ПЛАЗМОННЫЙ МАГНИТОФОТОННЫЙ КРИСТАЛЛ

Плазменный магнитофотонный 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.
2
5
2
2
2
5
0,7
2,3
5
12
2
5
2
5
5
Известен одномерный магнитофотонный кристалл (МФК) микрорезонаторного типа (TaO/SiO)/Bi: YIG/(SiO/TaO), центральной частью которого является магнитоактивный полуволновой слой висмут-замещенного железо-иттриевого граната (Bi: YIG) состава BiYFeO, расположенный между двумя диэлектрическими зеркалами, состоящими из нескольких ячеек одномерного фотонного кристалла на основе четвертьволновых слоев ТаО и SiO с большим и малым показателями преломления, соответственно [М. Inoue, R. Fujikawal, A. Baryshev, A. Khanikaev, Р В Lim, Н. Uchidal, О. Aktsipetrov, A. Fedyanin, Т. Murzina and A. Granovsky. Magnetophotonic crystals. Topical review. J. Phys. D: Appl. Phys. 39 (2006) R151-R161].
Недостатком такого МФК является невысокие значения коэффициента усиления эффекта Фарадея и удельного фарадеевского вращения.
1,0
2,0
5
12
3
5
12
Известен магнитофотонный кристалл [патент UA №75526, опубл. 10.12.2012, Бюл. №23], выполненный на основе двухслойных пленок висмут-замещенного железо-иттриевого граната BiYFeO и нанесенного на него железо-висмутового граната BiFeO, размещенных между двумя брэгговскими зеркалами, являющимися оптическим резонатором.
Недостатком устройства является уменьшение коэффициента пропускания и, соответственно, магнитооптической добротности кристалла при увеличении числа пар слоев в зеркале Брэгга для достижения высокого коэффициента усиления эффекта Фарадея.
Задачей полезной модели является разработка плазмонного магнитофотонного кристалла, обеспечивающего высокие значения коэффициента усиления эффекта Фарадея и удельного фарадеевского вращения, благодаря наложению эффектов локализованного плазмонного резонанса и оптического резонанса.
1,0
2,0
5
12
3
5
12
R
R
1,0
2,0
5
12
3
5
12
Сущность заявляемой полезной модели характеризуется тем, что плазмонный магнитофотонный кристалл, содержащий слои висмут-замещенного железо-иттриевого граната BiYFeO и нанесенного на него железо-висмутового граната BiFeO, размещенные в оптическом резонаторе из двух брэгговских зеркал с резонансной длиной волны λ=655 нм и имеющие суммарную оптическую толщину, кратную λ/2, дополнительно содержит между слоями BiYFeO и BiFeO наночастицы золота.
Такой плазмонный магнитофотонный кристалл, благодаря наложению эффектов локализованного плазмонного резонанса на наночастицах золота и оптического резонанса в резонаторе, позволяет получать на резонансной длине волны более высокие, чем в прототипе, значения коэффициента усиления эффекта Фарадея и удельного фарадеевского вращения.
На фиг. 1 приведено схематическое изображение плазмонного магнитофотонного кристалла микрорезонаторного типа.
2
2
1,0
2,0
5
12
R
3
5
12
R
R
1,0
2,0
5
12
3
5
12
Кристалл изготовлен на кварцевой подложке (1) и содержит два диэлектрических брэгговских зеркала (2) и (3), состоящие из N пар чередующихся четвертьволновых слоев TiO (4) и SiO (5). Между зеркалами размещены два магнитоактивных слоя, нижний из которых выполнен из висмут-замещенного железо-иттриевого граната BiYFeO (6) и имеет оптическую толщину λ/4, а второй слой, нанесенный на него, выполнен из железо-висмутового граната BiFeO (7) и имеет оптическую толщину 3λ/4, где λ - резонансная длина волны. Между слоями BiYFeO (6) и BiFeO (7) размещены наночастицы золота (8).
1,0
2,0
5
12
3
5
12
1,0
2,0
5
12
3
5
12
R
R
R
Оптический резонатор на основе зеркал Брэгга представляет собой чередующиеся пары четвертьволновых диэлектрических слоев с большим и малым показателями преломления и характеризуется наличием в спектре оптического пропускания фотонной запрещенной зоны - диапазона длин волн, в котором пропускание минимально. Ширина и "глубина" фотонной запрещенной зоны определяется показателями преломления и толщинами слоев, образующих зеркало, а также количеством пар слоев. Для возникновения в магнитоплазмонном кристалле на основе двух зеркал Брэгга и помещенных между ними слоев BiYFeO и BiFeO с наночастицами золота конструктивной интерференции падающего света и появления в спектрах оптического пропускания и угла фарадеевского вращения кристалла резонансных максимумов необходимо, чтобы оптическая толщина слоев BiYFeO и BiFeO с наночастицами золота была кратна половине резонансной длине волны λ/2. При этом значение λ соответствует середине фотонной запрещенной зоны резонатора. Таким образом, резонанс поверхностных плазмонов на наночастицах золота на длине волны λ будет усилен за счет резонанса оптического в магнитоплазмонном кристалле на той же длине волны.
Плазмонный магнитофотонный кристалл работает следующим образом.
R
R
R
R
Кристалл помещается во внешнее магнитное поле Н, которое направлено по нормали к его поверхности и превышает поле насыщения магнитоактивных слоев (6) и (7). На кристалл направляется поток линейно поляризованного излучения оптического диапазона с длиной волны, равной резонансной λ. В результате взаимодействия излучения с наночастицами золота происходит возбуждение локализованных поверхностных плазмонов и возникает локализованный поверхностный плазмонный резонанс, что сопровождается резонансным усилением фарадеевского вращения на λ. Вследствие многолучевой конструктивной интерференции в оптическом резонаторе на этой же длине волны λ возникает оптический резонанс, который накладывается на локализованный поверхностный плазмонный резонанс. 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 коэффициента пропускания и фарадеевского вращения.
Пример выполнения.
R
R
2
2
2
2
1,0
2,0
5
12
R
1,0
2,0
5
12
1,0
2,0
5
12
5
Плазмонный магнитофотонный кристалл микрорезонаторного типа моделировался и изготавливался для резонансной длины волны λ=655 нм. Кристалл содержит два брэгговских зеркала, каждое из которых выполнено в виде пяти пар чередующихся четвертьволновых (λ/4) слоев TiO и SiO, напыленных методом электронно-лучевого испарения. Нижнее зеркало (TiO/SiO) наносилось на подложку из плавленого кварца. На нижнее зеркало методом ионно-лучевого реактивного распыления напылялся слой висмут-замещенного железо-иттриевого граната BiYFeO с оптической толщиной λ/4. Сверху на слой BiYFeO методом катодного распыления напылялась пленка золота толщиной 5 нм. Затем вся структура подвергалась термическому отжигу на воздухе при атмосферном давлении при температуре 770°C с в течение 30 мин. При этом происходили кристаллизация пленки BiYFeO с образованием гранатовой фазы и формирование из пленки золота наночастиц золота диаметром от 40 до 80 нм.
3
5
12
R
3
5
12
Затем на полученную структуру методом ионно-лучевого реактивного распыления наносился слой BiFeO с оптической толщиной 3λ/4 и осуществлялся его отжиг при температуре 650 С в течение 30 мин. При этом происходила кристаллизация пленки BiFeO с образованием гранатовой фазы.
R
2
2
5
В результате формировался магнитоактивный слой с суммарной оптической толщиной λ, который содержал в объеме наночастицы золота. Сверху на него методом электронно-лучевого испарения наносилось второе диэлектрическое зеркало (SiO/TiO). Таким образом, формировался плазмонный магнитофотонный кристалл микрорезонаторного типа с такой структурой:
2
2
1,0
2,0
5
12
3
5
12
2
2
5
5
плавленый кварц/(TiO/SiO)/( BiYFeO)/наночастицы Au/(BiFeO)/(SiO/TiO).
Об успешной кристаллизации и образовании пленок гранатовой фазы судили по результатам измерений магнитооптических петель гистерезиса образцов-свидетелей:
1,0
2,0
5
12
R
2
- слоя BiYFeO с оптической толщиной λ/4 на слое SiO;
1,0
2,0
5
12
3
5
12
R
2
- двойного слоя (BiYFeO)/(BiFeO) с оптической толщиной λ на слое SiO,
1,0
2,0
5
12
3
5
12
R
2
- структуры (BiYFeO)/наночастицы Au/(BiFeO) с оптической толщиной λ на слое SiO.
1,0
2,0
5
12
3
5
12
1,0
2,0
5
12
3
5
12
R
Углы фарадеевского вращения образцов-свидетелей на длине волны 655 нм составили минус 0,065, минус 0,62 и минус 0,93°, соответственно. Таким образом, усиление эффекта Фарадея за счет локализованного поверхностного плазмонного резонанса в наночастицах золота в структуре (BiYFeO)/наночастицы Au/(BiFeO) по сравнению с двухслойной пленкой (BiYFeO)/(BiFeO)) одной и той же оптической толщины λ составляло 1,5 раза.
2
2
1,0
2,0
5
12
3
5
12
2
2
t
1,0
2,0
5
12
3
5
12
5
5
Измерения спектральных зависимостей коэффициента пропускания и угла фарадеевского вращения плазмонного магнитофотонного кристалла плавленый кварц/(TiO/SiO)/(BiYFeO)/наночастицы Au/(BiFeO)/(SiO/TiO) показали, что кристалл имеет фотонную запрещенную зону, внутри которой наблюдаются резонансное пропускание света и усиления фарадеевского вращения на длине волны 655 нм. Коэффициент пропускания K кристалла на этой длине волны составлял 20%, угол фарадеевского вращения составил минус 16,6°. Это почти в 18 раз превышало угол фарадеевского вращения структуры (BiYFeO)/наночастицы Au/(BiFeO) и соответствовало удельному фарадеевскому вращению плазмонного магнитофотонного кристалла микрорезонаторного типа минус 66,4°/мкм. Магнитооптическая добротность кристалла при этом, определяемая как
F
Q=2·|θ|/α,
F
где θ - удельное фарадеевское вращение;
- коэффициент поглощения; h
h - толщина магнитоактивного слоя, составила 20,6°.
Преимуществом плазмонного магнитофотонного кристалла является возможность получения в нем высоких значений коэффициента усиления эффекта Фарадея и удельного фарадеевского вращения.