана; регистрация спектров комбинационного рассеяния света.
Сильная локализация электромагнитного поля при возбуждении плазмонного резонанса приводит к увеличению эффективности взаимодействия света и вещества [9]. Ярким примером является техника TERS (Tip enhanced Raman scattering - спектроскопия локально усиленного зондом комбинационного рассеяния) микроскопии, где плазмонная наноантенна используется для увеличения на несколько порядков сечения комбинационного рассеяния света, а также для достижения субдифракционного пространственного разрешения [10,11]. С другой стороны, возбуждение поверхностного плазмона в металлических наноструктурах сопровождается гигантским усилением поля, что делает их перспективными в приложениях нелинейной оптики [2,12]. Традиционно, для получения нелинейных оптических эффектов используются высокоинтенсивные импульсные лазеры. Излучение от таких источников, по мере прохождения через среду конвертируется в нелинейный сигнал, для накопления которого требуются расстояния, значительно превышающие длину волны света. На сегодняшний день, актуальной задачей в нанофотонике является получение нелинейного оптического отклика с локальной области размером несколько нанометров, при использовании непрерывных лазеров с малой мощностью.
Среди всех материалов, используемых в нелинейной оптике, металлы отличаются большими нелинейностями [13]. Таким образом, использование металлических нанообъектов в качестве нелинейной среды объединяет преимущества их высоких значений нелинейных коэффициентов и гигантского усиления поля при плазмонном резонансе. Сечения нелинейных оптических процессов в таких структурах могут на несколько порядков превосходить сечения для широко используемых нелинейных кристаллов, таких как LiNbO3и KTP[14-16]. За последнее время было реализовано множество плазмонных нелинейных устройств, например: преобразователи частоты света [17,18], ультрабыстрые оптические затворы [19] и высокочувствительные биосенсоры [5,20]. Однако, широкого распространения эти устройства не получили. Причиной этому явилось то, что традиционные плазмонные материалы, такие как золото, серебро, медь и алюминий, склонны к деформациям при больших интенсивностях поля (температура плавления ~1000°С), необходимых для наблюдения нелинейного отклика [21,22]. Кроме того, медь и серебро являются химически нестабильными. Задача поиска альтернативных плазмонных материалов на сегодняшний день занимает одно из центральных мест в плазмонике [23]. Недавно, в качестве тугоплавкого плазмонного материала был предложен TiN[23]. Помимо высокой температуры плавления (>2900ОС), нитрид титана является химически стабильным и био-совместимым [23,24], а также обладает большими коэффициентами нелинейности [25]. Другая отличительная особенность нитрида титана от всех других плазмонных материалов заключается в том, что он является раман-активной средой, т.е. в спектре присутствуют линии комбинационного рассеяния света [26]. Благодаря тому, что возбуждение плазмонного резонанса сопровождается гигантским усилением электромагнитного поля, в таком материале возможно нелинейное взаимодействие поверхностных плазмонов и стоксовой волны нитрида титана. Это может приводить к перекачке значительной доли энергии излучения в стоксову компоненту за счет процесса вынужденного комбинационного рассеяния (ВКР). В отличие от других нелинейных процессов преобразования частоты излучения, сигнал ВКР остается в полосе плазмонного резонанса, что может способствовать дополнительному усилению нелинейного сигнала.
Ввиду вышеизложенного, целью настоящей работы являлось экспериментальное наблюдение сигнала вынужденного комбинационного рассеяния света в планарном плазмонном резонаторе на основе нитрида титана при использовании непрерывных лазеров малой мощности. Для этого решались следующие задачи: синтез и характеризация тонких пленок (<100 нм) нитрида титана; создание планарных структур на основе полученных пленок с помощью травления сфокусированным пучком; численное моделирование возбуждения поверхностных плазмонов в микрорезонаторах из нитрида титана; регистрация спектров комбинационного рассеяния света.
В данной работе решалась задача получения нелинейно-оптических откликов при использовании непрерывных лазеров малой мощности. В качестве нелинейной среды было предложено использование нитрида титана - нового тугоплавкого материала, являющегося одновременно плазмонным и раман активным. В связи с этим рассматривалась возможность наблюдения сигнала вынужденного комбинационного рассеяния с плазмонной накачкой в планарных микрорезонаторах из нитрида титана.
Первый этап был связан с синтезом тонких пленок (<100 нм) нитрида титана методом сверхвысоковакуумного магнетронного распыления. Плазмонные свойства образцов, полученных при различных условиях, исследовались путем измерения диэлектрической проницаемости с помощью эллипсометрии. В результате было показано, что приготовленные пленки нитрида титана обладают плазмонными свойствами в спектральной области >500 нм. Были подобраны оптимальные условия синтеза, при которых нитрид титана обладает наименьшим коэффициентом поглощения.
Далее проводились спектроскопические исследования планарных структур, созданных путем структурирования пленок нитрида титана сфокусированным ионным пучком. Было обнаружено значительное усиление сигнала комбинационного рассеяния света. Для анализа этого эффекта проводилось численное моделирование рассеяния электромагнитной волны на исследуемых объектах с помощью метода FDTD. При расчетах использовались экспериментальные значения диэлектрической проницаемости нитрида титана. Было показано, что усиление линии нитрида титана происходит благодаря возбуждению стоячих плазмонных волн в исследуемых структурах, играющих роль планарных резонаторов для поверхностных волн.
В спектрах комбинационного рассеяния, зарегистрированных в планарных структурах, для которых выполняется условие резонанса, было обнаружено появление дополнительных эквидистантных линий. В ходе экспериментов по определению зависимости интенсивности линий комбинационного рассеяния от интенсивности падающего света было показано, что новые спектральные компоненты отвечают сигналу вынужденного комбинационного рассеяния света. При этом, нелинейный вклад в общий оптический отклик составляет 5% при использовании непрерывного лазера с мощностью излучения <10 мВт.
Следующей задачей являлось исследование резонансных свойств плазмонных структур. Были проведены спектроскопические исследования резонаторов с различными геометрическими размерами, а также при изменении показателя преломления окружающего материала. Варьируя эти параметры, можно изменять резонансную частоту плазмонных структур. В результате установлено, что при отстройке 100 нм от длины волны падающего излучения происходит исчезновение сигнала вынужденного комбинационного рассеяния. Следовательно, резонансное возбуждение стоячих плазмонных волн является ключевым фактором, определяющим эффективность генерации нелинейного отклика.
Таким образом, в результате проведенных экспериментальных и теоретических исследований была решена задача генерации сигнала вынужденного комбинационного рассеяния в плазмонном резонаторе на основе нитрида титана при использовании непрерывного излучения малой мощности. Ввиду того, что длина волны поверхностного плазмона значительно меньше длины волны света, разработанные резонаторы могут быть использованы для построения компактных раман-лазеров с субдифракционными размерами. В таких устройствах эффект нелинейно-оптического преобразования частоты света применяется для расширения спектрального диапазона работы существующих лазеров. Также полученный эффект может быть использован для увеличения чувствительности плазмонных биосенсоров.
Первый этап был связан с синтезом тонких пленок (<100 нм) нитрида титана методом сверхвысоковакуумного магнетронного распыления. Плазмонные свойства образцов, полученных при различных условиях, исследовались путем измерения диэлектрической проницаемости с помощью эллипсометрии. В результате было показано, что приготовленные пленки нитрида титана обладают плазмонными свойствами в спектральной области >500 нм. Были подобраны оптимальные условия синтеза, при которых нитрид титана обладает наименьшим коэффициентом поглощения.
Далее проводились спектроскопические исследования планарных структур, созданных путем структурирования пленок нитрида титана сфокусированным ионным пучком. Было обнаружено значительное усиление сигнала комбинационного рассеяния света. Для анализа этого эффекта проводилось численное моделирование рассеяния электромагнитной волны на исследуемых объектах с помощью метода FDTD. При расчетах использовались экспериментальные значения диэлектрической проницаемости нитрида титана. Было показано, что усиление линии нитрида титана происходит благодаря возбуждению стоячих плазмонных волн в исследуемых структурах, играющих роль планарных резонаторов для поверхностных волн.
В спектрах комбинационного рассеяния, зарегистрированных в планарных структурах, для которых выполняется условие резонанса, было обнаружено появление дополнительных эквидистантных линий. В ходе экспериментов по определению зависимости интенсивности линий комбинационного рассеяния от интенсивности падающего света было показано, что новые спектральные компоненты отвечают сигналу вынужденного комбинационного рассеяния света. При этом, нелинейный вклад в общий оптический отклик составляет 5% при использовании непрерывного лазера с мощностью излучения <10 мВт.
Следующей задачей являлось исследование резонансных свойств плазмонных структур. Были проведены спектроскопические исследования резонаторов с различными геометрическими размерами, а также при изменении показателя преломления окружающего материала. Варьируя эти параметры, можно изменять резонансную частоту плазмонных структур. В результате установлено, что при отстройке 100 нм от длины волны падающего излучения происходит исчезновение сигнала вынужденного комбинационного рассеяния. Следовательно, резонансное возбуждение стоячих плазмонных волн является ключевым фактором, определяющим эффективность генерации нелинейного отклика.
Таким образом, в результате проведенных экспериментальных и теоретических исследований была решена задача генерации сигнала вынужденного комбинационного рассеяния в плазмонном резонаторе на основе нитрида титана при использовании непрерывного излучения малой мощности. Ввиду того, что длина волны поверхностного плазмона значительно меньше длины волны света, разработанные резонаторы могут быть использованы для построения компактных раман-лазеров с субдифракционными размерами. В таких устройствах эффект нелинейно-оптического преобразования частоты света применяется для расширения спектрального диапазона работы существующих лазеров. Также полученный эффект может быть использован для увеличения чувствительности плазмонных биосенсоров.