МАГНИТОПЛАЗМОННЫЙ КРИСТАЛЛ

Магнитоплазмонный кристалл
Техническое решение относится к области приборостроения и может быть использовано для управления когерентными потоками света в устройствах оптоэлектроники и нанофотоники в системах отображения, хранения и передачи информации.
Известен магнитоплазмонный кристалл на основе пленки висмут-замещенного железо-иттриевого граната с нанесенной на ее поверхность пленкой золота, периодически перфорированной системой щелей [Калиш А.Н., Белотелов В.И., Быков Д.А., Досколович Л.Л., Звездин А.К. Магнитооптические эффекты в плазмонных двухслойных гетероструктурах. Ученые записки Казанского государственного университета. Физико-математические науки. 2009. Т. 151, кн. 1. С. 95-102].
Недостатками устройства на основе такого кристалла являются невысокие значения коэффициента усиления эффекта Фарадея и угла фарадеевского вращения в нем, а также значительная трудоемкость изготовления перфорированной золотой решетки, требующая применения дорогостоящего метода электронно-лучевой литографии.
0,5
2,5
5
x
R
0,5
2,5
5
x
Известный магнитоплазмонный кристалл, содержащий пленку висмут-замещенного железо-иттриевого граната BiYFeO с наночастицами золота, на которых при прохождении через кристалл света на длине волны λ возникает локализованный поверхностный плазмонный резонанс, что приводит к увеличению угла фарадеевского вращения кристалла по сравнению с чистой пленкой BiYFeO [Mizutani Y., Uchida H., Masuda Y., Baryshev A.V., Inoue M. Magneto-optical plasmonic Bi: YIG composite films with Ag и Au-Ag alloy particles. J. Magn. Soc. Jpn. 2009. Vol. 33. P. 481-484].
Недостатком устройства на основе такой структуры также являются невысокие значения коэффициента усиления эффекта Фарадея и угла фарадеевского вращения.
Задачей полезной модели является разработка магнитоплазмонного кристалла, обеспечивающего повышение коэффициента усиления эффекта Фарадея и удельного фарадеевского вращения, благодаря наложению эффектов оптического резонанса и локализованного поверхностного плазмонного резонанса.
0,5
2,5
5
12
R
0,5
2,5
5
12
R
Сущность заявляемой полезной модели характеризуется тем, что магнитоплазмонный кристалл, содержащий нанесенную на подложку из плавленого кварца пленку висмут-замещенного железо-иттриевого граната BiYFeO с наночастицами золота, дополнительно содержит оптический резонатор в виде двух зеркал Брэгга с резонансной длиной волны λ, причем пленка висмут-замещенного железо-иттриевого граната BiYFeO с наночастицами золота помещена между зеркалами Брэгга, а ее оптическая толщина кратна половине резонансной длины волны λ/2. Такой магнитоплазмонный кристалл, благодаря наложению эффектов локализованного поверхностного плазмонного резонанса и оптического резонанса, позволяет получить на резонансной длине волны более высокие, чем в прототипе, значения коэффициента усиления эффекта Фарадея и, соответственно, удельного фарадеевского вращения.
R
0,5
2,5
5
12
R
R
0,5
2,5
5
12
R
Оптический резонатор на основе зеркал Брэгга представляет собой чередующиеся пары (N пар) диэлектрических слоев с большим и малым показателями преломления и характеризуется наличием в спектре оптического пропускания т.н. фотонной запрещенной зоны - диапазона длин волн, в котором пропускание минимально. Ширина и "глубина" фотонной запрещенной зоны определяется параметрами слоев, образующих зеркало (в частности, показателями преломления и толщинами), и количеством пар слоев. При оптической толщине пленки граната, кратной половине резонансной длине волны λ/2, в магнитоплазмонном кристалле на основе двух зеркал Брэгга и помещенной между ними пленки висмут-замещенного железо-иттриевого граната BiYFeO с наночастицами золота на длине волны λ возникает конструктивная интерференция падающего света и в спектрах оптического пропускания и угла фарадеевского вращения кристалла появляются резонансные пики. При этом значение λ соответствует середине фотонной запрещенной зоны резонатора. Таким образом, резонанс поверхностных плазмонов на наночастицах золота в пленке железо-иттриевого граната BiYFeO на длине волны λ будет усилен за счет резонанса оптического в магнитоплазмонном кристалле на той же длине волны.
2
2
0,5
2,5
5
12
R
На фиг. 1 приведено схематическое изображение магнитоплазмонного кристалла. Кристалл изготовлен на кварцевой подложке (1) и содержит два диэлектрических зеркала Брэгга (2) и (3), состоящие из N пар чередующихся четвертьволновых слоев TiO (4) и SiO (5). Между зеркалами размещена пленка висмут-замещенного железо-иттриевого граната BiYFeO (6) с наночастицами золота (7), имеющая оптическую толщину, кратную λ/2 и играющая роль микрополости внутри оптического резонатора.
R
R
R
Магнитоплазмонный кристалл работает следующим образом. Кристалл помещается во внешнее магнитное поле Н, направленное по нормали к его поверхности, которое превышает поле насыщения пленки висмут-замещенного железо-иттриевого граната с наночастицами золота. На кристалл направляется поток линейно поляризованного излучения оптического диапазона с длиной волны λ. В результате взаимодействия излучения с наночастицами золота на границе раздела пленка висмут-замещенного железо-иттриевого граната - наночастицы золота происходит возбуждение локализованных поверхностных плазмонов, что сопровождается резонансным усилением фарадеевского вращения. Вследствие многолучевой конструктивной интерференции в пленке висмут-замещенного железо-иттриевого граната с наночастицами золота на длине волны λ возникает оптический резонанс, который накладывается на локализованный поверхностный плазмонный резонанс на наночастицах золота. Наложение двух резонансов приводит к многократному усилению фарадеевского вращения в кристалле на длине волны λ.
R
При этом, на спектральных зависимостях коэффициента пропускания и фарадеевского вращения на длине волны λ будут наблюдаться резонансные пики пропускания и фарадеевского вращения.
Пример исполнения.
R
2
2
2
2
0,5
2,5
5
12
R
5
Магнитоплазмонный кристалл моделировался и изготавливался для резонансной длины волны λ=655 нм. Кристалл содержит два зеркала Брэгга, каждое из которых выполнено в виде пяти пар чередующихся четвертьволновых слоев TiO и SiO, напыленных методом электронно-лучевого испарения. Нижнее зеркало (TiO/SiO) наносилось на подложку из плавленого кварца. На него методом ионно-лучевого реактивного распыления наносился слой висмут-замещенного железо-иттриевого граната (Bi:YIG) состава BiYFeO с оптической толщиной λ/4. Сверху на слой Bi:YIG методом катодного распыления напылялась пленка золота толщиной 5 нм. Затем структура Bi:YIG-пленка Au подвергалась термическому отжигу на воздухе при атмосферном давлении при температуре 750°C в течение 20 мин. При этом происходила кристаллизация пленки Bi:YIG с образованием гранатовой фазы, а из пленки золота формировались наночастицы золота диаметром от 40 до 80 нм.
R
Затем на полученную структуру наносился второй слой Bi:YIG с оптической толщиной λ/4 и для кристаллизации осуществлялся его отжиг на воздухе при атмосферном давлении при температуре 750°C в течение 20 мин.
R
2
2
5
В результате этих операций формировался магнитоактивный слой (Bi:YIG-Au/Bi:YIG) с общей оптической толщиной λ/2. Сверху на него методом электроннолучевого испарения наносилось второе диэлектрическое зеркало (SiO/TiO). Так формировался магнитоплазмонный кристалл со структурой:
2
2
2
2
5
5
Плавленый кварц/(TiO/SiO)/(Bi:YIG-Au/Bi:YIG)/(SiO/TiO).
R
2
2
R
2
2
R
5
5
Об успешной кристаллизации и образовании пленок Bi:YIG гранатовой фазы судили по результатам измерений магнитооптических петель гистерезиса слоя Bi:YIG с оптической толщиной λ/4 на нижнем зеркале (TiO/SiO) и структуры (Bi:YIG-Au/Bi:YIG) с оптической толщиной λ/2 на нижнем зеркале (TiO/SiO) после их изготовления. Их углы фарадеевского вращения на длине волны 655 нм составили минус 0,064 и минус 0,31°, соответственно. Таким образом, усиление эффекта Фарадея за счет локализованного поверхностного плазмонного резонанса на наночастицах золота в структуре (Bi:YIG-Au/Bi:YIG) по сравнению с пленкой Bi:YIG толщиной λ/2 составляло 2,4 раза.
t
2
2
5
Измерения спектральных зависимостей коэффициента пропускания и угла фарадеевского вращения полностью готового магнитоплазмонного кристалла показали, что магнитоплазмонный кристалл имеет фотонную запрещенную зону, внутри которой наблюдаются резонансное пропускание света и усиление фарадеевского вращения на длине волны 655 нм. Коэффициент пропускания K кристалла на этой длине волны составил 32%, угол фарадеевского вращения - минус 3,5°. Таким образом, коэффициент усиления фарадеевского вращения магнитоплазмонного кристалла в 11 раз превышал коэффициент усиления структуры (Bi:YIG-Au/Bi:YIG), нанесенной на нижнее зеркало (TiO/SiO). Удельное фарадеевское вращение магнитоплазмонного кристалла составило минус 26,9°/мкм. При этом, магнитооптическая добротность кристалла, которая определялась как
F
Q=2·|θ|/α,
F
где θ - удельное фарадеевское вращение;
- коэффициент поглощения;
h - толщина магнитоактивного слоя,
составила 6,1°.
Преимуществом предлагаемого магнитоплазмонного кристалла является возможность получения в нем высоких значений коэффициента усиления эффекта Фарадея и удельного фарадеевского вращения.