Фемтосекундные нелинейно-оптические процессы, усиленные поверхностными электромагнитными волнами тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.21 ВАК РФ

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ им. М.В.ЛОМОНОСОВА

ФИЗИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ

На правах рукописи

НАЗАРОВ Максим Михайлович

ФЕМТОСЕКУНДНЫЕ НЕЛИНЕЙНО-ОПТИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ, УСИЛЕННЫЕ ПОВЕРХНОСТНЫМИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫМИ ВОЛНАМИ.

Специальность 01.04.21 - лазерная физика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва - 2002

Работа выполнена на кафедре общей физики и волновых процессов физического факультета МГУ им. М.В.Ломоносова, Москва, Россия. Часть экспериментальных работ выполнена в лаборатории физики и химии атмосферы Университета Литтораль (Universite de Littoral), Дюнкерк, Франция и в лаборатории исследования клеток Университета И.В. Гёте, Франкфурт на Майне, Германия.

Научный руководитель:

кандидат физико-математических наук Шкуринов Александр Павлович.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор Акципетров Олег Андреевич.

кандидат физико-математических наук Семиногов Владимир Николаевич.

Ведущая организация: Институт химической физики РАН

Защита состоится " 21 " ноября 2002 г. в 1630 часов на заседании диссертационного совета Д.501.001.31 в МГУ им. М.В.Ломоносова по адресу: 119992 ГСП-2, г. Москва, ул. Акад. Хохлова, д.1, КНО, аудитория им. С.А.Ахманова.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультета МГУ.

Автореферат разослан " 17" октября_2002 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д.501.001.31

кандидат физико-математических наук, доцент Т.М.Ильинова

I. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ. АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ

Появление лазеров, генерирующих фемтосекундные световые импульсы, существенно расширило возможности нелинейной оптики и спектроскопии поверхности. Благодаря высокой пиковой и малой средней интенсивности импульсного излучения стало возможным надёжно измерять слабый нелинейный отклик химических и биологических объектов на поверхности. Ещё одним эффективным способом оптического исследования поверхности является использование поверхностных электромагнитных волн (ПЭВ). Использование ПЭВ в нелинейной спектроскопии позволяет получать качественную информацию о среде от микроскопического объёма вещества. В настоящей работе для увеличения эффективности нелинейного отклика используются и сверхкороткие импульсы, и поверхностные волны.

Нелинейная оптика с участием ПЭВ активно развивалась в 70-80 годах прошлого века, с использованием нано- и пикосекундных лазерных импульсов. Генерация второй оптической гармоники (ГВГ), отражённой от поверхности металла и усиленной (в 102106 раз) локальным полем ПЭВ, подробно изучена для коллинеарной геометрии возбуждения ПЭВ. Однако практически не изучены более информативные для спектроскопии поверхности процессы генерации суммарной, разностной частот (ГСЧ, ГРЧ) и четырёхволнового смешения (ЧВС) с участием ПЭВ. Специфика возбуждения ПЭВ фемтосекундными импульсами также изучена недостаточно.

Наиболее распространённым оптическим методом получения информации о структуре молекул (в том числе и органических), находящихся на границе раздела или в тонкой плёнке, является ГВГ. Анализ зависимости сигнала поверхностной второй гармоники (ВГ) от параметров падающего излучения позволяет получать уникальную информацию о строении исследуемых молекул. Важным частным случаем методики ГВГ является исследование проявления хиральности. Явление хиральности состоит в существовании объектов в двух зеркально симметричных формах, которые нельзя совместить друг с другом. Существует кардинальное различие при физиологическом воздействии на живой организм хирального вещества в двух разных формах. В данной работе на практическом примере показаны возможности и перспективность применения нелинейно-оптического взаимодействия ПЭВ для исследования хиральной среды.

Для взаимодействия неколлинеарных ПЭВ важными становятся пространственные и временные свойства сверхкороткого пакета ПЭВ. Длина и направление распространения, как и время жизни ПЭВ существенно влияют на эффективность генерации нелинейного сигнала.

До сих пор не было получено изображение области локализации поля ПЭВ на решётке, и оставался открытым вопрос о природе такой волны, которая в принципе может

быть локализована на поверхностных неоднородностях - штрихах решётки. В данной работе, кроме нелинейно-оптических методов, применяется сканирующий акустический микроскоп для наблюдения пространственного распределения поля ПЭВ. Исследуется взаимодействие поверхностных акустических волн и ПЭВ. Причём в этом случае возмущение, вносимое сканирующим акустическим микроскопом, значительно меньше, чем в случае других типов сканирующих микроскопов (туннельного, атомной силы, ближнего поля).

ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

Целью работы являлось экспериментальное исследование временных и пространственных особенностей усиления нелинейно-оптического отклика поверхности при возбуждении поверхностных электромагнитных волн на основе изучения процессов ГВГ, ГСЧ и ЧВС, а также применение метода усиления сигнала ГВГ от поверхности для исследования оптически активных (хиральных) молекул. В ходе работы были поставлены и решены следующие задачи:

1. Создание оригинальных схем фемтосекундных лазерных комплексов для изучения процессов генерации ВГ, суммарной частоты (СЧ) и ЧВС от поверхности металла.

2. Достижение максимальной эффективности генерации второй оптической гармоники от периодической металлической поверхности за счёт специальной симметричной схемы взаимодействия ПЭВ (оптимального угла ориентации штрихов решётки и угла падения), а также за счёт использования несинусоидального профиля решётки со значительной второй пространственной гармоникой рельефа.

3. Исследование линейных и нелинейных свойств симметричной неколлинеарной схемы возбуждения ПЭВ. Реализация взаимодействия независимых ПЭВ. Экспериментальное сравнение эффективности нелинейных процессов второго (ГСЧ, ГВГ) и третьего (ЧВС) порядков.

4. Исследование пространственно-временных свойств ПЭВ, возбуждаемых на решётке. Измерение времени жизни и длины пробега ПЭВ в разных схемах возбуждения. Визуализация поля ПЭВ оптическим и акустическим методами.

5. Приложения ПЭВ для целей нелинейно-оптической спектроскопии. Измерение компонент тензора поверхностной нелинейной восприимчивости раствора хиральных молекул.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА

1. Впервые экспериментально исследован процесс одновременной генерации сигналов на частотах ВГ (2ш1 и 2ш2), СЧ (ш1+ш2) и частоте ЧВС (2ш2-ш1) от фемтосекундных лазерных импульсов на периодической поверхности металла при неколлинеарном возбуждении ПЭВ.

2. Экспериментально показано, что в симметричной схеме возбуждения ПЭВ происходит значительное (до 20 раз) увеличение эффективности ГВГ.

3. Экспериментально исследовано влияние коллинеарного и неколлинеарного взаимодействия ПЭВ, а также роль возбуждения ПЭВ на суммарной частоте и на частоте второй гармоники в усилении нелинейного сигнала. Исследованы различные способы достижения фазового синхронизма для возбуждения ПЭВ.

4. Экспериментально обнаружено существенное различие в форме поляризационных зависимостей интенсивности ГВГ для двух разных энантиомеров хиральных молекул пинена.

5. Предложена модель, в рамках которой впервые измерено время жизни ПЭВ на металлической решётке в неколлинеарной симметричной и несимметричной схемах возбуждения ПЭВ. Оказалось, что в симметричной схеме, где эффективность ГВГ максимальна, время жизни ПЭВ также максимально. Измерена область локализации ПЭВ нелинейно-оптическим и акустическим методами.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ

У Разработана схема фемтосекундного лазерного комплекса, который может применяться для исследования усиления локального поля импульсов излучения (100300 фс) в ближнем ИК диапазоне длин волн (740-830 нм) при возбуждении ПЭВ. Комплекс позволяет изменять направление поляризации излучения, время задержки между импульсами в разных каналах, углы падения излучения основной частоты и углы регистрации полезного сигнала. Предложенные при создании комплексов подходы могут быть использованы при разработке новых фемтосекундных измерительных схем.

^ Обнаруженное в работе значительное увеличение эффективности нелинейных процессов (ГВГ, ГСЧ, ЧВС) в симметричной схеме может быть использовано для нелинейной, время-разрешённой спектроскопии поверхности.

^ Разработан и экспериментально проверен новый подход для изучения оптически-активных (хиральных) сред, использующий отражённую поверхностную ГВГ, усиленную ПЭВ.

^ Получена информация о времени жизни и об области локализации ПЭВ на решётке.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ

1. При возбуждении ПЭВ на периодической поверхности, в случае, когда штрихи решётки расположены вдоль плоскости падения лазерного излучения (симметричная схема), время жизни ПЭВ больше времени жизни ПЭВ в несимметричной схеме. Соответственно, в симметричной схеме происходит наибольшее усиление локального поля. Эффективность нелинейно-оптических процессов второго и третьего порядка по полю в симметричной схеме максимальна. Вторая пространственная гармоника рельефа может увеличивать эффективность ГВГ и ГСЧ.

2. В спектроскопии использование симметричной схемы для возбуждения ПЭВ на периодической поверхности повышает уровень сигнала и чувствительность, в частности, при исследования оптически-активных (хиральных) молекул. Поляризационные зависимости отражённой ГВГ для двух зеркальных энантиомеров хиральных молекул имеют существенно разную форму.

3. Генерация электромагнитных волн на периодической поверхности металла (вследствие нелинейно-оптических процессов второго и третьего порядка по полю) на частотах ВГ, СЧ и ЧВС может наблюдаться одновременно и иметь сравнимую интенсивность. В видимой области спектра (где длина пробега ПЭВ меньше размера области возбуждения ПЭВ) эффективность указанных нелинейных процессов при взаимодействии неколлинеарных ПЭВ может быть больше соответствующей эффективности при взаимодействии коллинеарных ПЭВ.

4. Размеры и форма области усиления локального поля при возбуждении ПЭВ могут исследоваться с помощью сканирующего акустического микроскопа. Длина пробега ПЭВ на металлической решётке может быть оценена невозмущающими акустическим и нелинейно-оптическим методами. Усиление локального поля связанно с возбуждением бегущей, а не локализованной на штрихах решётки ПЭВ.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ И ПУБЛИКАЦИИ

Вошедшие в диссертацию результаты докладывались и обсуждались на следующих международных конференциях и симпозиумах: международная конференция студентов и аспирантов «Ломоносов'98» (7-10 октября 1998, Москва, Россия); международная конференция по когерентной и нелинейной оптике - «КиНО'98» и «КиНО'01» (29 июня-3 июля 1998, Москва, Россия и 26 июня- 1 июля 2001, Минск, Белоруссия); международная конференция молодых ученых и специалистов "Оптика'99" (1-6 октября 1999, Санкт-Петербург, Россия); второй итало-русский симпозиум по нелинейной оптике сверхкоротких

лазерных импульсов "1ТЛВ.и8'99" (22-25 февраля 1999, Москва, Россия); Европейская конференция по лазерам и электрооптике "СЬЕ0'99" (1999, Мюнхен, Германия); международная школа для молодых учёных и студентов по оптике, лазерной физике и биофизике "8БМ'2000" (3-7 октября 2000, Саратов, Россия); Международная конференция по квантовой электронике и лазерам '^ЕЬ8'02" (19-24 мая, 2002, Лонг Бич, США); 10 международный симпозиум «Наноструктуры: физика и технология» (17-21 июня 2002, Санкт-Петербург, Россия); международная конференция по квантовой электронике "ЩБС'02" (22-28 июня 2002, Москва, Россия); 11 международный семинар по лазерной физике (1-10 июля 2002, Братислава, Словакия); IX международная конференция по лазерным приложениям в науках о жизни «ЬЛЬБ'02» (7-11 июля 2002, Вильнюс, Литва) и на ряде других семинаров.

Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 10 публикациях, список которых приведен в конце автореферата, из них 5 статей в рецензируемых журналах.

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ ДИССЕРТАЦИИ

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, и списка цитированной литературы. Объем диссертации 160 страниц, в том числе 57 иллюстраций и 8 таблиц. Список литературы содержит 163 названия. ЛИЧНЫЙ ВКЛАД

Все полученные в диссертации результаты получены автором либо лично, либо при его непосредственном участии. Автор участвовал в постановке задач исследований, интерпретации и обсуждении результатов, а также в разработке и создании ряда экспериментальных установок, в постановке экспериментов и в их проведении.

II. СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ Структура диссертационной работы

Во введении формулируется цель и задачи работы, показана научная новизна и практическая значимость полученных результатов, перечислены защищаемые положения, и кратко рассматривается содержание диссертационной работы по главам.

В первой главе представлен обзор работ, посвященных возбуждению, распространению и взаимодействию ПЭВ на поверхности металла. Рассмотрены общие свойства ПЭВ для разных типов поверхностей и геометрий возбуждения ПЭВ лазерным излучением. Описаны методы изучения свойств ПЭВ. Приведены типичные значения величин, использующиеся в экспериментах по нелинейному отклику от поверхности золота и серебра.

Впервые проявление ПЭВ было замечено в 1902 году - известные аномалии Вуда. Правильное объяснение этим аномалиям дали только полвека спустя. Активное изучение ПЭВ началось в 60 годах ХХ века, когда появились прямые экспериментальные подтверждения существования таких волн на поверхности металла в оптическом диапазоне частот. Тогда же разработали основные схемы для взаимодействия ПЭВ и световых волн: использование гофрированной периодической поверхности (дифракционная решётка) и использование тонкой плёнки металла на поверхности призмы (геометрия Кречмана).

Основные свойства ПЭВ следуют из решения уравнений Максвелла. На границе среды с отрицательной диэлектрической восприимчивостью (в2<0) может распространяться такая волна. Эта волна свободно распространяется по поверхности, а при удалении от поверхности её поле экспоненциально затухает. Волновой вектор ПЭВ

К

лпэв ••

с\

8182 всегда больше волнового вектора световой волны соответствующей

81 + 82

частоты, поэтому ПЭВ не могут ни поглощать, ни излучать свет на плоской границе полубесконечной среды. В случае металла ПЭВ является колебаниями газа свободных электронов на поверхности - поверхностным плазмоном. Наименьшее затухание плазмона в оптическом диапазоне частот наблюдается у серебра и золота.

Для возбуждения и регистрации ПЭВ оптическими методами необходимо скомпенсировать расстройку волновых векторов ПЭВ и света - выполнить условия фазового синхронизма. На периодической поверхности это достигается благодаря дифракции (вектору обратной решётки - ц) к вт(#) + Ц _ КПЭВ, где к и КПЭВ - волновые вектора соответственно

падающей волны и ПЭВ, 9-угол падения. В геометрии Кречмана синхронизм достигается за счёт проникновения поля электромагнитной волны из среды с большим показателем преломления п сквозь плёнку металла во внешнюю среду к &т(6)п _ КПЭВ .

Существование ПЭВ проявляется в следующих физических явлениях: резонансный минимум линейного отражения света при выполнении условия фазового синхронизма (аномалия Вуда) - следствие сильного поглощения ПЭВ в металле; сильный локальный нагрев области возбуждения - акустооптические эффекты; усиление локального электромагнитного поля на поверхности и соответственно усиление оптического отклика поверхности - нелинейно-оптические эффекты. Возбуждение ПЭВ фемтосекундными лазерными импульсами позволяет увеличить интенсивность таких информативных нелинейно-оптических сигналов с поверхности как ГВГ, ГСЧ, КАРС до надёжно регистрируемого уровня. В первой главе основное внимание уделяется работам по

нелинейной оптике с участием ПЭВ и работам, изучающим пространственно-временные свойства ПЭВ.

Во второй главе описана экспериментальная техника, использовавшаяся для исследования нелинейного отклика с поверхности решётки при возбуждении ПЭВ. В начале главы рассмотрены общие требования к экспериментальной технике для исследования ПЭВ. С учетом этих требований было создано два фемтосекундных лазерных комплекса. В комплексе, созданном для исследования и оптимизации ГВГ, источником излучения был твердотельный лазер с активным элементом на титан-сапфире, накачиваемый аргоновым лазером. Основные параметры излучения следующие: диапазон длин волн генерации фемтосекундного лазера 740-820 нм, средняя мощность излучения 200 мВт, длительность импульсов излучения 60-140 фс, частота следования импульсов 100 МГц, ширина спектра излучения 8-20 нм. В экспериментальной схеме комплекса предусмотрены элементы для измерения и контроля энергетических, временных и спектральных характеристик излучения. Имелась возможность изменения состояния поляризации падающего на образец излучения. Излучение фокусировалось на поверхность металлической решётки. Решётка из золота устанавливалась на вращающейся платформе гониометра. На другой, соосно вращающейся платформе, устанавливалась система регистрации нелинейного отклика. Конструкция гониометра позволяла с заданной угловой скоростью производить синхронное вращение образца и системы регистрации, а также вращать каждый из них в отдельности. Для регистрации исследуемого сигнала на частоте второй гармоники использовался фотоэлектронный умножитель, включенный в схему синхронного детектирования. Схема установки является частным случаем схемы представленной на рис.1 (без второго луча- ш2).

Для исследования процесса ГСЧ и ЧВС использовался двухчастотный лазерный фемтосекундный комплекс, оптическая схема которого показана на рис.1. Лазерный комплекс состоял из двух оптических каналов. Источниками излучения первого канала являлись накачиваемые аргоновым лазером твердотельный генератор фемтосекундного излучения и регенеративный усилитель с активным элементом на титан-сапфире. Лазерное излучение первого оптического канала данного комплекса обладало следующими основными характеристиками: длина волны 780-820 нм, минимальная длительность импульсов 300 фс, ширина спектра импульсов 8-12 нм, максимальная энергия одиночного импульса 1.2 мкДж, частота следования импульсов 200 кГц. Во втором оптическом канале длина волны излучения перестраивалась в диапазоне 500-750 нм. Для этого использовался оптический параметрический усилитель, накачка которого осуществлялась частью излучения регенеративного усилителя. Максимальная энергия импульса второго канала составляла 45 нДж.

Рисунок 1. Оптическая схема двухчастотного фемтосекундного лазерного комплекса.

Обозначения: ПГ1-3 - поляризационные призмы Глана-Тэйлора; ДРФ1 и ДРФ2 - двойные ромбы Френеля; Л линзы; СФ - стеклянный фильтр; ФЭУ - фотоэлектронный умножитель; 01 и 62 - углы падения лучей 1 и 2; Ф - угол ориентации штрихов решётки.

Управление мощностью излучения осуществлялось с помощью поляризационных призм Глана-Тэйлора, двойной ромб Френеля использовался для поворота плоскости поляризации излучения.

В экспериментах по ГСЧ и ЧВС для совмещения фемтосекундных импульсов первого и второго каналов во времени и в пространстве использовались соответственно линия оптической задержки и независимые фокусирующие линзы. Для измерения энергетических характеристик излучения на частоте нелинейного отклика использовался фотоэлектронный умножитель с соответствующими фильтрами, подключенный к схеме синхронного детектирования. Для регистрации спектров излучения использовалась система регистрации на основе спектрографа и ПЗС-камеры. В конце второй главы описаны параметры используемых в эксперименте золотых и серебряных решёток.

В третьей главе изложены результаты экспериментальных исследований эффективности нелинейно-оптических процессов, таких как генерация ВГ, СЧ и сигнала

четырехволнового смешения на поверхности металла. Указанные сигналы наблюдались при возбуждении ПЭВ фемтосекундными световыми импульсами в неколлинеарной (рис. 2) и коллинеарной схемах на решётках, покрытых золотой или серебряной плёнкой.

Рисунок 2. Генерация отражённой ВГ в симметричной схеме

а) Зависимость интенсивности отражённой ВГ от угла падения 6 и угла ориентации штрихов ф.

б) Расположение волновых векторов при возбуждении двух ПЭВ в симметричной (ф=90°) схеме. Выполнение

условий фазового синхронизма к® + 4 = КПЭВ1, к® — 4 = К^ЭВ 2, = кб1п(6) , q = 2п/ё ; ГВГ при взаимодействии неколлинеарных ПЭВ К^ЭВ 1 + К^ЭВ 2 = к2® .

В начале главы показано, что на решётке с используемыми параметрами ПЭВ не могут быть локализованными на зубцах решётки. Далее исследованы особенности схемы возбуждения ПЭВ в симметричном случае, при этом штрихи решётки направлены вдоль плоскости падения (см. рис. 2(б)).

В результате нелинейного отклика газа электронов в металле, при отражении интенсивного лазерного излучения от поверхности металла образуется отражённая волна на частоте ВГ. При возбуждении ПЭВ эффективность нелинейного отклика возрастает на 2-6 порядков (рис. 3(б)).

В симметричной схеме одновременно возбуждаются две неколлинеарные ПЭВ, и появляются дополнительные каналы ГВГ. Кроме того, в этом случае для ПЭВ выполняется условие Брэговского отражения от зубцов решётки. В результате эффективность ГВГ при ф=90° возрастает ещё на один-два порядка (см. рис. 2(а)).

кШ1 A9=const

к %

к

2ю1

к®1+®2 к2Ю2 к2Ю2-Ю1

Металлическая решётка

а)

5

.о

X >5 О) X

0 I

б)

Угол падения 02 град.

Рисунок 3. Возбуждение ПЭВ на двух разных частотах. Нелинейный отклик второго и третьего порядка по полю.

а) Направление излучения нелинейных сигналов в двухчастотном эксперименте

б) Зависимость коэффициента отражения Я (для ю1 и ю2) и интенсивностей ГСЧ и ЧВС от угла падения 02. Угол между пучками постоянный, 61=62-14°, ю1 соответствует Х1=812 нм, ю2 соответствует Х2=690 нм, период золотой решётки d=1.15 цм.

Вторая часть третьей главы посвящена нелинейному взаимодействию независимых ПЭВ. Для этого в эксперименте используется два лазерных пучка с контролируемой задержкой между импульсами в пучках (рис. 3). В работе исследовано несколько вариантов взаимодействия ПЭВ. От самого простого, вырожденного по направлению и частоте, до наиболее общего с разными частотами и разными направлениями взаимодействующих ПЭВ

КпэВ 1 + К %В 2 = к%+%2 . Углы падения и частоты подбираются так, что каждый луч

возбуждает свою ПЭВ % / с) вт(#г.) + Ц = К%ЭВ i при одном и том же положении образца (см. рис. 3). При оптимальном совмещении областей возбуждения ПЭВ в пространстве и во времени нелинейный отклик на суммарной частоте £ = I%+%2) /(I%I%2))=1.5*10-20 см2/Вт имеет тот же порядок величины, что и для ГВГ £ = I(2Ю1)/(I%))2=2.4*10-20 см2/Вт, где I -интенсивность излучения. Эффективность преобразования в нелинейный сигнал составляет П = I%+®2)/(!+1%2))=2*10-11, при этом пиковая интенсивность волн на обеих частотах составляла 5 ГВт/см2, а средняя мощность соответственно 10 мВт.

В конце третей главы рассматривается процесс четырёхволнового смешения по схеме ш3=2ш2-ш1, длина результирующей волны составляла ^3=600 нм. Направление излучённой волны (рис. 3 (а)) определяется условием фазового синхронизма: 2(к% + Ц) - (к% + Ц) = + Ц притом, что на соответствующих частотах возбуждались

ПЭВ: 2К®2пэв,2 - К®1пэв,1 = К2®2 пэв,з . Несмотря на то, что ЧВС является нелинейным процессом третьего порядка по полю, в проведённых экспериментах интенсивность волны ЧВС превышала интенсивность ГВГ и ГСЧ - процессов второго порядка по полю. Эффективность преобразования в волну ЧВС составила п = I(2®2-®1)/(I (®2) +I(®1))=5*10"11, а

нелинейный отклик % = I(2®2-®1) /(I®2)21(®1))=1.8*10"30 см4/Вт2. Излучение волн на основных частотах имело ^-поляризацию, ПЭВ всегда имеют р-поляризацию, волны на частотах ВГ и СЧ имели р-поляризацию, а волна на частоте ЧВС имела ^-поляризацию. Поляризационные свойства ПЭВ и ГВГ детально исследовались в четвёртой главе.

В четвертой главе представлено приложение метода усиления локального поля при возбуждении ПЭВ для изучения явления хиральности, в частности для измерения тензора поверхностной нелинейной восприимчивости хиральных молекул с помощью ГВГ.

Усиленный ПЭВ сигнал ГВГ использовался, чтобы исследовать два зеркальных энантиомера (±)-а-пинена, и на основе предложенной модели получить относительные значения компонент тензора поверхностной нелинейной восприимчивости. Схема установки повторяла схему на рис. 1, но в этом случае не было второго канала излучения, и решётка помещалась в кювету с исследуемым веществом. Были изучены поляризационные свойства отраженной волны ВГ, генерируемой на "чистой" поверхности решетки (воздух в качестве внешней среды). При оптимальных условиях для возбуждения ПЭВ вращалось направление линейной поляризации с помощью ДРФ (у=0-360°) и измерялась мощность 5- (угол анализатора а=0°) или р- (угол анализатора а=90°) компоненты отраженной волны ВГ (см. рис. 4). Появление хиральных молекул на поверхности решётки значительно увеличивает 5-компоненту волны ВГ. Наблюдалась существенная разница в форме поляризационной зависимости р-компоненты волны ВГ для двух разных энантиомеров.

Компоненты отражённого поля ВГ зависят от поляризации поля накачки следующим образом: Е^®(у) <х (Аг соя2(х) + Вг соя^^Пг) + Ci зт2(^)). Где г=8, р обозначает компоненты

поляризации волны ВГ, комплексные коэффициенты А,, Вг, С - линейные комбинации из компонент тензора восприимчивости второго порядка. Экспериментальные данные аппроксимировались (рис. 4) выражением вида:

12®г (у) = (i®)2 а соя^)+в со^ят^)+с со^с/^ш2^) + д соя^ь^)+е зт4(/)), где безразмерные коэффициенты Аг, В{, Сг, , Е{ связаны с А,, В,, Сг квадратичными зависимостями.

X

X X

с

X

X X

Р

+

со

I-

3

ш ср

к со

<5

р-компонента ВГ

120

90

60

150

Э 1,0

■л 0,5 0 0,0 180 ^ 0,5 1,0

210

330

(д)

240

270

300

5-компонента ВГ

120

90

60

Э

о

150

1,0 0,5 0,0 180 0,5 1,04

210

0

330

(б)240 270 300

150

1,05 0,55 0,0 180 3 0,5-

(Л

1.0-

120

90

60

210

30

У

0

330

(г)

240

270

300

150

ч 1,0 ф

¡= 0,5 Н о

~ 0,0180

120

90

60

VI

-I 0,5 -

210

1,0-1 (е)

30

У

0

330

240 270 300

Рисунок 4. Зависимость интенсивности ГВГ от направления поляризации волны на основной частоте для разной внешней среды. у=0 соответствует Б-поляризации падающего излучения. Сплошные кривые - модель, точки - эксперимент

а) «+»пинен, /»-компонента волны ВГ. б) «+»пинен, ^-компонента волны ВГ.

в) «-»пинен, /-компонента волны ВГ. г) «-»пинен, ^-компонента волны ВГ.

д) Чистая решётка, /-компонента волны ВГ. е) Чистая решётка, ^-компонента волы ВГ.

Интенсивность поля на поверхности решётки была увеличена за счёт возбуждения ПЭВ на фактор локального поля. Предполагается, что «+»пинен и «-»пинен имеет те же компоненты тензора поверхностной восприимчивости, кроме "хиральных". "Хиральные" компоненты ответственны за исчезновение зеркальной симметрии и имеют одинаковую величину, но противоположные знаки для двух зеркальных энантиомеров. Решая систему уравнений одновременно для обоих энантиомеров и для обеих составляющих поляризации ВГ, в рамках предложенной упрощённой модели удалось определить относительные величины компонент электрического квадрупольного и магнитодипольного тензоров поверхностной нелинейной восприимчивости хирального вещества.

В пятой главе представлены результаты измерения времени жизни ПЭВ при различном направлении распространения ПЭВ относительно зубцов решётки. Представлены результаты экспериментального исследования вырожденной и невырожденной ГСЧ от двух ПЭВ с контролируемой задержкой по времени между ними. С помощью предложенной модели оценивается время жизни и длина пробега ПЭВ.

Время жизни ПЭВ исследовалось с помощью метода накачки-зондирования. Одним пучком возбуждался один фемтосекундный пакет ПЭВ, через некоторое время в заданной области вторым пучком возбуждался другой фемтосекундный пакет ПЭВ. В результате взаимодействия полей двух разных пакетов ПЭВ образовывалась волна на суммарной частоте (в вырожденном случае соответственно волна ВГ). Измерялась зависимость интенсивности волны на СЧ от времени задержки Дт между импульсами, возбуждающими ПЭВ - корреляционная функция плазмона (ПКФ) на рис. 5. Из сравнения ширины на полувысоте зависимости ГСЧ от Дт с аналогичной шириной автокорреляционной функции (АКФ) лазерного импульса можно было оценить время жизни ПЭВ (см. рис. 5).

Для анализа экспериментальных данных была разработана модель, учитывающая затухание ПЭВ во времени и распространение пакета ПЭВ. Затухание ПЭВ на решётке определяется в основном поглощением в металле, переизлучением и рассеянием. Поле импульса на основной частоте представляется в виде:

Еритр (г, *) _ Аритр еХР

Г Г 2(г - Го)2 , 2(* - *о)2 ^

- + -

2

(2Я0)2 Т

\\ ритр J

, где Аритр - амплитуда поля, г и *

соответственно координата на плоскости и время, г0 - положение центра пучка, Ко - радиус области возбуждения, *0 - момент максимальной интенсивности импульса, Тритр длительность импульса.

. 1,0-<ц

х н

0 0,5 4 ш

— Гауссовая привязка ПКФ

ПКФ ■О— АКФ

■>й

—1-1-1-1-1-1—

-400 -200 0 200

—I 400

а)

Л т фс

ПКФ

1,0 -

ч:

<ц

Я н 0,8 -

о

и

|н нн 0,6 -

—г -400 -200

Т

Л т фс

б)

АКФ ч

<Ц

1,0 «

н о

0,5

е

0,0

200 400

1,0-

<и

0,5 н

-

я -

0,0 -

АКФ ПКФ

А

I \

-400

-200

200

Л т фс

в)

400

в

н о

о и сг

гг о и

1,00,50,0-

Т-1-1-'-1-'-1-'-1-1-1-1-г

600 -400 -200 0 200 400 600

Л т фс

Г)

Рисунок 5. Зависимость интенсивности нелинейного сигнала от времени задержки между импульсами, сравнение корреляционной функции плазмона (ПКФ) и автокорреляционной функции импульса (АКФ). Все зависимости нормированы на единицу.

а) Модельный расчёт, ТрЫшоп=60 фс, ТИмпульс=70 фс

б) Вырожденный случай, симметричная схема, Тр1а5ШОП(Х=780 нм)=60 фс, Тимпульс=70 фс

в) Вырожденный случай, несимметричная схема, Тр1а8ШОП<15 фс, Тимпульс=80 фс

г) Невырожденный случай, симметричная схема, Тр1аяшоп(Х=812нм)=70 фс,Тр1аяшоп(Х=690нм)=40фс,Тимпульс=300фс.

Поле ПЭВ представляется в виде:

г х. ^

где Е/ - эффективность

Ар1а^п (г, X) = Е/ * | йХ. *Лритр (г - X - X.)* ехр

2Т

у р1автоп у

возбуждения ПЭВ, ТР1атоп - время жизни ПЭВ, V - скорость ПЭВ. Зависимость интенсивности ГСЧ от времени задержки Лт имеет вид:

ад ад

I (Лт) = £ | йХ | й2 г( Лр^то„1 (г, X, X, + Лт)* Л

р!азтоп2 (г, ^ Х0)) , где £ определяет НеЛиНейНый

-ад —ад

отклик металла.

Сравнение модели и эксперимента представлено на рис. 5(а) и (б). В несимметричной схеме (рис. 5(в)) время жизни ПЭВ оказалось значительно меньше. Из сравнения с результатами главы 3 оказалось, что большее время жизни ПЭВ соответствует большей эффективности ГВГ. Невырожденный по частоте случай качественно повторяет результаты вырожденного случая. Зная корреляционные функции плазмона второго (ГСЧ - ПКФ) и третьего (ЧВС - ПКФ3) порядков, можно разделить времена жизни ПЭВ для частот ш1 и ш2. Для более высокой частоты (ш2) время жизни ПЭВ оказалось меньше, вследствие большего поглощения в металле. Время жизни ПЭВ связано с длиной распространения ПЭВ через групповую скорость ПЭВ «0.9с, где с - скорость света. Измеряя зависимость

интенсивности ГСЧ от расстояния между областями возбуждения ПЭВ, аналогичным методом оценивалась длина пробега ПЭВ - 10 мкм. Специфика возбуждения ПЭВ фемтосекундными импульсами состоит в том, что электроны металла имеют неравновесное распределение температуры в течение длительности импульса, и эта температура намного превышает температуру кристаллической решётки.

Во второй части пятой главы продолжено исследование пространственных свойств ПЭВ, но уже акустическим методом. Изучалось взаимодействие поверхностных акустических и электромагнитных волн. ПЭВ возбуждались в плёнке металла, нанесённой на периодическую кварцевую подложку (дифракционная решётка) или на призму (геометрия Кречмана). С одной стороны на плёнку падало лазерное излучение, с другой стороны плёнка облучалась акустическими волнами. Источником акустических волн являлся сканирующий акустический микроскоп (САМ) (см. рис. 6(а)).

Параметры акустического микроскопа следующие: ультразвуковая частота - 1 ГГц, длительность ультразвукового импульса - 28 нс, частота повторения импульсов - 500 кГц, пиковая интенсивность акустического импульса - 0.1 мВт/мкм2, диаметр пучка - 1.5 мкм, фокусное расстояние - 30 мкм, латеральное разрешение - 0.5-1 мкм. Акустическая линза представляет собой сферическое углубление на поверхности сапфира. Пьезокристалл генерировал плоские акустические волны (АВ). Выходя из линзы, АВ фокусировались на поверхность образца, через определенное время пьезокристалл работал в режиме приёма и регистрировал отражённые АВ. Пространство между линзой и образцом было заполнено связывающей жидкостью (водой) для эффективного распространения АВ. В сходящемся пучке АВ существовал определённый угол, при котором возможно возбуждение и, соответственно, регистрация поверхностных акустических волн (ПАВ). На детекторе поле отраженной АВ и поле, излучённое ПАВ, интерферируют конструктивно или деструктивно, что даёт чувствительность САМ к форме поверхности.

Сканирование Пьезокристалл

~~I I Г"

АКУСТИЧЕСКАЯ ЛИНЗА

ВОЛНОВОД

б)

К

Ф q

а)

в)

Рисунок 6. Исследование ПЭВ с помощью сканирующего акустического микроскопа

а) Схема эксперимента для случая геометрии Кречмана

б) Изображение области неколлинеарного возбуждения ПЭВ на решётке, полученное с помощью САМ и соответствующее расположение волновых векторов на поверхности. Размер изображения 225*140 мкм

в) Рассеянное с поверхности излучение вследствие рассеяния ПЭВ на локальной неоднородности вызванной акустическими волнами. Изображение регистрировалось ПЗС камерой в направлении рассеяния.

При резонансном возбуждении ПЭВ область возбуждения и затухания выглядела в САМ как более яркое пятно (рис. 6(б)). Этот сигнал имел тепловую природу, и характерное время установления сигнала оказалось 1-2 миллисекунды. ПЭВ локально нагревал плёнку металла, и далее устанавливалось стационарное распределение температуры в окружающих средах - в стекле и в воде. Уширение изображения в САМ за счёт распространения тепла составило порядка 10 мкм, удлинение яркого пятна за счёт распространения ПЭВ также имело порядок 10 мкм.

Другой эффект, который можно было наблюдать оптическими методами, это рассеяние ПЭВ на ПАВ - поверхностный аналог рассеяния Мандельштама-Бриллюэна. В каждой области действия акустической линзы образуется концентрическая решётка из ПАВ на поверхности с локальным максимумом в центре. На такой решётке рассеиваются ПЭВ,

изменяя частоту и направление согласно законам сохранения энергии и импульса. Например, рассеяние оптического излучения на локальных максимумах в точке действия линзы представлено на рис 6(в).

В заключении сформулированы основные выводы и результаты, полученные в диссертационной работе:

1. Создано два фемтосекундных лазерных комплекса, позволяющих значительно повысить эффективность нелинейных процессов при отражении от периодической поверхности металла в условиях резонансного возбуждения ПЭВ. В одном комплексе наличие двух импульсных лазерных пучков с разной частотой и контролируемой задержкой между импульсами позволяет исследовать неколлинеарное взаимодействие ПЭВ. В другом, за счёт более короткого импульса, достигается разрешение по времени в десятки фемтосекунд [1, 5, 10].

2. Экспериментально исследована симметричная схема возбуждения ПЭВ (штрихи решётки направлены вдоль плоскости падения) и последующая ГВГ от неколлинеарных ПЭВ. Наблюдалось значительное (до 20 раз) возрастание интенсивности ГВГ в такой схеме. Метод расширен для взаимодействия ПЭВ на разных частотах, что открывает возможности для спектроскопии. Сигналы ГВГ, ГСЧ и ЧВС наблюдались одновременно и имели интенсивности одного порядка. Эффективность преобразования в нелинейный сигнал составила 10-12 для ГСЧ и 10-11 для ЧВС (по интенсивности) [5, 7].

3. Разработан новый метод для исследования хиральных молекул. Метод состоит в измерении поляризационных характеристик волны ВГ, отражённой от границы раздела между металлической решёткой и раствором хиральных молекул при возбуждении ПЭВ. Измерены относительные величины тензора поверхностной нелинейной восприимчивости двух зеркальных энантиомеров пинена [3, 6].

4. Измерено время жизни и длина пробега ПЭВ на металлической решётке в симметричной и несимметричной схемах. Обнаружено, что в симметричной геометрии (при одновременном возбуждении двух неколлинеарных ПЭВ) время жизни ПЭВ (60 фс) возрастает в несколько раз по сравнению с несимметричной схемой (15 фс) [4, 5, 10].

5. Впервые проведены невозмущающие исследования ПЭВ с помощью сканирующего акустического микроскопа. Наблюдалось рассеяние ПЭВ на поверхностных акустических волнах. Получено изображение поля ПЭВ в акустическом микроскопе. Показано, что локальное поле образованно «бегущей», а не локализованной ПЭВ [2, 8, 9].

Материалы диссертации отражены в следующих основных публикациях:

1. Л.Л.Лнгелуц, Н.И.Коротеев, С.А.Магницкий, М.М.Назаров, И.А.Ожередов, А.П.Шкуринов. Установка для исследования фотохромных соединений при двухфотонном возбуждении.// Приборы и техника эксперимента, N 3, 94-98, (1998).

2. Yu.E.Lozovik, M.M.Nazarov, A.P.Shkurinov. Effect of edge plasmon excitation at metal grating on the second harmonic generation of light. // Physica Scripta, Vol. 60, No. 1, 6062, (1999).

3. A.V.Balakin, A.A.Goncharov, N.I.Koroteev, M.M.Nazarov, A.P.Shkurinov D.Boucher, P.Masselin. Chiral-sensitive second harmonic generation enhanced by surface electromagnetic waves. // Nonlinear Optics, vol. 23, 331-346, (2000).

4. Yu.E.Lozovik, S.P.Merkulova, M.M.Nazarov, A.P.Shkurinov. From two-beam surface plasmon interaction to femtosecond surface optics and spectroscopy. //Physics Letters A, vol. 276, 127-132, (2000).

5. Yu.E.Lozovik, S.P.Merkulova, P.Masselin, M.M.Nazarov, A.P.Shkurinov. Time resolved nonlinear surface plasmon optics. // Письма в ЖЭТФ, т. 75, No 9-10, 551-554, (2002).

6. A.A. Angeluts, A.V. Balakin, D. Boucher, A.A. Goncharov, A.S. Dunin, N.I. Koroteev, Yu. E. Lozovik, P. Masselin, S.P Merculova, M.M. Nazarov, A.P. Shkurinov Femtosecond nonlinear optics of evanescent and surface electromagnetic waves in diagnostics of chiral media. Second Italian-Russian symposium on ultrafast optical physics proceedings, p. 259. (1999).

7. P. Masselin, М.М. Nazarov, АР. Shkurinov/ Surface plasmon enhanced SFG and FWM of femtosecond pulses of non-sinusoidal metal grating. Quantum Electronics and Laser Science conference, Technical Digest, p. 257, (2002).

8. J.Bereiter-Hahn, М.М. Nazarov, АР. Shkurinov/ Surface electromagnetic wave imaging with acoustic microscope. 11-th international laser physics workshop 2002, book of abstracts, p. 236, (2002).

9. J.Bereiter-Hahn, М.М. Nazarov, АР. Shkurinov. Investigation of surface electromagnetic wave scattering in acoustic microscope. International Quantum Electronics Conference 2002, Technical Digest, p. 381, (2002).

10. Yu.E. Lozovik, S.P. Merkulova, М.М. Nazarov, АР. Shkurinov, P. Masselin. Time resolved nonlinear surface plasmon optics. // Proceedings of 10th Int. Symp."Nanostructures: Physycs and Technology" p. 172, (2002).

ВВЕДЕНИЕ.

1 ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ.

1.1 Поверхностные электромагнитные волны в металле.

1.2 Экспериментальные методы возбуждения и регистрации ПЭВ.

1.3 Неколлинеарная геометрия возбуждения ПЭВ.

1.4 Нелинейная оптика с участием ПЭВ.

1.5 Некоторые приложения ПЭВ.

1.6 Исследование свойств ПЭВ.

1.7 Выводы к обзору литературы.

2 ГЛАВА 2. ФЕМТОСЕКУНДНЫЕ ЛАЗЕРНЫЕ КОМПЛЕКСЫ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ СВОЙСТВ ПЭВ, ОБРАЗЦЫ, ХАРАКТЕРНЫЕ ВЕЛИЧИНЫ.

2.1 Общие требования, предъявляемые к экспериментальным установкам для изучения ПЭВ

2.2 Особенности лазерных комплексов использовавшихся в работе.

2.3 Параметры и характеризация оптического излучения.

2.4 Точность измерения.

2.5 Методика приготовления и характеризация образцов.

2.6 Выводы к главе 2.

3 ГЛАВА 3 УСИЛЕНИЕ НЕЛИНЕЙНО-ОПТИЧЕСКОГО ОТКЛИКА В СИММЕТРИЧНОЙ СХЕМЕ ВОЗБУЖДЕНИЯ ПЭВ.

3.1 Линейные оптические свойства симметричной схемы.-.

3.2 Увеличение эффективности ГВГ в симметричной схеме.

3.3 Увеличение эффективности ГСЧ в симметричной схеме.

3.4 Увеличение эффективности ЧВС в симметричной схеме.

3.5 Выводы к главе 3.

4 ГЛАВА 4 - ПРИМЕНЕНИЕ ПЭВ ДЛЯ НЕЛИНЕЙНО-ОПТИЧЕСКОГО ИССЛЕДОВАНИЯ ЗЕРКАЛЬНО-АСИММЕТРИЧНЫХ МОЛЕКУЛ.

4.1 Известные оптические методы исследования хиральных сред.

4.2 ГВГ от хиральной периодической поверхности.

4.3 Экспериментальная установка. Специальная часть.

4.4 Обсуждение поляризационных зависимостей ГВГ.

4.5 Выводы к главе 4.

5 ГЛАВА 5. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННЫХ СВОЙСТВ ФЕМТОСЕКУНДНОГО ПАКЕТА ПЭВ.

5.1 Корреляционная функция ПЭВ одной частоты, время жизни ПЭВ.

5.2 Корреляционная функция ПЭВ разной частоты.

5.3 Плазмонная корреляционная функция третьего порядка.

5.4 Исследование ПЭВ акустическим методом.

5.5 Сканирующий акустический микроскоп.

5.6 Рассеяние света и ПЭВ на поверхностной акустической волне.

5.7 Визуализация формы и размера области возбуждения ПЭВ.

5.8 Выводы к главе 5.

Исследование поверхности до сих пор представляет большой интерес для многих областей науки. В том числе для нелинейной оптики. Информативный нелинейно-оптический сигнал с поверхности обычно настолько слаб, что его трудно надёжно регистрировать даже современными методами. Поэтому для исследования поверхностей, тонких плёнок или малых количеств вещества нелинейно-оптическими методами необходимо использовать электромагнитное поле большой интенсивности (по величине сравнимое с внутриатомным полем), но не разрушать при этом объект исследования.

Такая задача может быть решена с помощью методов усиления локального поля и с помощью применения сверхкоротких лазерных импульсов. Один из перспективных методов усиления локального поля лазерного излучения - это возбуждение поверхностных электромагнитных волн (ПЭВ) [1], которые позволяет получать высокоинтенсивные, монохроматические поля на поверхности с заданными пространственными и временными характеристиками. ПЭВ уже имеют разработанные применения в диагностике поверхности, нелинейной оптике и спектроскопии, микроскопии, контроле химических и биологических процессов на поверхности. В данной работе детально изучаются механизмы и возможности усиления локального электромагнитного поля при возбуждении фемтосекундного пакета ПЭВ на периодической поверхности металла.

Специфические свойства ПЭВ это: высокая и селективная чувствительность к свойствам границы раздела, локализация поля на поверхности, возможность взаимодействия со светом только при специальных условиях. ПЭВ могут существовать только на границе двух сред, которые имеют действительные части диэлектрической проницаемости разных знаков. Наиболее простой случай ПЭВ это бегущие неизлучающие плазмоны на гладкой поверхности металла - колебания газа свободных электронов на границе раздела. При своем распространении в металле такая (поверхностная) волна излучиться не может из-за рассогласования фаз (длин волновых векторов) с объёмной электромагнитной волной. Волновой вектор ПЭВ всегда больше волнового вектора световой волны соответствующей частоты. Для того чтобы возбуждать такие ПЭВ световой волной, нужны специальные устройства, позволяющие скомпенсировать расстройку длин волновых векторов - достичь фазового синхронизма. Фазовый синхронизм, в частности, может быть достигнут при использовании периодической поверхности, например, дифракционной металлической решётки [2], за счёт дифракции падающей световой волны. Возбуждая поверхностный плазмон, можно получить надёжно регистрируемый нелинейно-оптический отклик поверхности при небольшой средней мощности импульсного лазерного излучения.

В литературе подробно изучена генерация второй оптической гармоники (ГВГ), отражённой от поверхности металла и усиленная (в 102-10б раз) локальным полем ПЭВ в коллинеарной геометрии возбуждения ПЭВ [3] (штрихи решётки расположены поперёк плоскости падения). В неколлинеарной геометрии, когда штрихи решётки расположены вдоль плоскости падения, одновременно возбуждаются две ПЭВ. Далее в тексте такая геометрия возбуждения ПЭВ называется симметричной схемой. В симметричной схеме возбуждения ПЭВ, эффективность генерации нелинейных сигналов существенно возрастает. Кроме того, форма профиля решётки влияет на локальное поле и соответственно может повысить эффективность ГВГ.

Для спектроскопии поверхности более информативными, но и более сложными с точки зрения эксперимента, являются процессы генерации суммарной и разностной частот (ГСЧ и ГРЧ) усиленные ПЭВ. Важной особенностью данной работы является то, что реализовано невырожденное взаимодействие фемтосекундных пакетов ПЭВ на примере генерации суммарной частоты и процесса четырёхволнового смешения (ЧВС). Также исследованы временные и пространственные свойства сверхкороткого пакета ПЭВ на решётке. Приведён частный случай применения ГВГ усиленной ПЭВ, для спектроскопии хиральных молекул.

Что бы понять природу явления и оптимально использовать возможности метода усиления нелинейного сигнала на поверхности решётки, экспериментально исследовано влияние наиболее значимых факторов (геометрия взаимодействия, фазовый синхронизм, частоты, затухание, размеры и форма образца) на линейный и нелинейный оптический отклик при возбуждении ПЭВ.

Ясно, что именно такие эксперименты важны для качественной и количественной проверки существующих теорий, использующих неизбежные упрощения и приближения, а также для стимулирования дальнейшего развития практического применения ПЭВ в нелинейной спектроскопии поверхности.

Основными целями диссертационной работы являются экспериментальное исследование временных и пространственных особенностей усиления нелинейно-оптического отклика поверхности при возбуждении поверхностных электромагнитных волн на основе изучения процессов ГВГ, ГСЧ и ЧВС, а также применение метода усиления сигнала ГВГ от поверхности для исследования оптически активных (хиральных) молекул.

В работе были поставлены и решены следующие задачи:

1. Разработка новой концепции применения сверхкоротких световых импульсов в нелинейной оптической спектроскопии поверхности, основанной на одновременном возбуждении двух и более независимых, но контролируемых во времени поверхностных электромагнитных волн и их когерентном взаимодействии.

2. Создание двух фемтосекундных лазерных комплексов для изучения процессов возбуждения и излучения ПЭВ, пространственных и временных характеристик взаимодействующих ПЭВ, а так же усиления нелинейного сигнала на металлической периодической поверхности. Один комплекс должен позволять высокое разрешение по времени, другой комплекс должен иметь две разные частоты синхронизованного во времени фемтосекундного импульсного излучения.

3. Экспериментальная реализация неколлинеарной схемы возбуждения ПЭВ. Исследование линейных и нелинейных свойств симметричной неколлинеарной схемы. Экспериментальное исследование свойств ГВГ от двух коллинеарных и неколлинеарных взаимодействующих ПЭВ.

4. Применение ПЭВ для случая невырожденных многофотонных взаимодействий. Экспериментальное сравнение нелинейных процессов второго (ГСЧ, ГВГ) и третьего (ЧВС) порядков на поверхности решётки. Поиск оптимальных условий для ГСЧ и ЧВС.

5. Разработка новой нелинейно-оптической схемы чувствительной к оптической активности вещества основанной на анализе состояния поляризации и интенсивности сигнала поверхностной ГВГ. Проведение модельных экспериментов по изучению процесса ГВГ от поверхности растворов энантиоморфных молекул. Разработка теоретической модели данного явления для анализа экспериментальных результатов.

6. Исследование пространственных и временных свойств ПЭВ возбуждаемых на решётке различных профилей. Измерение времени жизни и длины пробега ПЭВ в разных схемах возбуждения. Визуализация поля ПЭВ невозмущающим акустическим методом. Анализ возможности возбуждения локализованных ПЭВ на зубцах решётки.

Актуальность решения поставленных задач связана с возможностью регистрации оптических сигналов с поверхности на новых частотах, с усилением нелинейного нерезонансного отклика поверхности до надёжно регистрируемого уровня при предельно малой средней мощности за счёт концентрации поля фемтосекундного лазерного излучения на поверхности, а также с достижением фемтосекундного разрешения по времени для исследуемых процессов.

Научная новизна

1. Экспериментально исследован процесс одновременной генерации сигналов на частотах второй гармоники (ВГ) 2coi и 2сог, суммарной частоте (СЧ) СО1+СО2, и частоте четырёхволнового смешения (ЧВС) 2со2-со i от фемтосекундных лазерных импульсов на периодической поверхности металла при неколлинеарном возбуждении ПЭВ.

2. Экспериментально показано, что в симметричной схеме возбуждения ПЭВ, происходит значительное (до 20 раз) увеличение эффективности ГВГ.

3. Экспериментально исследована роль коллинеарного и неколлинеарного взаимодействия ПЭВ, а также влияние ПЭВ на суммарной частоте и на частоте второй гармоники на усиление нелинейного сигнала. Исследованы различные способы достижения условия фазового синхронизма.

4. Экспериментально обнаружено существенное различие в форме поляризационных зависимостей интенсивности ГВГ для двух разных энантиомеров хиральных молекул пинена.

5. В рамках предложенной модели, впервые измерено время жизни ПЭВ на металлической решётке в неколлинеарной симметричной и несимметричной схемах возбуждения ПЭВ. Измерена область локализации ПЭВ нелинейно-оптическим и акустическим методами.

Практическая ценность представленных в работе исследований

1. Разработана схема фемтосекундного лазерного комплекса, который может применяться для исследования усиления локального поля импульсов излучения (100-300 фс) в ближнем ИК диапазоне длин волн (740-830 нм) при возбуждении ПЭВ. Комплекс позволяет изменять направление поляризации излучения, время задержки между импульсами в разных каналах, углы падения излучения основной частоты и углы регистрации полезного сигнала. Предложенные при создании комплексов подходы, могут быть использованы при разработке новых фемтосекундных измерительных схем.

2. Обнаруженное в работе значительное увеличение эффективности нелинейных процессов (ГВГ, ГСЧ, ЧВС) в симметричной схеме, может быть использовано для нелинейной, время-разрешённой спектроскопии поверхности.

3. Разработан и экспериментально проверен новый подход для изучения оптически-активных (хиральных) сред, использующий поверхностную ГВГ, усиленную ПЭВ.

4. Получена информация о времени жизни и об области локализации ПЭВ на решётке.

Защищаемые положения.

1. При возбуждении ПЭВ на периодической поверхности, в случае, когда штрихи решётки лежат в плоскости падения лазерного излучения (симметричная схема) время жизни ПЭВ больше времени жизни ПЭВ в несимметричной схеме. Соответственно, в симметричной схеме происходит наибольшее усиление локального поля. Эффективность нелинейно-оптических процессов второго и третьего порядка по полю в симметричной схеме максимальна. Вторая пространственная гармоника рельефа может увеличивать эффективность ГВГ и ГСЧ.

2. Использование симметричной схемы для возбуждения ПЭВ на периодической поверхности для применения в спектроскопии повышает уровень сигнала и чувствительность, в частности, для исследования оптически активных (хиральных) молекул. Поляризационные зависимости отражённой ГВГ для двух зеркальных энантиомеров хиральных молекул имеют существенно разную форму.

3. Генерация волн на периодической поверхности металла (вследствие нелинейно-оптических процессов второго и третьего порядка по полю) на частотах ВГ, СЧ и ЧВС может наблюдаться одновременно и иметь интенсивность одного порядка величины. В видимой области спектра (где длина пробега ПЭВ меньше размера области возбуждения ПЭВ) эффективность указанных нелинейных процессов при взаимодействии неколлинеарных ПЭВ не меньше соответствующей эффективности при взаимодействии коллинеарных ПЭВ.

4. Размеры и форма области усиления локального поля при возбуждении ПЭВ могут исследоваться с помощью сканирующего акустического микроскопа. Длина пробега ПЭВ на металлической решётке может быть оценена невозмущающими акустическим и нелинейно-оптическим методами. Усиление локального поля связанно с возбуждением бегущего, а не локализованного в области перегибов решётки плазмона.

Структура диссертационной работы

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения и списка цитированной литературы.

5.8 Выводы к главе 5

Исследование временных свойств ПЭВ.

Предложен метод плазмонной спектроскопии поверхности с фемтосекундным временным разрешением. Метод основан на резонансном возбуждении поверхностных плазмонов двумя фемтосекундными лазерными пучками, запаздывающими друг относительно друга и/или разнесёнными в пространстве. Для детектирования взаимодействия ПЭВ используется генерация суммарной оптической частоты либо волна ЧВС. Возможности метода продемонстрированы экспериментально. В рамках предложенной модели оценено время жизни плазмона на решётке в условиях плазмонного резонанса. Оказалось, что время жизни плазмона на решётке зависит от направления его распространения. В случае, когда проекция волнового вектора плазмона на вектор обратной решётки равна вектору обратной решётки (симметричная схема, ср=90°) - время жизни плазмона составляет порядка 70 фс (для длины волы 780 нм). Для несимметричной схемы время жизни не превышает 15 фс. Взаимное направление распространения (коллинеарность) взаимодействующих плазмонов не влияет сильно на эффективность их взаимодействия, поскольку длина пробега сравнима с размером области возбуждения.

Исследование пространственных свойств ПЭВ

В результате возбуждения и поглощения ПЭВ в плёнке металла происходит эффективный локальный нагрев поверхности. Характерное время нагрева (установления

2 / температурного равновесия) при данных условиях можно оценить как а~/ , где % % коэффициент температуропроводности, а - размер области нагрева. Для металла это будет несколько микросекунд, но поскольку над поверхностью металла, где локализована ПЭВ, находиться вода либо кварц, то время определяется температуропроводностью этих веществ и составляет 1 миллисекунду для кварца и 2.6 миллисекунды для воды. Что согласуется с экспериментальными результатами: Для геометрии Кречмана: Tau=1-5±0.06 ms, TAg=1.8±0.4 ms (ПЭВ локализована на внешней стороне плёнки металла), для периодической поверхности: tAu=2±0.5 ms, tAg=0.95±0.02 ms (ПЭВ локализована на внутренней стороне плёнки металла). Вследствие ненулевой длины пробега ПЭВ, след от ПЭВ в САМ на 15-20 мкм растянут в направлении распространения ПЭВ. Что соответствует длине пробега ПЭВ и свидетельствует о том, что присутствуют значительные каналы затухания ПЭВ помимо тепловых потерь. Кроме того, это первое экспериментальное подтверждение того, что ПЭВ на решётке по своей природе «бегущая» а не локализованная волна. Наблюдается (слабое) рассеяние лазерного излучения в результате воздействия САМ (рис. 5.17). Рассеянный сигнал на 3-6 порядков по интенсивности слабее не рассеянного сигнала.

Заключение

Созданы две фемтосекундные лазерные схемы, позволяющие значительно усилить генерацию второй оптической гармоники от периодической поверхности металла при резонансном возбуждении ПЭВ. Наличие двух импульсных лазерных пучков с контролируемой задержкой позволяет наблюдать неколлинеарное взаимодействие ПЭВ с фемтосекундным временным разрешением и регистрировать генерацию суммарной частоты. В работе подробно описаны несколько модификаций комплексов.

Экспериментально исследована и реализована симметричная (штрихи решётки вдоль плоскости падения) схема возбуждения ПЭВ и последующей ГВГ от неколлинеарных ПЭВ. Наблюдалось значительное (в 20-70 раз) возрастание интенсивности ГВГ в такой схеме. Метод расширен для взаимодействия ПЭВ на разных частотах, что открывает возможности для спектроскопии.

Показано, что в эксперименте с излучением на двух разных частотах, возможно одновременное наблюдение нелинейных процессов второго и третьего порядков благодаря возможности выполнения фазового синхронизма для всех процессов. Экспериментально наблюдаемые сигналы ГВГ, ГСЧ, ЧВС имели интенсивности одного порядка. Эффективность преобразования в нелинейный сигнал составила 10"12 для ГСЧ и ГВГ и 10"11 для ЧВС (по интенсивности).

Разработан новый метод для исследования оптически активных (хиральных) молекул. Метод состоит в измерении поляризационных характеристик волны ВГ отражённой от границы раздела между металлической решёткой и раствором хиральных молекул при возбуждении ПЭВ. Наблюдается существенное отличие формы сигнала для двух зеркальных энантиомеров пинена. Измерены относительные величины тензора поверхностной нелинейной восприимчивости пинена.

Измерено время жизни и длина пробега плазмона на металлической решётке в неколлинеарной геометрии. Разделены эффективности коллинеарного и неколлинеарного взаимодействия ПЭВ. Исследована роль возбуждения ПЭВ на частоте ГВГ и ГСЧ в усилении отражённого нелинейного сигнала. В рамках разработанной модели обнаружено, что в симметричной геометрии (при одновременном возбуждении двух неколлинеарных ПЭВ) время жизни ПЭВ (70 фс) возрастает в четыре раза по сравнению с несимметричной схемой (15 фс). Экспериментально исследован новый метод исследования ПЭВ с помощью сканирующего акустического микроскопа. Наблюдалось рассеяние ПЭВ на поверхностных акустических волнах. Получено изображение поля ПЭВ в акустическом микроскопе. Показано, что локальное поле образованно «бегущей», а не локализованной ПЭВ.

В заключение автор диссертационной работы хотел бы выразить огромную благодарность научному руководителю А.П. Шкуринову и Ю.Е. Лозовику за предложенную интересную тему исследований и помощь в работе, а также Н.И. Коротееву, к великому сожалению безвременно ушедшему, за постановку интересной и актуальной задачи. Автор признателен В.В. Шувалову за полезную критику данной работы. Автор благодарен Ю.П. Стрельникову за изготовление образцов. Хочется поблагодарить А.А. Гончарова, П. Масла и К. Блэйса за помощь в проведении экспериментов, А.А. Ангелуца, И.А. Ожередова, А.В. Балакина, А.В. Андреева и И.Р. Прудникова за проявленный интерес, помощь в работе и полезные обсуждения полученных результатов.

Терминология и используемые сокращения

FWHM (Full Width Half Maximum) ширина на половине высоты

ОРА (Optical Parametrical Amplifier) Оптический параметрический усилитель

RegA (Regenerative Amplifier) регенеративный усилитель

АКФ Автокорреляционная функция (верхняя огибающая ИАКФ)

ВГ Вторая гармоника

ГВГ Генерация второй гармоники

ГСЧ Генерация суммарной частоты

ИАКФ Интерференционная автокорреляционная функция

ККФ Кросскорреляционная функция

ЛП Локализованный плазмон

ПКФ Плазмонная корреляционная функция (второго порядка)

ПКФЗ Плазмонная корреляционная функция (третьего порядка) для случая ЧВС

ПЭВ Поверхностная электромагнитная волна, поверхностный плазмон

САМ Сканирующий акустический микроскоп

ЧВС Четырёхволновое смешение

Вырожденная схема Взаимодействие ПЭВ одинаковой частоты

Коллинеарная схема (взаимодействия ПЭВ) Взаимодействующие ПЭВ коллинеарные

Коллинеарная схема (возбуждения ПЭВ) ПЭВ распространяется вдоль плоскости падения (возбуждение на призме, на решётке при ср=0)

Невырожденная схема Взаимодействие ПЭВ разной частоты

Неколлинеарная схема (взаимодействия ПЭВ) Взаимодействующие ПЭВ неколлинеарные (в том числе и симметричная схема)

Неколлинеарная схема (возбуждения ПЭВ) ПЭВ распространяется в направлении отличном от плоскости падения (возбуждение на решётке при ф^О)

Нелинейный отклик ГВГ: Z; = 1{2а) /(1{а))2; ГСЧ: £ = Iu°l+'0l) ; ЧВС: ^ J (2й>2-<«]) l^ji^.)2 l)~)

Симметричная схема Плоскость падения лазерного излучения направлена вдоль штрихов решётки - ф=90°

Угол ориентации штрихов решётки - ср Угол (на поверхности) между вектором обратной решётки и плоскостью падения.

Угол падения - 9 Угол между направлением лазерного излучения и нормалью к поверхности

Эффективность преобразования (интенсивности) - г| ГВГ: 7/ = /(2ftJ) //(ш); ГСЧ: rj = I(a,+a,l)/(Iм + ЧВС:

1. В. М. Агронович, Д. JI. Миллс (ред.). Поверхностные поляритоны. М.:Наука, 1985. (Англ.: V. М. Agronovich and D. L. Mills (eds.). Surface Polaritons. North-Holland, Amsterdam, 1982).

2. R. Petit (ed.) Electromagnetic theory of gratings. New-York: Springer-Verlag, 1980.

3. И. P. Шен, Принципы нелинейной оптики, М.: Наука 1989, (Англ.: Y.R.Shen. The principles of Nonlinear Optics John Willey & Sons, Ink., 1984).

4. R. W. Wood, "On a remarkable case of uneven distribution of light in a diffraction grating spectrum" Phil.Mag., 4, 396-403 (1902).

5. M. C. Hutley. Diffraction gratings. Academic press, London, 1982.

6. A. Somerfeld. Surface waves //Ann. Physik,Vol 28, 665 (1909).

7. R. A. Ferell, Predicted Radiation of Plasma Oscillations in Metal Films// Physical Review, Vol. Ill, 1214 (1958).

8. Y. Teng and E. Stern. Plasma radiation from metal grating surfaces// Physical Review Letters, Vol. 19, No. 9, 511-514 (1967)

9. A. Otto. Excitation of nonxadiative surface plasma Waves in Silver by the method of Frustrated total reflection. //Zeitchrift fur Physik, Vol. 216, 398-410 (1968).

10. E. Kretschmann, H. Raether. Radiative decay of surface plasmons excited by light// Z. Naturforsch A, Vol.23, 2135-2136, (1968).

11. H. Raether, Surface Plasmons on Smooth and Rough Surfaces and on Gratings, Springer Tracts in Modern Physics -Springer, Berlin, 1988.

12. В. И. Емельянов, H. И. Коротеев. Эффект гигантского комбинационного рассеяния света молекулами, адсорбированными на поверхности металла // УФН, т. 135, 345-361, (1981).

13. W. М. Robertson, М. S. May. Surface electromagnetic wave excitation on one-dimensional photonic band-gap arrays.// Applied Physics Letters, Vol. 74,No 13, 1800-1802 (1999).

14. A. Liebsch: Electronic Excitations at Metal Surfaces. -Plenum, New York, 1997.

15. W. Wang, M. J. Feldstein, N. F. Scherer, Observation of coherent multiple scattering of surface plasmon polaritons on Ag and Au surfaces. //Chemical Physics Letters, Vol. 262, 573582, (1996).

16. P. B. Johnson, R. W. Chirsty. Optical constants of noble Metals // Physical Review B, Vol. 6, No.12, 4370-4379 (1972).

17. В. M. Золотарев, В. H. Морозов, Е. В. Смирнова. Оптические постоянные природных сред. Справочник. -JL: Химия, 1984.

18. Satoshi Kawata (Ed.) Near field Optics and surface plasmon polaritons, Springer-Verlag1491. Heidelberg, 2001.

19. R. H .M. Groeneveld, R.Sprik, A.Lagendijk, Femtosecond spectroscopy of electron-electron and electron-phonon energy relaxation in Ag and Au. //Physical Review B, Vol. 51, 1 143311445, (1995).

20. C. Voisin, D. Christofilos, N. Del Fatti, F. Vallee. Femtosecond surface plasmon resonance dynamics and electron-electron interactions in silver nanoparticles. // European Physical Journal D, Vol. 16, 139-144,(2001).

21. R. H. M. Groeneveld, R.Sprik, A.Lagendijk, Ultrafast relaxation of Electrons probed by surface plasmons at a thin silver film. // Physical Review Letters, Vol. 64, 784-787, (1990).

22. K. Ertel, U. Kohl, J. Lehmann, M. Merschdorf, W. Pfeiffer, A. Thon, S. Voll, G. Gerber. Time-resolved two-photon photoemission spectroscopy of HOPG and Ag nanoparticles on HOPG. // Applied Physics B, Vol. 68, 439^145 (1999).

23. W. Qian, L. Lin, Y. J. Deng, Z. J. Xia, and Y. H. Zou, G. K. L. Wong. Femtosecond studies of coherent acoustic phonons in gold nanoparticles embedded in ТЮ2 thin films. // Journal of Applied Physics, Vol. 87, No. 1, 612-614, (2000).

24. M. Exter, A. Lagendijk, Ultrafast surface photon Dynamics. // Physical review letters, Vol. 60, No. 1,49-52, (1988).

25. J.-L. Coutaz. Surface enhanced Second Harmonic Generation from Metals. In Nonlinear Optics in Solids, ed. O.Keller, Springer-Verlag, Heidelberg, 44-77 (1990).

26. C. Matranga, P. Guyot-Sionnest. Absolute intensity measurements of the optical second-harmonic response of metals from 0.9 to 2.5 eV.// Journal of chemical physics, Vol.115, No 20, 9503-9512, (2001).

27. J. C. Quail, H. J. Simon. Second-harmonic generation from silver and aluminum films in total internal reflection. // Phys. Rev. B. Vol. 31, 4900-4905, (1985).

28. В. А. Сычугов, А. В. Тищенко, Б. А. Усиевич, И. Ф. Салахудинов. Резонансное поглощение плазмонов в гофрированной структуре металл-диэлектрик. //Письма в ЖЭТФ, т. 24, N 18,22-29 (1998).

29. Т. Iganlci, М. Motosuga, Е.Т. Aracawa, J.P. Goudonnet. Coupled surface plasmons excited in a free standing thin silver film//Physical Review B, Vol. 31, No. 4, 2548-2550 (1984).

30. F. Pigeon, I. F. Salakhutdinov, A. V. Tishchenko. Identity of long-range surface plasmons along asymmetric structures and their potential for refractometric sensors.//Journal of applied physics, Vol. 90, No 2, 852-859 (2001).

31. С. Басак, В. В. Касандров, А.К. Никитин, А. А. Тищенко, А. И. Черняй. Поверхностные электромагнитные волны в тонких плёнках. // Зарубежная электроника, No 5, 76-84 (1988).

32. F. Yang, J. R. Sambles, and G. W. Bradberry. Long-range surface modes supported by thin films //Physical Review B, Vol. 44, No.l 1, 5855-5872 (1991).

33. W. L. Barnes. Electromagnetic crystals for surface plasmon polariton s and the Extraction of light from emissive devices. //Journal of lightwave technology, Vol. 17, No 11, 2170-2182 (1999).

34. H. J. Simon, Y. Wang, L. Zhou, Z. Chen. Coherent backscattering of optical second harmonic generation with long-range surface plasmons.//Optics Letters, Vol. 17, No. 18, 1268-1270, (1992).

35. Yu. E. Lozovic, A. V. Kluchnic, in "Dielectric Susceptibility", North Holland, Amsterdam, Chapter 6, (1987).

36. P. Ченг, Т.Фуртак (ред.) Гигантское комбина1ионноерассеяние. М:Мир, (1984).

37. М. Moskovits, Surface enhanced spectroscopy. //Review of Modern Physics, Vol 57, No 3, 783-826 (1985).

38. С. K. Chen, A. R. B. de Castro, Y. R. Shen. Surface enhanced second-harmonic generation. // Physical Review Letters, Vol. 46, 145-148 (1981).

39. J. A. Sa'nchez-Gil, A. A. Maradudin, Competition between Anderson localization and leakage of surface-plasmon polaritons on randomly rough periodic metal surfaces. // Physical review B, Vol. 56, No. 3, 1103-1106,(1997).

40. M. B. Sobnack, W. C. Tan, N. P. Wanstall, T. W. Preist, and J. R. Sambles. Stationary Surface Plasmons on a Zero-Order Metal Grating // Physical Review Letters, Vol. 80, 5667-5670 (1998).

41. W.-C. Tan, T. W. Preist, J. R. Sambles, and N. P. Wanstall. Flat surface-plasmon-polariton bands and resonant optical absorption on short-pitch metal gratings. //Physical Review B, Vol. 59, 12661-12666 (1999).

42. D. C. Skigin, R. A. Depine. Surface shape resonance and surface plasmon polariton excitations in bottle shaped metallic gratings. // Physical Review E, Vol. 63, 04608-1-10 (2001).

43. T. Ito, K. Sakoda. Photonic bands of metallic systems. II. Features of surface plasmon polaritons. // Physical Review B, Vol. 64, 045117-1-8 (2001)

44. J. E. Sansonetti, J. K. Furdyna. Depolarization effects in arrays of spheres.// Physical Review B, Vol. 22, No 6, 2866-2870, (1980).

45. B. Lamprecht, A. Leitner, F. R. Aussenegg. SHG studies of plasmon dephasing in nanoparticles. // Applied Physics B, Vol. 68, No. 3, 419-423, (1999).

46. Y. J. Chen, E. S. Koteles, R. J. Seimour, G. J. Sonek, J. M. Ballantyne. Surface plasmons on gratings: coupling in the minigap regions. // Solid State Communications, Vol. 46,No 2, 95-99 (1983).

47. R. H. Ritchie, E. T. Arakawa, J. J. Cowan, R. N. Hamm. Surface-plasmon resonance effect in grating diffraction. // Physical Review Letters, Vol. 21, No 22, 1530-1533 (1968).

48. G. Blau, J. L. Coutaz, R. Reinisch. Second-harmonic generation by counterpropagating surface plasmons at a silver diffraction grating. // Optics Letters, Vol. 18, 1352-1354, (1993).

49. F. Pincemin, J.-J. Greffet. Propagation and localization of a surface plasmon polariton on a finite grating. // J.Opt.Soc.Am.B, Vol. 13, No 7. 1499-1509, (1996).

50. K. O'Donnell. Plasmon polariton scattering from rough metal surfaces. // Optics and Photonics News, March, 33-37, (1998).

51. В. H. Семиногов, В. И. Соколов. Влияние немонохромотичности периодического рельефа поверхности на эффект полного подавления зеркального отражения s-поляризованной электромагнитной волны // Оптика и спектроскопия, т. 68, 88-94, (1990).

52. П. С. Кондратенко. Генерация второй гармоники при воздействии света на металлическую поверхность периодического профиля. // Квантовая электроника, т. 13, 2009-2014,(1986).

53. Г. М. Гандельман, П. С. Кондратенко. Полное подавление металлического отражения при резонансном возбуждении поверхностных плазменных волн//Письма в ЖЭТФ, т. 38, 246-248 (1983).

54. A. A. Kovalev, P. S. Kondratenko, A. A. Liberman, В. N. Levinskii. Nonspecular reflection of radiation from fine metal gratings due to the effect of Wood's anomaly. // Technical Physics, Vol. 38, No. 7, 577- 581,(1994).

55. Д. Ю. Степанов, С. П. Суров, В. А. Сычугов., В. Д. Шигорин. Генерация второй гармоники на шероховатой гофрированной поверхности металла при возбуждении поверхностной электромагнитной волны излучением ТЕ и ТМ- поляризацией. // No 12, 150-152, (1989).

56. W. М. Robertson, М. Grimsditch, A. L. Moretti, R. G. Kaufman, "Light scattering by surface acoustic waves on corrugated metal surfaces," Phys. Rev. B. 41, 4986-4992 (1989).

57. V. A. Sterligov, P. Cheyssac, S. I. Lysenko, R. Kofman. Elastic scattering of surface electromagnetic waves by ID surface relief//Optics Communications, Vol. 177, 1-8 (2000)

58. А. А. Ангелуц, А. А. Гончаров, H. И. Коротеев, И. А. Ожередов, А. П. Шкуринов. ГВГ при отражении сфокусированных пучков фемтосекундных импульсов от металлической поверхности с периодическим рельефом.//Квантовая электроника, т. 24, N 1, 67-70 (1997).152

59. А. V. Balakin, A. A. Goncharov, N. I. Koroteev, M. M. Nazarov, А. P. Shkurinov, D. Boucher, P. Masselin. Chiral-sensitive second harmonic generation enhanced by surface electromagnetic waves //Nonlinear Optics, vol. 23, 331-346, (2000).

60. Yu. E. Lozovik, S. P. Merkulova, M. M. Nazarov, A. P. Shkurinov. From two-beam surface plasmon interaction to femtosecond surface optics and spectroscopy //Physics Letters A, vol. 276 127-132 (2000).

61. Yu. E. Lozovik, S. P. Merkulova, P. Masselin, M. M. Nazarov, A. P. Shkurinov. Time resolved nonlinear surface plasmon optics// Письма в ЖЭТФ, т. 75, No 9-10, 551-554, (2002).

62. G. S. Agarwal, S. S. Jha. Surface-enhanced second harmonic generation at a metallic grating // Physical Review B, Vol. 26, 482-496, (1982).

63. В. И. Емельянов, В. H. Семиногов, В. И. Соколов. Влияние дифракции второго порядка на линейные и нелинейные оптические эффекты вблизи поверхности с периодическим рельефом // Квантовая электроника, т.14, 2028-2037, (1987).

64. М. Weber, D.L. Mills. Interaction of electromagnetic waves with periodic gratings: Enhanced fields and the reflectivity. // Physical Review B, Vol. 27, 2698-2709, (1983).

65. N. Blombergen, R. K. Chang, S. S Jha, С. H. Lee, "Optical second harmonic generation in reflection from media with inversion symmetry". //Physical Review, Vol. 174, 813-174 (1968).

66. J.-L. Coutaz, M. Neviere, E. Pic, R. Reinisch. Experimental study of surface-enhanced second-harmonic generation on silver gratings. // Physical Review B, Vol. 32, No. 4, 2227-2232, (1985).

67. M. Neviere, R. Reinisch, D. Maystre. Surface-enhanced second-harmonic generation at a silver grating: numerical study. // Physical Review B, Vol. 32, No. 6, 3634-3641, (1985).

68. H. R. Jensen, R. Reinisch, J.-L. Coutaz. Hydrodynamic study of surface plasmon enhanced non-local second-harmonic generation.//Applied physics B, Vol. 64, 57-63 (1999).

69. J.-L. Coutaz. Experimental study of second-harmonic generation from silver gratings of various groove depths. // J. Opt. Soc. of Am. B, Vol. 4, No. 1, 105-106, (1987).

70. E. Popov, M. Neviere. Surface-enhanced second-harmonic generation in nonlinear corrugated dielectrics: new theoretical approaches. // J. Opt. Soc. Am. B, Vol. 11, No. 9, 1555-1563, (1994).

71. E. Popov, M. Neviere, R. Reinisch, J.-L. Coutaz, J.F. Roux. Grating-enhanced second-harmonic generation in polymer waveguides. // Applied Optics, Vol. 34, No. 18, 3398-3404. (1995).

72. А. С. R. Pipino, G. С. Schatz, R. P. Van Duyne. Surface-enhanced second-harmonic diffraction: Selective enhancement by spatial harmonics. // Physical Review B, Vol. 49, No. 12, 8320-8330, (1994).

73. R. Reinisch, М. Neviere, Е. Popov, Н. Akhoulayri. Coupled-mode formalism and linear theory of diffraction for a simplified analysis of second harmonic generation at grating couplers. // Optics Communication, Vol. 112, 339-348 (1994).

74. G. A. Farias, A. A. Maradudin. Second-harmonic in reflection from a metallic grating. // Physical Review B, Vol. 30, No 6, 3002-3015 (1984).

75. P. Petruskevicius. Wood's anomalies in second-harmonic generation at surfaces. // Physica status solidy A, Vol. 175, 207-212 (1999).

76. A. C. R. Pipino, G. C. Schatz, and R. P. Van Duyne. Surface-enhanced second-harmonic diffraction: Experimental investigation of selective enhancement. // Physical Review B, Vol. 53, 4162-4171, (1996).

77. M. Neviere, P. Vincent, D. Maystre, R. Reinisch, J.L. Coutaz. Differential theory for metallic gratingsin nonlinear optics: second-harmonic generation. // JOSA B, Vol. 5, 330-340 (1988).

78. Y.R. Shen. Surface properties probed by second-harmonic and sum-frequency generation. // Nature, Vol. 337, 519-524 (1989).

79. A. Liebsch. Theory of sum frequency generation from metal surfaces// Applied Physics B, Vol. 68, 301-304 (1999).

80. N. Bloembergen, P. S. Pershan. // Physical Review, Vol. 128, 606-622 (1968).

81. O. A. Aktsipetrov, V. N. Golovkina, О. I. Kapusta, T. A. Leskova, N. N. Novikova. Anderson localization effects in the second harmonic generation at a weakly rough metal surface.// Physics Letters A, 231-234,(1992).

82. T. A. Leskova, M. Leyva-Lucero, E. R. Mendez, A. A. Maradudin, I. V. Novikov. The surface enhanced second harmonic generation of light from a randomly rough metal surface in the Kretschmann geometry. // Optics Communications, Vol. 183, 529-545, (2000).

83. G. Farkas, C. Toth, K.C. Neuman, F.K. Tittel. Wavelength dependence of harmonicgeneration efficiency at metal surfaces induced by femtosecond Ti:Sapphire laser pulses. // Optics Communications, Vol. 132, 289-294, (1996).

84. H. B. Liao, R. F. Xiao, H. Wang, K. S. Wong, and G. K. L. Wong. Large third-order optical nonlinearity in Au:Ti02 composite films measured on a femtosecond time scale. //Applied physics letters Vol. 72, No. 15, 1817-1819 (1998).

85. T. Y. F. Tsang, Surface-plasmon-enhanced third-harmonic generation in thin silver films. // Optics Letters, Vol. 21, 245-247, (1996).

86. С. K. Chen, A. R. B. de Castro, Y. R. Shen, F. De Marty. Surface Coherent Anti-Stocks Raman Spectroscopy. //Physical Review Letters, Vol. 43, No. 13, 946-949, (1979).

87. Z. Chen, Z. Zhang, Enhanced surface sum frequency generation from LB layer covered silver film. // Journal of Applied Physics, Vol. 69, No 11, 7406-7410, (1991).

88. J. E. Sipe, V. C. Y. So, M. Fuki, I. Stegeman. Analyze of second-harmonic generation at metal surfaces. //Physical Review B, Vol. 21, 4398-4402, (1980).

89. E. R. Eliel, E. W. M. van der Ham, Q. H. F. Vrehen. Enhancing the yield in surface sum-frequency generation by the use of surface polaritons. // Applied Physics B, Vol.68, No.3, 349353 (1999).

90. I. Baltog, N. Primeau, R. Reinisch, J. L. Coutaz. Observation of stimulated surface-enhanced Raman scattering through grating excitation of surface plasmons. // JOSA B, Vol. 13, 656-660, (1996).

91. H. Kano, W. Knoll. Locally excited surface-plasmon-polaritons for thickness measurement of LB К films. // Optics Communications, Vol. 153, 235-239, (1998).

92. G. F. Cairns, D. A. McNeill, P. Dawson. Application of surface plasmon polaritons in the laser ablation and characterization of thin aluminum films. // Surface Science, Vol. 429, 117-126,(1999).

93. M. J. Benitez, G. Mier, F. Brione, F. J. Moreno, J. S. Jimenez. Binding of polylysine to protein kinase CK2, measured by Surface Plasmon Resonance. // Molecular and Cellular Biochemistry, Vol. 191, 29-33, (1999).

94. A. Tredicucci, C. Gmachl, F. Capasso, A.L. Hutchinson, D.L. Sivco, A.Y. Cho. Single-mode surface-plasmon laser. // Applied physics letters, Vol. 76, No. 16, 2164-2166, (2000).

95. T. Kokubo, A. Gallagher, and J. L. Hall. Optical heterodyne detection at a silver scanning tunneling microscope junction //Journal of Applied Physics, Vol. 85, No 3, 1311-1316 (1999)

96. M. Specht, J. D. Pedaring, W. M. Heckl, T. W. Hansch. Scanning plasmon Near-field Microscope. // Physical Review Letters, Vol. 698, No. 4, 476-479, (1992).

97. S. I. Bozhevolnyi, F. A. Pudonin. Two-Dimensional Micro-Optics of Surface Plasmons. // Physical review letters, Vol. 78, No. 14, 2823-2826, (1997).

98. J.-P. Thost, W. Krieger, N. Kroo, Z. Szentirmay, H.Walther. Determination of propagation length of surface plasmons with the scanning tunneling microscope. // Optics Communications, Vol. 103, 194-200, (1993).

99. P. Dawson, F. de Fornel, J.-P. Goudonnet. Imaging of surface plasmon propagation and edge interaction using a photon scanning tunneling microscope. // Physical Review Letters, Vol. 72, No. 18,2927-2930,(1994).

100. P. Dawson and B. A. F. Puygranier, J-P. Goudonnet. Surface plasmon polariton propagation length: A direct comparison using photon scanning tunneling microscopy and attenuated total reflection. // Physical Review B, Vol. 63, 205410-1-10, (2001).

101. S. I. Bojevolnyi, I. I. Smolianinov, A. V. Zayatz. Near-field microscopy of surface plasmon-polariton: Localization and internal interface imaging. // Physical review B,Vol. 51, 1791617924 (1994).

102. Y-K. Kim, P. M. Lundquist, J. A. Helfrich, J. M. Mikrut, G. K. Wong, P. R. Auvil, J. B. Ketterson. Scanning plasmon optical microscope. // Applied Physics Letters, Vol. 66, 34073409, (1995).

103. Y-K. Kim, J.B. Ketterson, D.J. Morgan. Scanning plasmon optical microscope operation in atomic force microscope mode. // Optics Letters, Vol. 21, 165-167, (1996).

104. M.G. Somekh, S.Liu, T.S. Velinov, C.W. See. High resolution scanning surface-plasmon microscopy. // Applied Optics, Vol. 39, 6279-6287, (2000).

105. A. Briggs ed. Advances in Acoustic microscopy, Vol. 1, (Plenum Press, New York, 1995)

106. К. Katayama, Q. Shen, A. Harata, T. Sawada. Unusual enhancement of transient reflecting grating signal under a surface plasmon resonance condition. // Applied physics letters, Vol. 69, No 17, 2468-2470 (1996).

107. A. Briggs ed. Advances in Acoustic microscopy, Vol. 1, (Plenum Press, New York, 1995)

108. M. Fukui, O. Toda, V.C.Y. So, G.I. Stegeman. Surface plasmon enhanced scattering from metal films. // Soli State Communications, Vol. 36, 995-1000, (1980).

109. A. L. Moretti, W. M. Robertson, В Fisher, R. Bray, "Surface-enhanced Brillouin scattering on silver films," Phys. Rev. B. 31, 3361-3368 (1985).

110. A. M. Marvin, F. Nizzoli, "Theory of Brillouin scattering on surface grating: Role of surface polaritons," Phys. Rev. B. 45, 12160-12163 (1992).

111. T. Inagaki, K. Kagami, E.T. Arakawa, "Photoacoustic study of surface plasmons in metals," Applied optics, 21, 949-954 (1982).

112. G. A. Reider and T. F. Heinz, Second-order Nonlinear optical effects at surfaces: recent advances, in: Photonic probes of surfaces, Ed. P.Halevi. Elsevier Science B.V., Amsterdam, 1995.

113. T. Petralli-Mallow, T.M. Wong, J.D. Byers, H.I. Lee, J.M. Hicks. Chiral Dichroism spectroscopy at interfaces: a surface SHG study. // J. Phys. Chem., Vol. 97, 1383-1388, (1993).

114. M. Kauranen, T. Verbiest, A. Persoons. Second-order nonlinear signatures of surface chirality // J. of Modern Optics, 45, 403 (1998).

115. С. H. Волков, В. А. Макаров, H. И. Коротеев. Генерация второй гармоники в объеме изотропной среды с квадратичной нелинейностью сфокусированным неоднородно поляризованным пучком накачки // ЖЭТФ, т. 113, вып.4, 1261-1276, (1998).

116. L. Velluz, М. Legrand, М. Grosjean, Optical Circular Dichroism. Principles, Measurements, and Applications. Academic Press Inc., New York and London, 1965.

117. B. U. Felfderhof, A. Bratz, G. Marowsky, O. Roders, F. Sieverdes. Optical second-harmonic generation from adsorbate layers in total-reflection geometry // J.Opt.Soc.Am.B, Vol. 10, No. 10, 1824-1833, (1993).

118. M. Kauranen, J. J. Maki, Th. Verbiest, S. V. Elshocht, A. Persoons, Quantitative determination of electric and magnetic second-order susceptibility tensors of chiral surfaces // Physical Review B, Vol. .55, No. 4, R1985-R1988, (1997).

119. R. Stolle, M. Loddoch, G. Marovsky. Theory of second-harmonic circular dichroism at surfaces. //Nonlinear Optics, Vol. 8, 79-85, (1994).

120. J. J. Maki, M. Kauranen, A. Persoons. Surface second-harmonic generation from chiral materials. // Physical review B, Vol. 51, No. 3, 1425-1434, (1995).

121. B. Koopmans, A.-M. Jarmer, H. T. Jonkman, G. A. Sawatzky. Strong bulk magnetic dipole induced second-harmonic generation from Сбо // Physical Review Letters, Vol. 71, No. 21, 3569-3572,(1993).

122. B. Koopmans, A. Anema, H. T. Jonkman, G. A. Sawatzky, F.van der Woude. Resonant-optical-second-harmonic generation from thin Сбо films // Physical Review B, Vol. 48, 27592764, (1993).

123. U. Kreibig, M. Vollmer "Optical properties of metal clusters", Springier, Berlin, Heidelberg, 1995.

124. N. Kroo, W. Kreiger, Z. Lenkfi, Z. Szentirmay, J.P. Thost, H. Walther. A new optical method for investigation of thin metal film. // Surface Science, Vol. 331-333, 1305-1309, (1995).

125. B. Lamprecht, J. R. Krenn, A. Leitner, F. R. Aussenegg, Particle-plasmon decay-time determination by measuring the optical near-field's autocorrelation: influence of inhomogeneous line broadening. // Applied Physics B, Vol. 69, No. 3, 223-227, (1999).

126. A. L. Moretti, W. M. Robertson, В Fisher, R. Bray. Surface-enhanced Brillouin scattering on silver films. // Physical Review B. Vol. 31, 3361-3368 (1985).

127. G. von Plessen, M. Perner, J. Feldmann, Ultrafast relaxation dynamics of electronic excitations in noble-metal clusters. //Applied Physics B, Vol. 71, 381-384 (2000).

128. J.-H. Klein-Wiele, P. Simon, and H.-G. Rubahn. Size-Dependent Plasmon Lifetimes and Electron-Phonon Coupling Time Constants for Surface Bound Na Clusters. // Physical review letters, Vol. 80, No. 1, 45-48, (1998).

129. А. А. Ангелуц, Н. И. Коротеев, С. А. Магницкий, М. М. Назаров, И. А. Ожередов, А. П. Шкуринов Установка для исследования фотохромных соединений при двухфотонном возбуждении. Приборы и Техника Эксперимента, N 3, с 94-98, (1998).

130. И. А. Ожередов. Взаимодействие фемтосекундных световых импульсов с одномерными фотонными кристаллами. Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук, М.:МГУ, 2001.

131. А. В. Пакулев. Лазерная фемтосекундная спектрохронография фотохромных соединений: временная динамика амплитудного нелинейного отклика. Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук, М.:МГУ, 1999.

132. J. С. M. Diels, J. J. Fontain, I. C. McMichael, F. Simoni. Control and measurement of ultrashort pulse shapes (on amplitude and phase) with femtosecond accuracy. // Applied Optics, Vol. 24, No. 9, 1270-1282 (1985).

133. H. И. Коротеев, И. JI. Шумай. Физика могцного лазерного излучения, Москва, Наука, 1991.

134. Yu. Е. Lozovik, М. М. Nazarov, А. P. Shkurinov. Effect of edge plasmon excitation at metal grating on the second harmonic generation of light. // Physica Scripta, Vol. 60, No. 1, 60-62, (1999).

135. A. Eguiluz, A. A. Maradudin. Electrostatic edge modes along a parabolic wedge. // Physical Review B, Vol. 14, 5526-5528, (1976).

136. R. G. Molina, A. G.Marty, R. H. Ritchie. Excitation of edge modes in the interaction of electron beam with dielectric wedges. // Physical Review B, Vol. 31, 121-127, (1985).

137. L. C. Davis, Electrostatic edge modes of a dielectric wedge. // Physical Review B, Vol. 14, 5523-5525, (1976).

138. A. D. Boardmen, G. С Aers, "Retarded modes of a parabolic wedge." I/ Physical Review B, Vol. 24, 5703-5706, (1981).

139. L. Dobrzinsici, A. A Maradudin. Electrostatic edge modes in a dielectric wedge. // Physical Review B, Vol. 6, 3810-3815, 1972.

140. Р. К. Aravind, A. Nitzan, M. Metiu. The interaction between electromagnetic resonance of two spheres.//Surface Science, Vol. 110, No. 1, 189-193,(1981).

141. S. C. Kitson, W. L. Barnes, J. R. Sambles. Surface-plasmon energy gaps and photoluminescence. // Physical Review B, Vol. 52, 11441-11445, (1995).

142. С. Шапиро (ред.). Сверхкороткие световые импульсы М.: Мир, 1981.

143. С. А. Ахманов, В. А. Выслоух, А. С. Чиркин. Оптика фемтосекундных лазерных илтульсов. М.: Наука, (1988).

144. В. U.Felderhof, A. Bratz. G. Marovsky, О. Robers, F. Sieverds, "Optical SHG from adsorbate с geometry." //J. opt. soc. Am. B, Vol. 10, N 10, 1824-1834, (1993).

145. Catalog Handbook of Fine Chemicals Aldrich. Aldrich Chemical company, inc. Milwauke USA, p. 1230. 1988.

146. И.А. Викторов Поверхностные акустические волны в твёрдом теле. Москва, Наука,

147. Т. Kundu, J. Bereiter-Hahn, К. Hillmann, "Measuring elastic properties of cells by evaluation of scanning acoustic microscopy V(z) values using simplex algorithm," Biophys.J, 59, 1149-1207 (1991).

148. T. Kundu, J. Bereiter-Hahn, K. Hillmann. Calculating acoustical properties of cells: Influence of surface topography and liquid layer between cell and substrate. // J.Acoust. Soc.Am. Vol. 91, 3008-3017, (1992).1981.