Афиногенов Б.И.1, Бессонов В.О.2
Студент1, сотрудник2
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный университет имени М.В.Ломоносова" Москва, Россия 1, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный технический университет радиотехники, электроники и автоматики" Москва, Россия 2
afinogenov@nanolab.phys.msu.ru 1, vbessonov@inbox.ru 2
Одним из направлений современной оптики является исследование эффектов, возникающих в фотонных кристаллах. В законе дисперсии фотонных кристаллов наблюдается фотонная запрещенная зона — область частот, на которых излучение в фотонном кристалле не распространяется. В области фотонной запрещенного зоны могут существовать решения, соответствующие поверхностным электромагнитным волнам (ПЭВ), аналогам хорошо изученных плазмон-поляритонов. В физике твердого тела известны эффекты локализации электронной плотности на границе периодического потенциала, впервые рассмотренные Таммом [1] и называемые таммовскими состояниями. Поскольку задача о распространении электромагнитной волны в системе фотонный кристалл–металл аналогична задаче о нахождении одноэлектронной волновой функции в задаче Тамма, ожидается возникновение подобного эффекта локализации излучения и в оптике. Из-за резонансного туннелирования света через оптическое таммовское состояние (ОТС) в спектре коэффициента пропускания наблюдается пик на длине волны внутри фотонной запрещенной зоны, соответствующий возбуждению ОТС.
Первые эксперименты по возбуждению ОТС были проведены в 2008 году [2], однако до сих пор не были проведены исследования зависимости условий возбуждения этих состояний от параметров структуры фотонного кристалла. Кроме того не проводилось детальных исследований или расчетов угловых, спектральных и поляризационных зависимостей оптических свойств ОТС.
Численное моделирование оптических таммовских состояний в одномерных фотонных кристаллах проводилось с помощью метода матриц распространения. Были исследованы условия возбуждения ОТС в зависимости от толщины верхнего слоя фотонного кристалла и толщины слоя металла на его поверхности. Для экспериментального исследования ОТС в фотонных кристаллах был создан образец, состоящий из 6 пар слоев SiO2/ZrO2. В соответствии с расчетами для наиболее эффективного возбуждения оптического таммовского состояния, на верхний слой был дополнен слоем SiO2, толщиной 80 нм. После этого на фотонный кристалл была напылена золотая пленка толщиной 30 нм. Полученный образец был исследован методом спектроскопии коэффициента пропускания. На рисунке приведены спектры коэффициента пропускания: пунктирная линия – фотонного кристалла, круги – фотонного кристалла с металлической пленкой; сплошная линия – численный расчет. В спектрах пропускания при TE и TM поляризации падающего излучения обнаружен резонанс ОТС. Исследована зависимость резонансной длины волны оптического таммовского состояния на границе раздела одномерного фотонного кристалла и золотой пленки от угла падения света для TE и TM поляризации падающего излучения. Показано, что сдвиг спектрального положения резонанса в спектре коэффициента пропускания при изменении угла падения от 0 до 60 градусов составил 130 нм для TE поляризации и 105 нм для TM поляризации падающего излучения.
Литература
-
И.Е. Тамм, "О возможной связи электронов на поверхностях кристалла", ЖЭТФ 3 34-35 (1933). -
T. Goto, A.V. Dorofeenko, A.M. Merzlikin, A.V. Baryshev, A.P. Vinogradov, M. Inoue, A.A. Lisyansky, A.B. Granovsky, “Optical tamm states in one-dimensional magnetophotonic structures”, Phys.Rev.Lett. 101, 113902(2008).