Нелинейная магнитооптика слоистых структур тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.21 ВАК РФ

на правах рукописи

0046060У4

Раздольский Илья Эрнстович /

НЕЛИНЕЙНАЯ МАГНИТООПТИКА СЛОИСТЫХ

СТРУКТУР

Специальность 01.04.21 - лазерная физика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

2 4 «ЮН 2010

Москва - 2010

004606094

Работа выполнена на кафедре квантовой электроники физического факультета Московского государственного университета имени М. В. Ломоносова

Научный руководитель: доктор физико-математических наук,

профессор Акципетров Олег Андреевич

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук

Ведущая организация: Учреждение Российской академии наук

"Физический институт имени П.Н. Лебедева РАН", Москва

Защита состоится 23 сентября 2010 г. в 17-30 на заседании диссертационного совета Д 501.001.31 при Московском государственном университете имени М.В. Ломоносова по адресу: 119991, ГСП-1, Москва, Ленинские горы, МГУ, ул. Академика Хохлова, дом 1, стр. 62, корпус нелинейной оптики, аудитория имени С.А. Ахманова.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультета МГУ.

профессор Гордиенко Вячеслав Михайлович,

кафедра общей физики и волновых процессов физического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова

кандидат физико-математических наук Мерзликин Александр Михайлович,

Институт теоретической и прикладной электродинамики ОИВТ РАН, Москва

чи/-

г.

Т.М. Ильинова

Общая характеристика работы

Диссертационная работа посвящена экспериментальному исследованию квадратичного и кубичного нелинсйно-оптичсского отклика слоистых пла-нарных структур. Основными исследованными эффектами являются генерация магнитоиндуцировашюй второй гармоники (ВГ), самовоздействие света, а также эффекты сверхбыстрой динамики и оптически индуцированного транспорта горячих спин-поляризованных носителей в магнитной металлической пленке.

Усиление нелинейно-оптического отклика микро- и наноструктур может быть достигнуто за счёт увеличения напряженности локального электромагнитного поля излучения накачки и/или гармоники, а также эффекта фазового синхронизма. Например, оптические локальные поля усиливаются за счет локализации электромагнитного поля в микрообластях как в резонаторах,-что приводит к резонансному возрастанию оптического поля в активном слое вещества; в определенном спектральном диапазоне схожий эффект достигается в периодических структурах с измененным вследствие этого законом дисперсии. Фазовый синхронизм реализуется, например, при непосредственном равенстве показателей преломления волн накачки и гармоник в двулучепре-ломляющих кристаллах, или в средах с периодической модуляцией показате-. ля преломления и/или нелинейных восприимчивостей за счет добавления к волновому вектору одной из взаимодействующих волн вектора обратной решетки периодической среды и изменения закона дисперсии света. Последнее обстоятельство, эффективно замедляющее распространение света в структуре и увеличивающее время взаимодействия излучения со средой, способно приводить к увеличению многих нелинейно-оптических явлений.

Структуры с периодически изменяющейся в пространстве диэлектрической проницаемостью называются фотонными кристаллами (ФК). Варьирование оптических параметров с периодом порядка длины волны изменяет спектральную плотность мод электромагнитного поля: появляется запрет на распространение электромагнитных волн внутри структуры в некотором частотно-угловом диапазоне, и возникает фотонная запрещенная зона (ФЗЗ),. что обуславливает разнообразные перспективы применения ФК. Помещение активного вещества в ФК, служащий резонатором, делает возможным создание лазеров с предельно низким порогом генерации. Благодаря своим особым дисперсионным свойствам ФК оказываются весьма полезны в физике сверхкоротких световых импульсов. Сдвиг запрещенной зоны под действием света

в нелинейных ФК является основой для создания оптических логических элементов.

Исследование динамики намагниченности наноструктур представляет собой интенсивно развивающуюся область исследований. Поводом для этого является спрос на компактные и малопотребляющие устройства запомина-' ния информации, в которых основным физическим принципом работы является магнитное упорядочение. При этом направление намагниченности играет роль того логического индикатора, который определяет, какое значение, "ноль" или "единица" , записано в данной ячейке памяти. Направление, в котором происходит развитие технологий в этой области, можно, прежде всего, охарактеризовать стремлением к увеличению быстродействия. Современные коммерческие устройства оперируют частотами в несколько гигагерц, то есть, фактически время операции или переключения между состояниями ограничено наносекундным масштабом.

В связи с этим представляется логичным попытаться использовать оптические средства управления подобными системами. Для современных лазерных источников света не является проблемой генерировать импульсы фем-тосекундной длительности, что могло бы значительно расширить горизонт быстродействия запоминающих устройств. Описанная выше прикладная область физики требует фундаментальных исследований сверхбыстрых (имеются в виду фемтосекундные масштабы) процессов в магнитных структурах, включая влияние лазерного импульса на намагниченность среды, энергетическое распределение электронов и оптический отклик образца. Тесно связано с этой темой исследование динамики спиновой поляризации носителей, их транспорта в среде и возможности оптическими методами генерировать импульсы спин-поляризованного тока.

Целью диссертационной работы является экспериментальное исследование нелинейно-оптического и магнитооптического отклика фотонных кристаллов и микрорезонаторов, включая детальное изучение эффектов самокоз^ действия света в подобных структурах, а также изучение транспорта спин-поляризованных носителей в бислойной пленке Аи/Ре на фемто- и пико-секундных масштабах времени методом генерации магнитоиндуцированной второй гармоники в экспериментальной схеме "накачка-зондирование" .

Актуальность работы обусловлена фундаментальным интересом к усилению нелинейно-оптических эффектов в периодических структурах, включая непараметрические процессы, а также к исследованию квадратичного и кубичного отклика новых высококачественных микрорезонаторных структур на основе гранатов. Кроме того, актуальность работы связана с изучением

сверхбыстрых процессов в ферромагнетиках, которые, помимо своей фундаментальной значимости для физики магнетизма на фемтосекундных масштабах времени, обладают перспективами с точки зрения прикладных задач генерации тока спин-поляризованных носителей. Представляется актуальным и выбор объектов исследований - нано- и микроструктур магнетиков, физика которых является динамично развивающейся областью науки.

Научная новизна работы состоит в следующем:

• Обнаружено усиление эффекта самофокусировки излучения в композитном полимерном микрорезонаторе с фотошюкристаллическими зеркалами из пористого кремния и в микрорезонаторах на основе гранатов. Обнаружена зависимость угла поворота плоскости поляризации излучения от плотности мощности излучения, для чего была разработана поляризационная методика г-сканирования.

• Обнаружено усиление эффекта самовоздействия излучения в фотонном кристалле на краю фотонной запрещенной зоны, являющееся следствием оптического аналога эффекта Боррмапна.

• Нелинейно-оптическим методом "накачка-зондирование" проведено исследование фемтосекундного сшш-поляризованного транспорта носителей в эпитаксиальных пленках Аи/Ге/Г^О. Показано, что транспорт основных и неосновных носителей в зависимости от спиновой поляризации носит принципиально различный - баллистический и диффузионный - характер, что приводит к изменению знака магнитного контраста.

Научная и практическая значимость работы заключается в демонстрации прикладных возможностей использования новых нелинейно-оптических эффектов в фотонных кристаллах и микрорезонаторах, в наблюдении значительных для прикладных отраслей науки величин магнитоиндуцированных эффектов во второй гармонике в микрорезонаторной структуре на основе гранатов, а также в демонстрации механизма оптического возбуждения фемтосекундных импульсов спин-поляризованного тока вместе с получением детальной картины поведения намагниченности в нанометровых пленках железа под действием как мощного лазерного излучения, так и импульса горячих-инжектированных электронов.

На защиту выносятся следующие положения:

1. В фотоннокристаллических микрорезонаторах с дефектным слоем на основе гранатов экспериментально наблюдался эффект самодефокуси-

ровки излучения. Механизм усиления эффекта по сравнению с однородной пленкой обусловлен сильной локализацией электромагнитного поля в микрорезонаторном слое.

2. Экспериментально обнаружена спектральная зависимость эффекта самодефокусировки излучения в фотонных кристаллах на основе феррит-граната на длинноволновом краю ФЗЗ, которая связывается с перераспределением оптического поля внутри элементарной ячейки ФК, что является оптическим следствием эффекта Боррманна.

3. В фотоннокристаллическом микрорезонаторе на основе феррит-граната с висмутом обнаружена зависимость угла поворота плоскости поляризации от плотности мощности зондирующего излучения. Поворот плоскости поляризации связывается с нелинейной добавкой к двулучепре-ломленшо микрорезонаторного слоя.

4. Нелинейно-оптическим методом накачка-зондирование проведено исследование фемтосекундного спин-поляризованного транспорта носителей в эпитаксиальных пленках Au/Fe/MgO. В сигнале ВГ от поверхности золота обнаружен динамический магнитный контраст до 1.5%, связанный с появлением в поверхностном слое инжектированных спин-поляризованных баллистических носителей. Транспорт основных и неосновных носителей в зависимости от спиновой поляризации носит принципиально различный - баллистический и диффузионный - характер.

Апробация результатов работы проводилась на международных конференциях: "Moscow International Symposium on Magnetism" (Москва, Россия, 2008), "Nanostructures: Physics and Technology" (Санкт-Петербург, Россия, 2006), "Spin waves" (Санкт-Петербург, Россия, 2009), "Week of Doctoral Students" (Прага, Чехия, 2008), "3rd International Congress on Advanced Electromagnetic Materials in Microwaves and Optics" (Лондон, Соединенное Королевство Великобритании и Северной Ирландии, 2009). "Nanomeeting" (Минск, Беларусь, 2009), "20th International Colloquium on Magnetic Films and Surfaces" (Берлин, Германия, 2009), "MRS Spring Meeting" (Сан-Франциско, США, 2009), а также семинарах кафедры квантовой электроники физического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова. Основные результаты диссертационной работы отражены в публикациях в специализированных ведущих научных журналах: "Journal of Magnetism and Magnetic Materials", "Applied Physics Letters", "Письма в ЖЭТФ".

По материалам диссертации опубликовано 14 печатных работ, в том числе 13 - по теме диссертации, включая 5 статей в ведущих рецензируемых журналах из списка ВАК России и 8 тезисов докладов.

Личный вклад автора Все результаты диссертационной работы получены автором лично или при его непосредственном участии.

Структура и объем работы Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитируемой литературы. Объем работы составляет 173 страницы, включая 69 рисунков. Список цитируемой литературы содержит 142 наименования, включая 5 авторских публикаций.

Содержание работы Глава 1. Обзор литературы

Первая глава содержит обзор методов и эффектов нелинейной оптики, включая эффекты генерации второй гармоники и самовоздействия света, а также обсуждение особенностей нелинейных фотоннокристаллических и микрорезо-наторных структур. Проводится рассмотрение магнитооптических эффектов, обсуждаются различные подходы к их описанию. Отдельный раздел посвящен обзору основных исследований в области сверхбыстрой динамики оптически возбужденных электронов в металле; рассматриваются различные механизмы релаксации и нелинейно-оптический метод исследования электронных свойств структур.

Глава 2. Эффекты самовоздействия света в фотонных кристаллах и микрорезонаторах

Во второй главе изучаются эффекты самовоздействия света в структурах с фотонной запрещенной зоной: фотонных кристаллах и микрорезонаторах. В число исследуемых образцов входят фотонный кристалл и микрорезонаторы на основе висмут-содержащих гранатов, а также композитная структура с дефектным полимерным слоем и распределенными отражателями из пористого кремния.

Во всех исследованных образцах эффект самовоздействия излучения наблюдался с помощью метода апертурного г-сканирования |1], основанного на

зависимости показателя преломления п от интенсивности падающего излучения I, которое описывается следующим выражением: л = По+п2/, где щ - линейный показатель преломления вещества, Пг - коэффициент пропорциональности между интенсивностью и изменением показателя преломления. При исследовании самовоздействия света в микрорезонаторах оптическая нелинейность во всех случаях была заключена в дефектном слое структуры, ссь стоящем, соответственно, из железо-висмутового граната, или полимера БШ-РММА. Микрорезонаторные свойства образцов, приводящие к эффективной локализации электромагнитного поля в дефектном слое и многопроходному характеру распространения излучения в структуре, согласно п = щ + п2С?2/. где <3 - добротность микрорезонаторной моды, способны приводить к существенному усилению нелинейно-оптических эффектов, что и наблюдалось в эксперименте. Оособенно эффективно должны усиливаться непараметрические нелинейные процессы, такие, как, например, эффект самовоздействия света.

В качестве источников излучения в экспериментальных исследованиях использовались лазер на алюмо-иттриевом гранате, легированном йонами неодима, с длиной волны излучения 1064 нм, а также параметрический генератор света (ПГС), перестраиваемый в диапазоне длин волн 480-1300 нм.

На рис. 1, а приведен спектр коэффициента пропускания одного из исследуемых образцов, на котором внутри запрещенной зоны видна микрорезо-наторная мода на длине волны около 780 нм и шириной микрорезонаторной моды около 10 нм. Рис. 1,6 иллюстрирует рассчитанное с помощью метода матриц распространения распределение квадрата светового поля в структуре, испытывающее резонансное возрастание в дефектном слое микрорезонатора.

Типичный результат апертурного ^-сканирования в виде зависимости нормированного коэффициента пропускания от положения образца относительно фокальной плоскости линзы приведен на рис. 2,а. Сплошной линией показан результат аппроксимации, из которой можно получить эффективное значение величины П2, составившее -2 - Ю-8 см2/Вт. Пиковая плотность мощности излучения в этом случае составляла до 20 МВт/см2. Для другого образца на основе гранатов аналогичная величина (на длине волны 1064 нм) оказалась чуть меньше по абсолютной величине, составив —5 • 10~9 см2/Вт. Обе этих величины, тем не менее, более, чем на порядок превосходят значения Пг, известные из литературы для висмут-содержащих кристаллических пленок [2, 3]. Для образца с полимерным дефектным слоем, который был исследован методом г-сканирования на отражение [4], величина Пг составила 2 • 10~8 см2/Вт. Нам не известны литературные данные о значениях п2 и для

с

о. С

600 700 800 900 Длина волны, нм

а)

500 1000 1500 Толщина, нм

б)

Рис. 1: а) Спектр пропускания исследуемого образца микрорезонатора, б) Распределение квадрата электрического поля в образце при возбуждении мик-рорезонаторной моды. Темные и светлые точки относятся к рассчитанным в различных слоях структуры.

значениям \Е\2

красителя ОШ в исследуемой области (750 нм), однако в окрестности 500 нм, где БШ имеет молекулярный резонанс, значение п2 примерно на порядок меньше полученных для композитного микрорезонатора [1]. Это означает, что усиление нелинейно-оптических кубичных эффектов за счет микрорезо-наторной структуры образца настолько велико, что в нерезонансной области наблюдаемая величина эффектов превосходит даже резонансные значения.

Модифицированная схема г-сканирования [5] позволяет исследовать поляризационные нелинейно-оптические эффекты. На рис. 2,6 показана зависимость нелинейной добавки к углу поворота плоскости поляризации излучения для одного из исследуемых микрорезонаторных образцов. На графике также приведена аппроксимация экспериментальных данных линейной зависимостью, которая дает основания сделать вывод о том, что решающую роль в данном эффекте играет именно кубичная нелинейность х'3). Этот эффект можно объяснить, если принять во внимание двулучепреломление дефектного слоя, проявляющееся экспериментально в расщеплении микрорезонатор-ной моды спектра для различных поляризаций излучения. Большая величина эффекта кубичной добавки связана с сильной локализацией электромагнитного поля в микрорезонаторном слое.

В параграфе 5 с помощью метода апертурного г-сканирования экспериментально исследован оптический аналог эффекта Боррманна в фотонных кристаллах. Эффект Боррманна [6] заключается в аномальном пропускании

-3-2-10 12 3 Положение образца, О=г/г0

а)

2 4 6 8 10 12 Интенсивность, МВт/см2

б)

Рис. 2: а) Типичный результат апертурного г-сканирования образца. Сплошная линия - апроксимация экспериментальных данных. Величина го - дифракционная длина, го — ктд/2, где и)0 - радиус пучка в перетяжке, б) Зависимость нелинейной добавки к углу поворота плоскости поляризации от интенсивности падающего излучения.

рентгеновского излучения вследствие спектральной зависимости простран-. ственного распределения электромагнитного поля в кристалле. Можно предположить, что эффект Боррманна должен наблюдаться в фотонных кристаллах. Согласно оптическому аналогу теоремы Блоха, решение волнового уравнения в структуре с периодически изменяющимся показателем преломления будет представлять из себя плоскую волну, промодулированную по амплитуде с периодом, совпадающим с периодом модуляции показателя преломления. Таким образом, пространственное распределение оптического поля в одномерном ФК в направлении, перпендикулярном плоскости слоев, будет иметь узлы и пучности, взаимное расположение которых однозначным образом зависит от длины волны падающего излучения. Изменяя длину волны (или, для одномерных ФК, угол падения излучения), можно "передвигать" пучности стоячей волны с оптически более плотных слоев на оптически менее плотные, наблюдая при этом модификации различных нелинейно-оптических эффектов. Например, если нелинейно-оптические восприимчивости слоев ФК существенно различаются, величина наблюдаемого нелинейно-оптического эффекта будет зависеть от того, на какой тип слоев приходятся пучности стоячей волны света внутри ФК.

Исследуемый образец фотонного кристалла состоял из 11 чередующихся слоёв железо-иттриевого граната с висмутом и диоксида кремния; кубичная

нелинейность последнего в ближнем ИК диапазоне пренебрежимо мала [7]. На рис. 3,а представлен спектр коэффициента пропускания ФК при нормальном падении излучения. Фотонной запрещенной зоне структуры соответствует область малого пропускания.

Измерения эффективного коэффициента пропускания для г-скапирования были проведены при углах падения от 0° до 30°, что соответствует диапазону длин волн от 1004 до 1090 нм. Характерные значения эффективной величины 712 в данном спектральном диапазоне составили — (1 3) • 10~8 см2/Вт, что несколько превышает аналогичное значение для микрорезонаторного образца с дефектным слоем из того же материала. Подобное различие можно объяснить уменьшением групповой скорости распространения излучения па краю ФЗЗ [8], которое в данном случае оказывается более существенным фактором, чем резонансное возрастание электромагнитного поля в дефектном слое микрорезонатора.

Угловой спектр кубичных нелинейно-оптических эффектов (пропорциональных интенсивности поля накачки был пересчитан в частотный, и из зависимостей Т(г) были определены значения \Е^\2 (в относительных-единицах). Величина наблюдаемого эффекта зависит от пространственного распределения интенсивности излучения внутри структуры и от коэффициента пропускания ФК:

Ап = п21ыь ос |6(А)|2 • Т(А),

где введен Ь(А) - коэффициент Боррманна, характеризующий степень локализации электрического поля в нелинейных слоях структуры:

Е^ = Ь(Щ\)Е™

Здесь Е"1 - поле накачки на входе в ФК, ¿(А) - коэффициент пропускания по электрическому полю, |£(А)|2 = Т(А). Поскольку в доступной для измерения области - па краю ФЗЗ - коэффициент пропускания ФК меняется весьма резко, полученные кривые были нормированы на коэфициент пропускания ФК Т(А), спектр которого представлена па рис. 3,а. Полученная спектральная зависимость квадрата модуля коэфициента Боррманна |Ь(А)|2 представлена на рис. 3,6. Отметим, что нелинейную восприимчивость = ^ + — ш) мы считали постоянной в этой спектральной области.

На рис. 3,6 представлен спектр введенного нами фактора Боррманна" |Ь(А)|2, который характеризует степень локализации поля в слоях определенного типа, в данном случае, ВкУЮ. Наблюдаемое уменьшение фактора Боррманна в несколько раз при увеличении длины волны, очевидно, может быть

700 800 900 1000 Длина волны, нм

а)

1065 1070 1075 1080 1085 1090 Длина волны, нм

б)

Рис. 3: а) Спектр коэффициента пропускания ФК. Угол падения излучения 0°. б) Спектральная зависимость коэффициента Боррманна |£>(А)[2 в окрестности длинноволнового края ФЗЗ фотонного кристалла.

интерпретировано как перераспределение электромагнитного поля из слоев граната в слои диоксида кремния при отстройке от положения максимальной локализации на краю ФЗЗ.

Глава 3. Генерация магнитной второй гармоники в гранатовых фотонных кристаллах

Ранее при описании z-сканирования образцов на основе легированного висмутом железо-иттриевого граната фотоннокристаллические и микрорезона-торные свойства рассматривались по отдельности, независимо друг от друга: усиление нелинейно-оптических эффектов достигалось в первом случае на краю фотонной запрещенной зоны (ФЗЗ), а во втором - в окрестности микро-резонаторной моды. При этом различались и механизмы усиления эффектов: на краю зоны ФК важную роль играла локализация электромагнитного поля в слоях определенного типа и уменьшение групповой скорости распространения излучения в структуре, а в окрестности моды решающее значение имело резонансное возрастание электромагнитного поля в дефектном слое и многопроходный характер распространения излучения. В третьей главе исследуется квадратичный магнитооптический отклик структуры, совмещающей в себе микрорезонаторные и фотоннокристаллические свойства. Исследуемый образец состоял из 21 чередующихся слоев железо-висмутового (BIG) и самарий-гадолиниевого (SGG) гранатов, при этом один из слоев BIG был "дефектным" и имел удвоенную толщину. Поскольку вещество с оптической нелинейностью

(BIG) содержится как в микрорезонаторном дефектном слое, гак и в брэг-говских зеркалах, это позволяет образцу с точки зрения нелинейной оптики сочетать в себе свойства фотонного кристалла и микрорезонатора.

Спектр коэффициента пропускания такой структуры приведен на рис. 1,а. В нелинейно-оптических экспериментах в качестве источника излучения использовался титан-сапфировый лазер со следующими параметрами: длительность импульса ка 80 фс, частота повторения 80 МГц, средняя мощность и 100 мВт, длина волны 730-850 нм. На рис. 4 показаны спектры генерации второй гармоники (ВГ), на которых видно усиление квадратичного отклика как в окрестности микрорезонаторной моды (рис.4,а), так и в окрестности длинноволнового края фотонной запрещенной зоны (рис.4,б). Сплошными линиями на графиках показан результат модельных расчетов с помощью метода матриц распространения, в которых нелинейность предполагалась равномерно распределенной в слоях BIG.

750 760 770 780

Длина волны, нм

а)

К о

800 820 840

Длина волны, нм

б)

Рис. 4: Спектры интенсивности ВГ а) в окрестности МР моды, угол падения 5°, и б) в области длинноволнового края запрещенной зоны образца, угол падения 60°. Р-р геометрия. Расчет методом матриц распространения (сплошные линии) и экспериментальные данные (точки).

В качестве механизмов усиления генерации ВГ можно выделить, в случае микрорезонаторной моды, локализацию излучения в дефектном слое с высокой нелинейностью, а для длинноволнового края ФЗЗ существенную роль играет фазовый квазисинхронизм волн накачки и ВГ.

В обоих спектральных диапазонах были исследованы нелинейно-оптические магнитные эффекты, для чего образец помещался в магнитное

поле величиной до 2 кЭ. На краю ФЗЗ на длине волны 826 нм магнитный контраст рги = /1(2")+/1(гГ) в геометрии экваториального эффекта Керра составил 15 и 5 % для s- и р-поляризаций излучения накачки, соответственно. В геометрии меридионального эффекта Керра поворот плоскости поляризации ВГ составил около 16°. В окрестности микрорезонаторной моды в геометрии эффекта Коттона-Мутона поворот плоскости поляризации ВГ составил около 70°-80° в зависимости от поляризации излучения накачки. В геометрии экваториального магнитооптического эффекта наблюдалась сильная зависимость величины магнитного контраста от угла падения излучения; при изменении угла падения от 5° до 30° магнитный контраст при р-поляризованной накачке уменьшался с 48% до 4%, в случае s-поляризованного излучения накачки изменение составляло от 22% до 7%.

Магнитный вклад в сигнал ВГ может быть описан путем введения магни-тоиндуцированной добавки к вектору нелинейной поляризации Р, величина которой зависит от соотношения кристаллографических и магнитоиндуциро-ванных компонент тензора квадратичной восприимчивости Для структуры, обладающей классом симметрии moo, то есть, изотропной в плоскости образца, в зависимости от комбинаций поляризаций излучения накачки и ВГ можно выделить следующие ненулевые компоненты тензора квадратичной восприимчивости [9]:

5-поляризация накачки р-поляризация накачки

Xzyy Xzxxi Xxzxt Xzzz

Ххуу Хххх 1 Xzzx-t Xxzz

Таблица 1: Немагнитные (верхняя строка) и магнитные (нижняя строка) ненулевые компоненты тензора х'2' для материала с симметрией оот

С физической точки зрения объяснение наблюдаемой зависимости заключается в различной угловой зависимости магнитной и немагнитной компонент ВГ. Если при нормальном падении интенсивность немагнитной ВГ обращается в пуль, поскольку ¿-компонента (перпендикулярная к поверхности образца) электрического поля в этом случае просто отсутствует, то магнитный вклад существует и при нулевом угле падения. Это соображение было подтверждено расчетами, за основу которых была взята работа [10], в которой: рассматривается генерация ВГ от нелинейной плоскопараллельной пластины.

Для в-поляризованного излучения накачки можно ввести отношение абсолютных величин магнитной и немагнитной компонент тензора квадратичной восприимчивости £ = х*уу/Ххуу и фазовый сдвиг 5 между ними; вместе

с углом падения эти параметры целиком определяют величину магнитного контраста в сигнале ВГ. В случае, когда излучение накачки р-поляризовано, в генерации ВГ принимают участие шесть компонент каждая из которых определяется своей амплитудой и фазой, что дает двенадцать неизвестных. Каждая из компонент, будучи свернута с квадратом электрического поля накачки, по-своему зависит от угла падения, что не позволяет факторизовагь полное выражение к амплитуде, фазе и функции угла падения. Тем не менее, для каждого угла падения можно ввести эффективные величины £,<5, что и было сделано в работе. Используя угол падения излучения, отношение абсолютных величин £ и фазовый сдвиг 5 компонент тензора квадратичной восприимчивости, ответственных за генерацию ВГ в различных геометриях поляризаций как параметры, полученные данные были объяснены в рамках вышеописанной модели.

50

и" ш 40

5

О. Ё 30

£ 20

X н X Е и 10

я 2 0

) р-р геометрия)

О 20 40 60 80

Угол падения, град.

20 40 60 80 Угол падения, град.

а)

б)

Рис. 5: Зависимости магнитного контраста от угла падения излучения для р- (а, заполненные точки) и й-поляризованного (б, пустые точки) излучения накачки. Сплошные линии - результат аппроксимации в рассмотренной выше модели.

На рис. 5,а,б вместе с экспериментальными точками приведены расчетные зависимости магнитного контраста от угла падения излучения (сплошные линии) для р- и Б-поляризованного излучения накачки, соответственно. В рамках этой модели оказалось возможным оценить отношения компонент при которых расчетные кривые хорошо описывают данные эксперимента. Для в-поляризованного излучения накачки были найдены следующие значения: = 0.02 ± 0.005, 5, = 66°; последнее хорошо согласуется с данными эксперимента, согласно которым 63 ~ 70°. Для р-поляризации излучения накачки, где в генерации ВГ участвуют сразу несколько компонент х^2', введенное эффек-

тивное значение составило около 0.03, а сдвиг фаз ¿р оказался примерно равным 80°.

Глава 4. Сверхбыстрый транспорт спин-поляризованных носителей.

В четвертой главе проводится изучение сверхбыстрой динамики спин-поляризованных электронов в бислойных металлических эпитаксиальных пленках Аи/Ре/М^О. Толщины слоя железа составляли 3 и 15 нм, золота - 50 и 100 нм. Образец находился в магнитном поле около 500 Э, приложенном перпендикулярно плоскости падения излучения. На рис. 6 приведена схема эксперимента. В качестве источника излучения использовался перестраиваемый лазер на кристалле титан-сапфира, генерирующий излучение в диапазоне длин волн от 750 до 860 нм. Акусто-оптический модулятор позволял получать импульсы длительностью 35-40 фс с частотой следования 1.5 МГц. Выходная энергия в импульсе составляла 40 нДж. Исследование проводились нелинейно-оптическим методом "накачка-зондирование", при этом регистрировался сигнал ВГ, отраженный от пленки золота, а луч накачки попадал на образец со стороны подложки и возбуждал баллистические спин-поляризованные электроны в слое железа. Распространяясь в сторону внешней поверхности золота, электроны переносили спин и приводили к эффективному намагничиванию слоя золота, что регистрировалось с помощью методов нелинейной оптики.

MgO(OOl)

Рис. 6: Экспериментальная схема возбуждения и регистрации спин-поляризованного тока.

В случае магнитной нелинейной среды интенсивность ВГ определяется следующим образом:

2ш) сх E2even + E2odd ± 2 ■ Eeven(2u)Eodd(2to) ■ cos ф (1)

Здесь стрелки показывают противоположные направления намагниченности, индексы even и odd характеризуют, соответственно, чётную и нечётную по намагниченности компоненты электрического поля, а угол ф представляет собой относительную фазу двух вышеуказанных вкладов, в общем случае являющихся комплексными. Дииамика светоиндуцированных изменений магнитного сигнала ВГ, дающего информацию о намагниченности поверхности, может быть описана, если оперировать величиной динамического магнитного контраста, определяемого следующим образом:

P2u{t) =

&(*) ~ ILW Il(t) + 4W

(2)

Переменная Ь в данном случае показывает запаздывание пробного луча относительно луча накачки. Величина динамического магнитного контраста оказывается пропорциональной мгновенной намагниченности поверхности.

Толщина слоя железа была близка к баллистической длине электронов ЬьРе для длины волны света 800 им для того, чтобы электроны возбуждались преимущественно в слое Ре. Это позволяло достичь высокой спиновой поляризации горячих баллистических электронов. При этом спиновая длина электронов в золоте ЬаАи значительно превышала толщину образцов, составляя до 1000 нм, что обеспечивало минимальные транспортные потери спина по пути следования баллистических электронов. На рис. 7 приведены экспе-. риментальные зависимости динамического магнитного контраста от времени задержки зондирующего излучения для образцов с толщиной слоя железа 15 нм.

-0.1 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 Задержка пробного луча, пс

0 I 2

Задержка пробного луча, пс

Рис. 7: Зависимости динамического магнитного контраста от времени задержки зондирующего излучения на фемто- (а) и пикосекундных (б) временах. Толщина слоя железа 15 нм, толщина слоя золота 50 нм (красные точки) или 100 нм (синие точки).

После возбуждения мощным импульсом накачки наблюдается отклонение магнитного контраста от равновесного значения р{Ь < 0) = 0. Максимальная величина эффекта достигается на временах около 40 (80) фс для образца, с толщиной слоя золота 50 (100) нм. Эти значения находятся в хорошем согласии с временами, которые требуются баллистическим электронам для того, чтобы пролететь весь слой золота насквозь: скорость распространения баллистических электронов, как показывают расчеты, составляет немногим более 1 пм/фс. Таким образом, ненулевой магнитный момент к зондируемой поверхности золота приносят спин-поляризованные баллистические электроны. Измерение петли гистерезиса в сигнале ВГ при времени задержки 40 фс подтвердило полученные результаты.

Отметим изменение знака динамического магнитного контраста, наблюдаемое, в частности, на временах задержки порядка 300-500 фс. Расчеты, проведенные группой проф. А. Лихтенштейна, показали, что скорости рас^ пространения для носителей с противоположным спином отличаются незначительно. Данные эксперимента можно объяснить, если принять в расчет различные времена жизни частиц с разной энергией в баллистическом режиме. Используя данные работы [11], были оценены баллистические длины носителей различной спиновой поляризации в золоте, которые составили около 250 и 50 нм. Толщина слоя золота составляет 50 или 100 нм, то есть для носителей, определенной поляризации баллистический режим по мере распространения эффективно сменяется диффузионным.

Таким образом, наблюдаемая динамика магнитного контраста ВГ обусловлена следующим: носители с одним направлением спина баллистически распространяются в слое золота со скоростью, близкой к скорости Ферми (около 1.3 нм/фс), и успевают в этом режиме достичь поверхности золота, что приводит к появлению ненулевого магнитного контраста ВГ. Частицы со спином противоположного направления живут в баллистическом режиме значительно меньше, и для них этот режим сменяется диффузным. Подобный процесс сопровождается заметным уменьшением средней скорости распространения в первоначальном направлении, импульс частиц с этой поляризацией замедляется и расплывается во времени, что приводит к запаздыванию и вклада в динамическую зависимость магнитного контраста ВГ.

Основные результаты и выводы

1. С помощью метода ^-сканирования экспериментально обнаружен эффект самодефокусировки света в фотоннокристаллических микрорезо-

наторах с дефектным слоем на основе гранатов. Обнаружен спектральный сдвиг микрорсзонаторной моды па величину около 2 нм при плотности мощности излучения до 20 МВт/см2, связанный с изменением показателя преломления микрорезонаторного слоя под действием лазерного импульса.

2. Экспериментально обнаружен эффект самофокусировки излучения в фотонных кристаллах на основе феррит-граната. Обнаружена спектральная зависимость нелинейной добавки к показателю преломления на длинноволновом краю запрещенной зоны фотонного кристалла, которая связывается с перераспределением оптического поля внутри элементарной ячейки ФК и является следствием оптического аналога эффекта Боррманна.

3. В образце с микрорезонаторным слоем из феррит-граната с висмутом обнаружена зависимость угла поворота плоскости поляризации от плотности мощности зондирующего излучения. Для наблюдения этого эффекта разработана методика модифицированного z-сканирования, чувствительная к поляризационным эффектам.

4. Исследован квадратичный нелинейно-оптический и магнитооптический отклик фотоннокристаллического микрорезонатора, изготовленного из чередующихся слоев граната различного состава. В геометрии эффекта Коттона-Мутона обнаружена сильная зависимость магнитного контраста ВГ от угла падения излучения. Рассмотрена феноменологическая модель, в рамках которой магнитный контраст р определяется отношением компонент тензора квадратичной восприимчивости, разностью фаз между ними, показателями преломления среды и углом падения излучения.

5. Нелинейно-оптическим методом накачка-зондирование проведено исследование спин-поляризованного транспорта носителей в эпитакси-альных пленках Au/Fe/MgO. Получены зависимости динамического" магнитного контраста и вариации немагнитной компоненты поля ВГ в зависимости от времени задержки между пробным лучом и лучом накачки.Обнаружен динамический магнитный контраст ВГ, связанный с появлением в поверхностном слое инжектированных спин-поляризованных баллистических носителей. Показано, что транспорт основных и неосновных носителей спина в зависимости от их спиновой поляризации имеет принципиально различный - баллистический и

диффузионный - характер, что приводит к изменению знака магнитного контраста на временах задержки около 300 фс. Предложен вероятный сценарий динамики поведения намагниченности в пленке золота.

Список цитируемой литературы

[1] М. Sheik-Bahae, A. A. Said, Е. W. Van Stryland, High sensitivity, single-beam n2 measurements//Opt. Lett.- 1989.- Vol.14, №17 - p.955-957.

[2] Y. Z. Gu, W. F. Zhang, D. H. Gu, F. X. Gan, Nonlinear response and optical limiting in SrBi2Ta209 thin films//Opt. Lett. - 2001. - Vol. 26, p. 1788-1790.

[3] B. Gu, Y. H. Wang, X. C. Peng, J. P. Ding, J. L. He, H. T. Wang, Giant optical nonlinearity of a Bi2Nd2Ti30i2 ferroelectric thin film// Appl. Phys. Lett. - 2004. - Vol. 85, p. 3687-3689.

[4] D. V. Petrov, A. S. L. Gomes, Cid В. Araujo, Reflection z-scan technique foe measurement of optical properties of surfaces// Appl. Phys. Lett. - 1994. -Vol. 65, p. 1067-1069.

[5] Раздольский И.Э., Капра P.B., Мурзина T.B., Акципетров O.A., Кубичные эффекты самовоздействия в фотонно-кристаллических микрорезо-паторах//Письма в ЖЭТФ- 2006.- Vol.8, №84.- р.529-532.

[6] Borrmann G., Uber Extinktionsdiagramme der Röntgenstrahlen von Quarz // Physikal. Z.- 1941,- Vol. 42, p. 157-162.

[7] H.P. Li, C.H. Kam, Y.L. Lam, Y.X. Jie, W. Ji, A.T.S. Wee, C.H.A. Huan, Nonlinear optical response of Ge nanocrystals in silica matrix with excitation of femtosecond pulses//Appl. Phys. B- 2001,- Vol.72, p. 611-615.

[8] J. D. Joannopoulos, S. G. Johnson, J. N. Winn, Photonic crystals: molding the flow of light. - Princeton University Press, 2 edition 1995.

[9] Ru-Pin Pan, H.D. Wei, Y.R. Shen,, Optical second-harmonic generation from magnetized surfaces//Phys. Rev. В.- 1989.- Vol.39, p. 1229-1234.

[10] N. Bloembergen, P. S. Pershan, Light waves at the boundary of nonlinear" media//Phys. Rev.- 1965.- Vol.128, p.606-622.

[11] J. Cao, Y. Gao, H. Б. Elsayed-Ali, R. J. D. Miller, D. A. Mantell, Femtosecond photoemission study of ultrafast electron dynamics in single-crystal Au(lll) films//Phys. Rev. B- 1998.- Vol. 58, p. 10948—10952.

Содержание диссертации отражено в следующих основных работах:'

Статьи

[1] И. Раздольский, Р. Капра, Т. Мурзина, О. Акципетров, Кубичные эффекты самовоздействия в фотонно-кристаллических микрорезонаторах //Письма в ЖЭТФ - 2006.- Т. 8. С. 529-532.

[2] И. Раздольский, Т. Мурзина, О. Акципетров, М. Иноуэ, Эффект Борр-манна в фотонных кристаллах: нелинейно-оптические следствия//Письма в ЖЭТФ - 2008.- Т. 87. С. 461-464.

[3] Т.В. Мурзина, Р.В. Капра, Н.Э. Раздольский, А.И. Майдыковский, О.А. Акципетров, Нелинейная оптика магнитофотонных кристаллов//Российские нанотехнологии - 2007.- Т. 2. С. 110-119.

[4] Т. Murzina, I. Razdolski, О. Aktsipetrov, S. Khartsev, A. Grishin, Nonlinear magneto-optical effects in all-garnet magnetophotonic crystals // J. Magn. Magn. Mater. - 2009,- T.31. C. 836-839.

[5] F. Yu. Sychev, I. E. Razdolski, Т. V. Murzina, O. A. Aktsipetrov, T. Trifonov" S. Cheylan, Vertical hybrid microcavity based on a polymer layer sandwiched between porous silicon photonic crystals// Appl. Phys. Lett. - 2009.- T. 95. C-163301-163303.

Тезисы

[1] Т. Murzina, О. Aktsipetrov, R. Карга, I. Razdolskii, M. Inoue, Giant magnetic nonlinear-optical effects in magnetophotonic microcavities // Proceedings of 4th Int. Symp. "Nanostructures: Physics and Technology" -St. Petersburg: Ioffe Institute, 2006. - C. 303.

[2] I. Razdolski, T. Murzina, O. Aktsipetrov, M. Inoue, Self-action of Light in Photonic Crystals//WDS'08 Proceedings of Contributed Papers, Part III -MATFYZPRESS, Prague, 2008,- C. 61-66.

[3] I. Razdolski, О. Aktsipetrov, Self-action of Light in Photonic Crystals // Proceedings of Metamaterials-2009 - Publications and Web Office for the School of Electronic Engineering and Computer Science, 2009. - C. 641-643.

[4] T.V. Murzina, I.E. Razdolski, O.A. Aktsipetrov, A.M. Grishin, S.I. Khartsev, Inoue M., Nonlinear optics of magnetophotonic crystals// Moscow International Symposium on Magnetism (MISM): book of abstracts - Издательство физического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова, 2008.

- С. 21TL-A-8.

[5] I.E. Razdolski, T.V. Murzina, O.A. Aktsipetrov, A.M. Grishin, S.I. Khartsev," Second harmonic generation in all-garnet magnetophotonic microcavity // Moscow International Symposium on Magnetism (MISM): book of abstracts

- Издательство физического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова, 2008. - С. 21РО-2-21.

[6] A. Melnikov, I. Razdolski, Т. Wehling, Е. Papaioannou, P. Fumagalli,-0. A. Aktsipetrov, A. Lichtenstein, U. Bovensiepen, Ultrafast Transport of Spin Polarized Carriers Induced By Femtosecond Laser Pulses In Au/Fe/Mg0(001) // Spin Waves Internatinal Symposium : abstracts -St.Petersburg: IofFe Institute, 2009. -C. 63.

[7] Alexey Melnikov, Ilya Razdolski, Tim Wehling, Alexander Lichtenstein, Paul Fumagalli, Oleg A Aktsipetrov, Uwc Bovensiepen, Femtosecond Spin Dynamics Induced by Ballistic Transport of Spin Polarized Carriers in Au/Fe/Mg0(001)// MRS Symposium Proceedings - Warrendale, PA, 2009.

- C. 1183.

[8] A. Melnikov, I. Razdolski, T. Wehling, E. Papaioannou, P. Fumagalli, O. A. Aktsipetrov, A. Lichtenstein, U. Bovensiepen, Ultrafast Transport of Spin Polarized Carriers Induced By Femtosecond Laser Pulses In Au/Fe/Mg0(001)//20th International Colloquium on Magnetic Films and Surfaces: Book of Digests - Springer-Verlag Heidelberg, 2009. - C. 132.

Подписана к печати 1/6-05-10 Тираж {60 Заказ

Отпечатано в отделе оперативной печаггя физического факультета МГУ

Введение

Глава I

Обзор литературы

1. Нелинейная поляризация бесконечной среды.

2. Эффекты самовоздействия света.

2.1. Физические механизмы.

2.2. Оптический эффект Керра и вращение плоскости поляризации.

3. Метод г-сканирования.

3.1. Апертурное г-сканирование.

3.2. Безапертурное я-сканирование.

3.3. Другие модификации метода г-сканировапия.

4. Генерация второй гармоники.

4.1. Феноменологическое описание квадратичного отклика полубесконечной среды.

4.2. Основные механизмы усиления нелинейно-оптических явлений.

4.2.1. Фазовый синхронизм.

4.2.2. Амплитудный механизм.

5. Магнитооптические эффекты.

5.1. Эффект Фарадея.

5.2. Магнитооптические эффекты Керра.

5.3. Магнитные эффекты во второй гармонике.

6. Фотонные кристаллы и микрорезонаторы.

6.1. Оптические и нелинейно-оптические свойства фотонных кристаллов и микрорезонаторов.

6.2. Магнитофотонные микрорезонаторы.

6.3. Общие замечания об эффекте Боррманна.

7. Оптическое возбуждение и релаксация электронов в металлах

7.1. Коллективная динамика электронов.

7.2. Термализация электронов.

7.3. Электрон-фононпое рассеяние и двухтемпературная модель.

7.4. Диффузия тепла.

7.5. Рассеяние на магнонах.

8. Нелинейная оптика с временным разрешением.

Глава II

Эффекты самовоздействия света в фотонных кристаллах

1. Общие замечания и структура главы.

2. Самовоздействие света в полимерных микрорезонаторах

3. Самовоздействие света в микрорезоиаторах на основе гранатов

3.1. Образцы микрорезонаторов.

3.2. Образец 2.

3.3. Образец 3.

3.3.1. Апертурное г-сканирование.

4. Поляризационное г-сканирование.

4.1. Модифицированный метод г-сканирования.

4.2. Нелинейный эффект поворота плоскости поляризации излучения в МР.

4.3. Обсуждение результатов.

4.3.1. Степень нелинейности.

4.3.2. Физические механизмы эффекта.

4.4. Температурные эффекты.

5. Эффект Боррманна в фотонных кристаллах.

5.1. Нелинейно-оптические следствия эффекта Боррманна

Глава III

Генерация магнитной ВГ в гранатовых фотонных кристаллах ill

1. Введение.

1.1. Исследуемый образец.

1.2. Экспериментальная установка.

2. Генерация ВГ в области края ФЗЗ.

2.1. Спектральная зависимость интенсивности В Г.

2.2. Магнитооптические эффекты на частоте ВГ.

3. Генерация ВГ в области микрорезоиаторной моды.

3.1. Спектральная зависимость интенсивности ВГ.

3.2. Магнитооптические эффекты на частоте ВГ.

4. Магнитный контраст и определяющие его факторы.

Глава IV

Сверхбыстрый транспорт спин-поляризованных носителей

1. Образцы.

2. Экспериментальные исследования.

2.1. Зондирование пленки железа.

2.2. Зондирование пленки золота.

3. Обсуждение результатов.

Диссертационная работа посвящена экспериментальному исследованию квадратичного и кубичного нелинейно-оптического магнитооптического отклика слоистых планарных структур: бислойных металлических пленок кобальт/золото, а также фотонных кристаллов (ФК) и микрорезонаторов на основе гранатов. Основными задачами работы являются экспериментальное изучение эффектов самовоздействия света в фотонных кристаллах и микрорезонаторах, исследование магнитоиндуциро-ванного квадратичного отклика гранатовых микрорезонаторов, а также изучение сверхбыстрой динамики и оптически индуцированного транспорта горячих спин-поляризованных носителей в магнитной бислойной металлической пленке.

Усиление нелинейно-оптического отклика микро- и наноструктур может быть достигнуто за счёт локального увеличения напряженности электромагнитного поля излучения накачки и/или гармоники, а также эффекта фазового синхронизма. Например, локальные поля усиливаются при наличии нанометровых шероховатостей на поверхности металла, из-за фактора формы (эффект "громоотвода" ), а также за счет "запирания" электромагнитного поля в микрообластях как в резонаторах. Отметим, что при подобном запирании основную роль играет резонансное возрастание оптического поля в активном слое вещества; в определенном спектральном диапазоне схожий эффект достигается в периодических структурах с измененным вследствие этого законом дисперсии. Фазовый синхронизм реализуется, например, при непосредственном равенстве показателей преломления волн накачки и гармоник в двулуче-преломляющих кристаллах, или в средах с периодической модуляцией показателя преломления и/или нелинейных восприимчивостей за счет добавления к волновому вектору одной из взаимодействующих волн вектора обратной решетки периодической среды и изменения закона дисперсии света в такой среде. Последнее обстоятельство, эффективно замедляющее свет в структуре и увеличивающее время взаимодействия излучения со средой, способно приводить к возрастанию даже нечувствительных к фазовому синхронизму нелинейно-оптических явлений, таких, как, например, самофокусировка излучения.

Структуры с периодически изменяющейся в пространстве диэлектрической проницаемостью называются фотонными кристаллами (ФК). Варьирование оптических параметров с периодом порядка длины волны изменяет спектральную плотность мод электромагнитного поля: появляется запрет на распространение электромагнитных волн внутри структуры в некотором частотно-угловом диапазоне и возникает фотонная запрещенная зона, что обуславливает разнообразные перспективы применения ФК. Помещение активного вещества в ФК, служащий резонатором, делает возможным создание лазеров с предельно низким порогом генерации. Благодаря своим особым дисперсионным свойствам ФК оказываются весьма полезны в физике сверхкоротких световых импульсов. Сдвиг запрещенной зоны под действием света в нелинейных ФК является основой для создания оптических логических элементов.

Фундаментальный интерес к ФК связан в том числе и с исследованием процессов генерации в них оптических гармоник. Особенно актуальны такие исследования для микрорезонаторов, у которых зеркала являются фотонными кристаллами, поскольку это дает возможность объединения двух механизмов усиления нелинейпо-оптического отклика

- локализационного и синхронизации фаз. Первый из этих механизмов

- локальный амплитудный, обусловленный возрастанием амплитуды оптического поля внутри микрорезонаторного слоя. Второй механизм -"коллективный" - связан с фазовой синхронизацией вкладов от всех слоев, составляющих микрорезонатор.

Разнообразие материалов, из которых изготавливаются ФК, велико. Это и полупроводниковые структуры на основе арсенида галлия; и синтетические опалы; и применяемые для эффективной генерации ВГ ниобат лития и сульфид цинка; и пористый кремний (ПК), обладающий специфическими свойствами, и гранаты, интересные с точки зрения магнитооптики в видимом диапазоне. Прозрачные для видимого света, эти вещества интересны для нелинейной магнитооптики наличием спектрального резонанса в ультрафиолетовом диапазоне; таким образом, на частоте второй гармоники (при возбуждении ближним ИК или видимым светом) имеется заметное поглощение, что благотворно сказывается на относительной величине магнитооптических эффектов в нелинейном отклике образцов.

Переходя ко второй части работы, можно отметить, что исследование динамики намагниченности наноструктур представляет собой интенсивно развивающуюся область исследований. Поводом для этого является спрос на компактные и малопотребляющие устройства записи информации, в которых основным физическим принципом работы является магнитное упорядочение. При этом направление намагниченности играет роль того логического индикатора, который определяет, какое значение, "ноль" или "единица" , записано в данной ячейке памяти. Основную тенденцию развития технологий в этой области можно, прежде всего, охарактеризовать стремлением к увеличению быстродействия. Современные коммерческие устройства оперируют частотами в несколько гигагерц, то есть фактически время операции или переключения между состояниями ограничено наносекундным масштабом.

В связи с этим представляется логичным попытаться использовать оптические средства управления подобными системами. Для современных лазерных источников света не является проблемой генерировать импульсы фемтосекундной длительности, что могло бы значительно расширить горизонт быстродействия запоминающих устройств. В этой связи описанная выше прикладная область физики упирается в фундаментальные исследования сверхбыстрых (имеются в виду фемтосекундные масштабы) процессов в магнитных структурах, включая влияние лазерного импульса на намагниченность среды, энергетическое распределение электронов и оптический отклик образца. Тесно связано с этой темой исследование динамики спиновой поляризации носителей, их транспорта в среде и возможности оптическими методами генерировать импульсы спин-поляризованного тока.

Целью диссертационной работы является, во-первых, экспериментальное исследование нелинейно-оптического и/или магнитооптического отклика фотонных кристаллов и микрорезонаторов, включая детальное изучение эффектов самовоздействия света в подобных структурах, а во-вторых, изучение транспорта спин-поляризованпых носителей в бислойпой пленке Аи/Ре на фемто- и пикосекундных масштабах времени.

Актуальность работы заключается в фундаментальном интересе к усилению нелинейно-оптических эффектов в периодических микроструктурах, в том числе непараметрических процессов, а также к исследованию квадратичного и кубичного отклика новых высококачественных микрорезонаторных ФК структур на основе гранатов. Актуальным является изучение сверхбыстрых процессов в микроструктурах на основе ферромагнетиков, которые помимо своей фундаментальной значимости для физики фемтомагнетизма обладают перспективами с точки зрения прикладных задач генерации тока спин-поляризованных носителей.

Практическая ценность работы заключается в демонстрации новых нелинейно-оптических эффектов в фотонных кристаллах и микрорезонаторах, в наблюдении значительных для прикладных отраслей науки величин магнитоиндуцированных эффектов во второй гармонике в принципиально новой микрорезонаторной структуре на основе гранатов, а также в демонстрации механизма оптического возбуждения фемтосекундных импульсов спин-поляризованного тока вместе с получением детальной картины поведения намагничеиности в нанометровых пленках железа под действием как мощного лазерного излучения, так и импульса горячих инжектированных электронов.

Научная новизна работы состоит в следующем:

• Впервые исследован эффект самофокусировки излучения в композитном полимерном микрорезонаторе с фотоннокристаллическими зеркалами из пористого кремния. Обнаружено, что величина эффекта самофокусировки в нерезонансной области превысила известное из литературы резонансное значение для полимерной пленки; это связано с резонансной локализацией излучения в дефектном слое.

• Обнаружены эффекты самовоздействия света в микрорезонаторах на основе гранатов. Наблюдаемая величина эффекта самофокусировки превысила аналогичное значение для оксидных пленок со схожим составом более, чем на порядок. Экспериментально обнаружен сдвиг положения микрорезонаторной моды под действием мощного лазерного излучения. Обнаружена зависимость угла поворота плоскости поляризации излучения от плотности мощности излучения, для чего была разработана новая методика измерений.

• В спектральной окрестности края ФЗЗ обнаружена спектральная зависимость величины эффекта самовоздействия излучения в фотонном кристалле, являющаяся следствием оптического аналога эффекта Боррманна. Величина светоиндуцированной добавки к показателю преломлению превысила аналогичное значение в окрестности микрорезонаторной моды образца из того же материала. Усиление эффекта связывается с локализацией электромагнитного поля накачки в слоях с высокой кубичной нелинейностью и эффективным уменьшение групповой скорости распространения излучения, к-спектроскопия эффекта самофокусировки показала заметное возрастание величины эффекта при приближении к области наилучшей локализации излучения.

• Впервые исследован магнитооптический квадратичный отклик высокодобротного микрорезонатора на основе висмут-иттриевого и самарий-гадолиниевого гранатов в окрестности микрорезонатор-ной моды и длинноволнового края фотонной запрещенной зоны. Обнаружена значительная величина магнитного контраста во второй гармонике при возбуждении микрорезонаторной моды резонансным излучением под малыми углами падения. Построена феноменологическая модель и произведены расчёты генерации магнитной ВГ в геометрии экваториального эффекта Керра.

• Нелинейно-оптическим методом накачка-зондирование проведено исследование спин-поляризованного транспорта носителей в эпи-таксиальных пленках Аи/Ре/М^О. Предложена модификация данного экспериментального метода, основанная на возбуждении баллистических спин-поляризованных носителей в железе световыми импульсами фемтосекундной длительности, при этом спиновая поляризация носителей регистрируется методом генерации ВГ на противоположной поверхности пленки золота. Получены зависимости динамического магнитного контраста и вариации немагнитной компоненты поля ВГ в зависимости от времени задержки между пробным лучом и лучом накачки. В сигнале ВГ от поверхности золота на временах задержки зондирующего луча порядка десятков фемтосекунд обнаружен динамический магнитный контраст, связанный с появлением в поверхностном слое инжектированных спин-поляризованных баллистических носителей.

Показано, что транспорт основных и неосновных носителей в зависимости от спиновой поляризации имеет принципиально различный - баллистический и диффузионный - характер, что приводит к изменению знака магнитного контраста на временах задержки около 300 фс. Предложен вероятный сценарий динамики поведения намагниченности в пленке золота. Показано также, что выбором длины волны излучения в диапазоне от 760 до 850 нм можно изменять форму кривой динамического контраста и амплитуду диффузионного пика в импульсе спин-поляризованных носителей. Показана возможность оптического возбуждения импульсов спин-поляризованного тока плотностью до Ю10 А/см2.

Работа имеет следующую структуру:

• Первая глава содержит обзор эффектов и методов нелинейной оптики, включая генерацию второй гармоники и самовоздействие света, а также особенностей фотоннокристаллических и микрорезона-торных структур. Проводится рассмотрение магнитоптических эффектов, обсуждаются различные подходы к их описанию. Отдельный раздел посвящен обзору динамики оптически возбужденных электронов в металле; рассматриваются различные механизмы релаксации и нелинейно-оптический метод исследования электронных свойств структур.

• Вторая глава посвящена рассмотрению кубичных эффектов самовоздействия в фотоннокристаллических и микрорезонаторных структурах. Приведены результаты исследованию самофокусировки излучения в трех различных образцах микрорезонаторов, с помощью этого же эффекта на краю запрещенной зоны фотонного кристалла проводится визуализация оптического аналога эффекта Боррманна. Для изучения зависимости поворота плоскости поляризации от плотности мощности излучения в микрорезонаторах предлагается модификация метода z-сканироваиия. Обсуждаются механизмы усиления нелинейно-оптических эффектов в фотонных кристаллах и микрорезонаторах.

• В третьей главе проводится исследование новой структуры - гранатового микрорезонатора - методами нелинейной магнитооптики. Представлены результаты экспериментов, демонстрирующие усиление генерации второй гармоники как в области микрорезонатор-ной моды, так и на краю фотонной запрещенной зоны. Предлагается модель для расчета магнитного контраста в геометрии экваториального эффекта Керра, результаты которой позволяют из аппроксимации экспериментальных данных получить относительную величину магнитных компонент тензора квадратичной восприимчивости.

• В четвертой главе методом накачка-зондирование с применением нелинейной оптики исследуется динамика поведения возбужденных электронов в пленках железа и золота. Изучается демаг-нетизация слоя железа под действием мощного лазерного излучения. Демонстрируется возможность оптического возбуждения спин-поляризованных импульсов тока, исследуется спектральная зависимость этого явления. Экспериментально продемонстрирован различный характер транспорта основных и неосновных носителей спина в слое золота.

Апробация результатов работы проводилась на следующих конференциях:

• Международная конференция "Moscow International Symposium on Magnetism" (MISM), Москва, Россия, июнь 2008.

• Международная конференция "Nanostructures: Physics and Technology" , Санкт-Петербург, Россия, июнь 2006 г.

• Международная конференция "Spin waves" , Санкт-Петербург, Россия, май 2009.

• Международная конференция "Week of Doctoral Students" , Прага, Чехия, июнь 2008.

• Международная конференция "3rd International Congress on Advanced Electromagnetic Materials in Microwaves and Optics" , Лондон, Соединенное Королевство Великобритании и Северной Ирландии, сентябрь 2009.

• Международная конференция "Nanomeeting" , Минск, Беларусь, май 2009.

• Конференция "Deutsche Physikerinnentagung" , Мюнстер, Германия, 2008.

• Конференция "DPG-Fruhjahrstagung" , Дрезден, Германия, 2009.

• Международная конференция "20th International Colloquium on Magnetic Films and Surfaces" , Берлин, Германия, 2009.

• Международная конференция "MRS Spring Meeting" , Сан-Франциско, США, 2009.

Заключение

Исследования, проведенные в рамках диссертационной работы, направлены на изучение квадратичных и кубичных нелинейно-оптических эффектов в планарных слоистых структурах: фотонных кристаллах, микрорезонаторах и бислойных металлических пленках. Основные результаты работы можно сформулировать следующим образом:

1. Методом г-сканироваиия экспериментально наблюдался эффект самодефокусировки в фотоннокристаллических микрорезонаторах с дефектным слоем на основе гранатов. Эффективная величина нелинейной добавки к показателю преломления щ в окрестности микрорезонаторной моды для исследуемых образцов составила, по порядку величины, —Ю-8 см2/Вт, что более, чем на порядок превышает аналогичные нерезонансные значения. Механизм усиления обусловлен сильной локализацией электромагнитного поля в мик-рорезонаторном слое. Обнаружен спектральный сдвиг микрорезонаторной моды на величину около 2 нм, связанный с изменением показателя преломления микрорезонаторного слоя под действием мощного лазерного излучения.

Экспериментально обнаружен эффект самофокусировки излучения в фотонных кристаллах на основе феррит-граната. Величина эффективной кубичной нелинейной поправки к показателю преломления, согласно оценкам, в ближней ИК области составила, по модулю, до (3.0 ± 0.2) • Ю-8 см2/Вт. Механизм усиления эффекта самофокусировки связывается с локализацией электромагнитного поля световой волны в слоях с высокой нелинейностью, а также с уменьшением групповой скорости распространения света в структуре. Обнаружена спектральная зависимость нелинейной добавки к показателю преломления на длинноволновом краю запрещенной зоны фотонного кристалла, которая связывается с перераспределением оптического поля внутри элементарной ячейки ФК. Данное перераспределение подтверждается расчетами с помощью метода матриц распространения и является оптическим аналогом эффекта Боррманна.

2. В образце с микрорезонаторным слоем из феррит-граната с висмутом обнаружена зависимость угла поворота плоскости поляризации от плотности мощности зондирующего излучения. Для наблюдения этого эффекта разработана методика модифицированного г-сканирования, чувствительная к поляризационным эффектам. Величина нелинейной добавки к углу поворота плоскости поляризации излучения составляет до 4° при плотности мощности около 10 МВт/см2 и линейно зависит от мощности излучения. Поворот плоскости поляризации связывается с нелинейной добавкой к дву-лучепреломлению микрорезонаторного слоя, вызванного, в свою очередь, наклоном кристаллографической оси симметрии структуры к поверхности.

3. Исследован квадратичный нелинейно-оптический и магнитооптический отклик фотоннокристаллического микрорезонатора, изготовленного из чередующихся слоев граната различного состава. На краю фотонной запрещенной зоны магнитный контраст составил 5% и 15% в р- и в-поляризации излучения накачки, соответственно, а в геометрии меридионального эффекта Керра углы поворота поляризации излучения ВГ составили 10 ±1° и 16 ± 1°. Подобные измерения позволили оценить отношение магнитной и немагнитной компонент тензора квадратичной восприимчивости £1 — Хууу/Хгуу к 0.03 ± 0.004 на длине волны 826 нм. При малом угле падения излучения поворот плоскости поляризации волны ВГ в окрестности микрорезонаторной моды при р-поляризованном излучении накачки составил 85 ± 1°, что позволяет сделать оценку £1 « 0.04±0.005 на длине волны 778 нм. В геометрии эффекта Коттона-Мутона обнаружена сильная зависимость магнитного контраста ВГ от угла падения излучения. Для объяснения этой зависимости рассмотрена феноменологическая модель, в рамках которой магнитный контраст р определяется отношением компонент тензора квадратичной восприимчивости, разностью фаз между ними, показателями преломления среды и углом падения излучения. Расчеты позволили оценить величину отношения магнитной и немагнитной компонент восприимчивости £2 = Ххуг)/Хгуу1 которое составило 0.02 ±0.005, и разность фаз между ними, составившую около 66 ±2°.

4. Нелинейно-оптическим методом накачка-зондирование проведено исследование спин-поляризованного транспорта носителей в эпи-таксиальных пленках Au/Fe/MgO. Предложена модификация данного экспериментального метода, основанная на возбуждении баллистических спин-поляризованных носителей в железе световыми импульсами фемтосекундной длительности, при этом спиновая поляризация носителей регистрируется методом генерации ВГ на противоположной поверхности пленки золота. В данной экспериментальной схеме получены зависимости динамического магнитного контраста и вариации немагнитной компоненты поля ВГ в зависимости от времени задержки между пробным лучом и лучом накачки в диапазоне до 5 пс с разрешением до 5 фс. В сигнале ВГ от поверхности золота на временах задержки зондирующего луча порядка десятков фемтосекунд обнаружен динамический магнитный контраст, величина которого составляет до 1.5%, связанный с появлением в поверхностном слое инжектированных спин-поляризованных баллистических носителей. Времена экстремального значения магнитного контраста для образцов с различной толщиной слоя золота (50 и 100 нм) находятся в хорошем согласии с результатами расчетов: в баллистическом режиме носители спина распространяются со скоростью Ферми vp ~ 1.3 нм/фс. Немагнитная компонента поля ВГ под действием импульса накачки с энергией 30 нДж изменяется на 3-4%.

Показано, что транспорт основных и неосновных носителей в зависимости от спиновой поляризации имеет принципиально различный - баллистический и диффузионный - характер, что приводит к изменению знака магнитного контраста на временах задержки около 300 фс. Предложен вероятный сценарий динамики поведения намагниченности в пленке золота. Показано также, что выбором длины волны излучения в диапазоне от 760 до 850 нм можно изменять форму кривой динамического контраста и амплитуду диффузионного пика в импульсе спин-поляризованных носителей.

Материалы диссертационной работы опубликованы в статьях [129, 143-146].

В заключение хотелось бы выразить огромную благодарность научному руководителю Олегу Андреевичу Акципетрову и Татьяне Владимировне Мурзиной, обеспечившим возможность выполнения этой работы и постоянно ставившим новые challenges, поддерживавшим меня в течение всех лет работы в лаборатории нелинейной оптики наноструктур и фотонных кристаллов и, в итоге, давшим мне физическое образование; Алексею Мельникову и Алексею Рубцову, в дискуссиях с которыми многое, не только из области естественных наук, темное и непонятное становилось простым и ясным; Руслану Капра, Игорю Кривенко и Андрею Антипову, обеспечивавшим компьютерную поддержку лаборатории в МГУ, и Питеру Весту, выполнявшему аналогичную работу в Берлине; Лео Кристианссону, благодаря которому удалось ознакомиться с оригинальными работами Герхарда Боррманна; научным группам Мицутеру Иноуэ, Япония, Пауля Фумагалли, Берлин, Германия и Александра Гришина, Стокгольм, Швеция, за изготовление образцов для исследований.

1. Шен И.Р. Принципы нелинейной оптики- М.:Наука, 1989,- .

2. Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. Электродинамика сплошных сред-М.: Наука, 2 edition 1982,- .

3. Н. Бломберген Нелинейная оптика- М.:Мир, 1966,- .

4. Van Stryland Е. W., Sheik-Bahae М. Z-scan measurements of optical nonlinearitiesMarcel Dekker, Inc., 2004,- .

5. Sheik-Bahae M., Said A. A., Van Stryland E. W. High sensitivity, single-beam n2 measurements // Opt. Lett., V.14, №17 pp.955-957, (1989).

6. Loicq J., Renotte Y., Delplancke J.-L., Lion Y. Non-linear optical measurements and crystalline characterization of CdTe nanoparticles produced by the electropulse technique // New J. Phys., V.6, pp.32, (2004).

7. Танеев P., Ряснянский А., Камалов III., et al. Нелинейно-оптические параметры коллоидного серебра на различных этапах его агрегации // Журнал технической физики, V.72, №37.- pp.95-99, (2002).

8. Ericsson A., Lindgren М., Svensson S., Arntzen P.-O. Numerical analysis of Z-scan experiments by use of a mode expansion // J. Opt. Soc. Am. B, V.15, №2.- pp.810-816, (1998).

9. Samoc Marek, Samoc Anna, Luther-Davies Barry, et al. Femtosecond Z-scan and degenerate four-wave mixing measurements of real and imaginary parts of the third-order nonlinearity of soluble conjugated polymers // JOSA B, V.15, pp.817-825, (1984).

10. Falconieri М., Amato R. D., Furlani A., Russo M. V. Z-scan measurements of third-order optical non-linearities in poly(phenylacetylenes) // Synthetic Metals, V.124, pp.217-219, (2001).

11. Antipov O. L., Afanas'ev A. V., Domrachev G. A., et al. Measurement of cubic nonlinear-optical susceptibility of new metalloorganic polymer films and solutions // Quantum Electron., V.31, pp.432-436, (2001).

12. A. Ortega, A. Perez-Martinez, T. Ogawa, et al. Third-Order Nonlinear Optical Property of POLY(HEXA-2,4-DIYNYLENE-l,6-DIOXYDICINNAMATE) Containing a Polar Azo Dye, Determined by Z-Scan Technique // J. Nonl. Opt. Phys. Mater., V.18, pp.161-166, (2009).

13. Никитин С.Ю., Ахманов С.А. Физическая оптика- М.:Изд-во Моск. Ун-та, 2 edition 1998,- .

14. Xia Т., Hagan D. J., Sheik-Bahae M., Van Stryland E. W. Eclipsing Z-scan measurement of wavefront distortion // Opt. Lett., V.19. pp.317-319, (1994).

15. Sheik-Bahae M., Wang J., DeSalvo R., et al. Measurements of nondegenerate nonlinearities using a two-color Z-scan // Opt. Lett., V.17, pp.260-262, (1992).

16. Wang J., Sheik-Bahae M., Said A. A., et al. Time resolved Z-scan measurements of optical nonlinearities // J. Opt. Soc. Am. B, V.ll, pp.1009, (1994).

17. DeSalvo R., Sheik-Bahae M., Said A. A., et al. Z-scan measurements of the anisotropy of nonlinear refraction and absorption in crystals // Opt. Lett., V.18, pp.194-196, (1993).

18. Oliveira L. C., Zilio S. C. Single-beam time-resolved Z-scan measurements of slow absorbers / / Appl. Phys. Lett., V.65, pp.2121-2123, (1994).

19. Petrov D. V., Gomes A. S. L., Araujo Cid B. Reflection Z-scan technique for measurement of optical properties of surfaces // Appl. Phys. Lett., V.65, pp.1067-1069, (1994).

20. Petrov D. V. Reflection Z-scan technique for the study of nonlinear refraction and absorption of a single interface and thin film // J. Opt. Soc. Am. B, V.13, pp.1491-1498, (1996).

21. Bloembergen N., Pershan P. S. Light Waves at the Boundary of Nonlinear Media // Phys. Rev., V.128, pp.606-622, (1965).

22. Armstrong J. A., Bloembergen N., Ducuing J., et al. Interactions between Light Waves in a Nonlinear Dielectric // Phys. Rev., V.127, pp.1918-1939, (1962).

23. Chang R. K., Bloembergen N. Experimental Verification of the Laws for the Reflected Intensity of Second-Harmonic Light // Phys. Rev., V.144, pp.775-780, (1965).

24. Myers L. E., Eckardt R. C., Fejer M. M., et al. Quasi-phase-matched optical parametric oscillators in bulk periodically poled LiNbOs // J. Opt. Soc. Am. B, V.12, pp.2102, (1995).

25. Berger V. Nonlinear photonic crystals // Phys. Rev. Lett., V.81, pp.4136, (1998).

26. Broderick N.G.R., Ross G.W., Offerhaus H.L., et al. Hexagonally poled lithium niobate: a two-dimensional nonlinear photonic crystal // Phys. Rev. Lett., V.84, pp.4145, (2000).

27. Bloembergen N., Sievers A.J. Nonlinear optical properties of periodic laminar structures // Appl. Phys. Lett., V.17, pp.483, (1970).

28. Wokaun A., Bergman J. G., Heritage J. P., et al. Surface second-harmonic generation from metal island films and microlithographic structures // Phys. Rev. B, V.24, pp.849, (1981).

29. O.A. Акципетров, E.M. Дубинина, С.С. Еловиков, et al. Локальные поверхностные плазмоны и резонансный механизм гигантской второй гармоники // Письма в ЖЭТФ, V.48, рр.92, (1988).

30. О.А. Акципетров, И.М. Баранова, Е.Д. Мишина, В. Петухов А. Эффект громоотвода при генерации гигантской второй гармоники // Письма в ЖЭТФ, V.40, рр.240, (1984).

31. Knight J. С., Dubreuil N., Sandoghdar V., et al. Mapping whispering-gallery modes in microspheres with near-field probe // Opt. Lett., V.20, pp.1515, (1995).

32. Kasparian J., Kramer В., Devitz J. P., et al. Angular dependences of third harmonic generation from microdroplets // Phys. Rev. Lett., V.78, pp.2952, (1997).

33. Qian S. X., Chang R. K. Multiorder stokes emission from micrometer-size droplets // Phys. Rev. Lett., V.56, pp.926, (1986).

34. E. Yablonovitch Inhibited spontaneous emission in solid-state physics and electronics // Phys. Rev. Lett., V.58, , (1987).

35. T.B. Долгова, А.И. Майдыковский, М.Г. Мартемьянов, et al. Гигантская третья гармоника в фотонных кристаллах и микрорезонаторах на основе пористого кремния // Письма в ЖЭТФ, V.75, №1- pp. 17-21, (2002).

36. А.К. Звездин, В.А. Котов Магнитооптика тонких пленок- М.: Наука, 1 edition 1988,- .

37. Tivari U., Ghosh R., Sen P. Theory of magneto-optic Kerr effects // Phys. Rev. B, V.49, №3.- pp.2159-2163, (1994).

38. N. Argyres P. Theory of the Faraday and Kerr Effects in Ferromagnetics // Phys. Rev., V.97, pp.334, (1955).

39. P. Hunt R. Contrast Enhancement of the Transverse Kerr Effect // J. Appl. Phys., V.38, pp.1215, (1955).

40. Ахмедиев H., Звездин А. Пространственная дисперсия и новые магнитооптические эффекты в магнитоупорядоченных кристаллах // Письма в ЖЭТФ, V.38, рр.167-169, (1983).

41. Akhmediev N., Borisov S., Zvezdin A., et al. Nonlinear optical susceptibility of magnetically ordered crystals Ц Sov. Phys. Solid State, V.27, pp.650-652, (1985).

42. О. Акципетров, О. Брагинский, Д. Есиков Nonlinear optics of gyrotropic media: second harmonic generation in rare-earth iron garnets // Kvantovaya Electron., V.17, pp.320-324, (1990).

43. Pan Ru-Pin, Wei H.D., Shen. Y.R. Optical second-harmonic generation from magnetized surfaces / / Phys. Rev. В., V.39, pp.1229-1234, (1989).

44. Bennemann К. H. Nonlinear Optics in Metals.- Oxford University Press, 1 edition 1999,- .

45. Hiibner W. Theory of nonlinear surface magneto-optics for ferromagnetic nickel: Effects of band structure and matrix elements // Phys. Rev. В., V.42, pp.11553-11569, (1990).

46. Pustogowa U., Hiibner D., Bennemann K. H. Theory for the nonlinear magneto-optical Kerr effect at ferromagnetic transition-metal surfaces // Phys. Rev. B, V.48, pp.8607-8618, (1993).

47. Pavlov V. V., Pisarev R. V., Kirilyuk A., Rasing Th. Observation of a transversal nonlinear magneto-optical effect in thin magnetic garnet films // Phys. Rev. B, V.78, pp.2004-2007, (1996).

48. Spierings G., Koutsos V., Wierenga H.A., et al. Optical second harmonic generation study of interface magnetism // Surf. Sci., V.287, pp.747-749, (1993).

49. Wierenga H.A., Prins M.W.J., Abraham D., Rasing Th. Magnetisatization-induced optical second-harmonic generation: A probe for interface magnetism // Phys. Rev. B, V.50, pp. 1282-1285, (1994).

50. Koopmans B., Koerkamp M. Groot, Rasing Th., Berg H. Observation of Large Kerr Angles in the Nonlinear OPtical Responce from Magnetic Multilayers // Phys. Rev. Lett., V.74, pp.3692-3695, (1995).

51. M. Inoue, K. Arai, T. Fujii, Abe. One-dimensional magnetophotonic crystals // J. Appl. Phys., V.85, №8.- pp.5768-5770, (1999).

52. T. Dolgova, A. Maidykovski, M. Martemyanov, et al. Giant microcavity enhancement of second-harmonic generation in all-silicon photonic crystals // Appl. Phys. Lett., V.81, №15.- pp.2725, (2002).

53. Zhdanov A.G., Fedyanin A.A., Aktsipetrov O.A., et al. Enhancement of Faraday rotation at photonic-band-gap edge in garnet-based magnetophotonic crystals // J. Magn. Magn. Mat., V.300, pp.253, (2006).

54. Murzina T. V., Kapra R. V., Dolgova T. V., et al. Magnetization-induced second harmonic generation in magnetophotonic crystals // Phys. Rev. B, V.70, №012407,- , (2004).

55. M. Martemyanov, D. Gusev, I. Sobolcva, et al. Nonlinear Optics in Porous Silicon Photonic Crystals and Microcavities // Laser Phys., V.4, №5.- pp.677-684, (2004).

56. P. Lacharmoise, A. Fainstein, B. Jusserand, V. Thierry-Mieg Optical cavity enhancement of light-sound interaction in acoustic phonon cavities // Appl. Phys. Lett., V.84, №3274,- , (2004).

57. Pellegrini V., Colombelli R., Carusotto I., et al. Resonant second harmonic generation in ZnSe bulk microcavity // Appl. Phys. Lett., V.74, №1945.- , (1999).

58. A. Fedyanin, T. Yoshida, K. Nishimura, et al. Nonlinear magneto-optical Kerr effect in gyrotropic photonic band gap structures: magneto-photonic microcavities / / J. Magn. Magn. Mater., V.258-259, , (2003).

59. Martorell J., Vilaseca R., Corbalan R. Second harmonic generation in a photonic crystal // Appl. Phys. Lett., V.70, pp.702, (1997).

60. Balakin A. V., Bushuev V. A., Koroteev N. I., et al. Enhancement of second harmonic generation with femtosecond laser pulses near the photonic band edge for different polarizations of incident light, // Opt. Lett., V.24, pp.793, (1999).

61. Balakin A. V., Bushuev V. A., Mantsyzov B. I., et al. Enhancement of sum frequency generation near the photonic band gap edge under the quasiphase matching conditions // Phys. Rev. E, V.63, pp.046609, (2001).

62. Aktsipetrov O., Dolgova T., Fedyanin A., et al. Nonlinear Magnetooptics in Magnetophotonic Crystals and Microcavities / / Laser Physics, V.14, pp.685-691, (2004).

63. Konotop V. V., Kuzmiak V. Simultaneous second- and third-harmonic generation in one-dimensional photonic crystals //J. Opt. Soc. Am. B, V.16, pp.1370, (1999).

64. Kiehne G. T., Kryukov A. E., Ketterson J. B. A numerical study of optical second-harmonic generation in a one-dimensional photonic structure // Appl. Phys. Lett., V.75, pp.1676, (1999).

65. Chen W., Mills D.L. Gap solitons and the nonlinear optical response of superlattices // Phys. Rev. Lett., V.58, pp.160, (1987).

66. Scalora M., Dowling J. P., Bowden C. M., Bloemer M. J. Optical limiting and switching ofultrashort pulses in nonlinear photonic band gap materials // Phys. Rev. Lett., V.73, pp.1368, (1994).

67. Andreev A. V., Balakin A. V., Kozlov A. B., et al. Four-wave mixing in one-dimensional photonic crystals: inhomogeneous-wave excitation // J. Opt. Soc. Am. B, V.19, pp.1865, (2002).

68. Fainstein A., Jusserand B., Thierry-Mieg V. Raman scattering enhancement by optical confinement in a semiconducter planar microcavity // Phys. Rev. Lett., V.75, pp.3765, (1995).

69. Pavesi L., Mazzoleni C., Tredicucci A., Pellegrini V. Controlled photon emission in porous silicon microcavities // Appl. Phys. Lett., V.67, pp.3280, (1995).

70. Trull J., Vilaseca R., Martorell J., Corbalan R. Second-harmonic generation in local modes of a truncated periodic structure // Opt. Lett., V.20, pp.1746, (1995).

71. Сао Н., Hall D.B., Torkelson J.M., Cao C.-Q. Large enhancement of second harmonic generation in polymer films by microcavities // Appl. Phys. Lett., V.76, pp.538, (2001).

72. Inoue M., Fujikawa R., Baryshev A., et al. Magnetophotonic crystals // J. Phys. D: Appl. Phys., V.39, pp.151-161, (2006).

73. Lyubchanskii I., Dadoenkova N., Lyubchanskii M., et al. Magnetic photonic crystals // J. Phys. D: Appl. Phys., V.36, pp.R277-R287, (2003).

74. Merzlikin A.M., Levy Miguel, Jalali A.A., Vinogradov A.P. Polarization degeneracy at Bragg reflectance in magnetized photonic crystals // Phys. Rev. B, V.79, pp.195103, (2009).

75. Mertins H.-Ch., Valencia S., Abramsohn D., et al. X-ray Kerr rotation and ellipticity spectra at the 2p edges of Fe, Co, and Ni // Phys. Rev. B, V.69, №064407,- , (2004).

76. C. Koerdt, G.L.J.A. Rikken, E. Petrov Faraday effect on photonic crystals // Appl. Phys. Lett., V.82, №10,- pp.1538, (2003).

77. T.B. Мурзина, P.B. Каира, A.A. Рассудов, et al. Генерация маг-нитоиндуцированной третьей гармоники в магнитных фотонных микрорезонаторах // Письма в ЖЭТФ, V.77, №10 рр.639-643, (2003).

78. Pershan P. S. Nonlinear optical properties of solids: energy consideration // Phys. Rev. B, V.130, pp.919-929, (1963).

79. G. Borrmann Uber Extinktionsdiagramme der Röntgenstrahlen von Quarz // Physikal. Z., V.42, pp.157-162, (1941).

80. G. Borrmann Die Absorption von Röntgenstrahlen im Fall der Interferenz // Zeitschrift für Physik, V.127, pp.297-323, (1950).

81. Laue М. Die Absorption der Röntgenstrahlen in Kristallen im Interferenzfall // Acta Crystallogr., V.2, pp.106-113, (1949).

82. С.Г. Ерохин, А.П. Виноградов, A.B. Грановский, M. Инуе Распределение поля световой волны в окрестности магнитного дефекта в одномерных фотонных кристаллах // Физика твердого тела, V.49, №3- pp.477-479, (2007).

83. Figotin A., Vitebskiy I. Absorption suppression in photonic crystals / / Phys. Rev. B, V.77, pp.104421, (2008).

84. Erokhin S. G., Lisyansky A. A., Merzlikin A. M., et al. Photonic crystals built on contrast in attenuation // Phys. Rev. B, V.77, pp.233102, (2008).

85. Vinogradov A. P., Lozovik Yu. E., Merzlikin A. M., et al. Inverse Borrmann effect in photonic crystals / / Phys. Rev. B, V.80, pp.235106, (2009).

86. Beaurepaire E., Merle J.-C., Daunois A., Bigot J.-Y. Ultrafast spin dynamics in ferromagnetic nickel // Phys. Rev. Lett., V.76, pp.4250-4253, (1996).

87. Nozieres P., Pines D. The theory of quantum liquids- N. Y.: Benjamin, 1 edition 1966,- .

88. Quinn J.J. Range of excited electrons in metals // Phys. Rev., V.126, pp.1453, (1962).

89. Wolf M., Aeschlimann M. Femtosekunden-Dynamik in Metallen das kurze Leben heisser Elektronen // Phys. BL, V.54, pp.145, (1998).

90. Bauer M., Aeschlimann M. Dynamics of excited electrons in metals, thin films and nanostructures //J. Elec. Spec. Rel. Phen., V.124, pp.225-243, (2002).

91. Aeschlimann M., Bauer M., Pawlik S., et al. Ultrafast spin-dependent electron dynamics in fee Co H Phys. Rev. Lett., V.79, pp.5158, (1997).

92. Szymanski P., Harris A. L., Ill N. Camillone Temperature-Dependent Femtosecond Photoinduced Desorption in CO/Pd(lll) //J. Phys. Chem. A, V.lll, pp.12524-12533, (2007).

93. Brorson S.D., Fujimoto J.G., Ippen E.P. Femtosecond electronic heat transport dynamics in thin gold films // Phys. Rev. Lett., V.59, pp.1962, (1987).

94. Liu X., Stock R., Rudolph W. Ballistic electron transport in An films // Phys. Rev. B, V.72, pp.195431, (2005).

95. Grimwall G. The Electron-Phonon Interaction in Metals- N. Y.: North-Holland, 1 edition 1981,- .

96. Matzdorf R. Investigation of line shapes and line intensities by highresolution UV-photoemission spectroscopy some cases studies on noble metal surfaces // Surf. Sci. Rep., V.30, pp.153, (1998).

97. Rehbein A., Wcgner D., Kaindl G., Bauer A. Temperature dependence of lifetimes of Gd(0001) surface states // Phys. Rev. B, V.49, pp.17303, (1994).

98. Anisimov S.I., Kapeliovich B.L., Perelman T.L. Eletron emission from metal surfaces exposed to ultrashort laser pulses // Sov. Phys. JETP, V.39, pp.375, (1974).

99. Groeneveld R.H.M., Sprik R., Lagendijk A. Effect of a nonthermal electron distribution on the electron-phonon energy relaxation process in noble metals // Phys. Rev. B, V.45, pp.5079, (1992).

100. Fann W.S., Storz R., Tom H.W.K., Bokor J. Direct measurement of a nonequilibrium electron-energy distributions in subpicosecond laser-heated gold films // Phys. Rev. Lett., V.68, pp.2834, (1992).

101. Lisowski M., Loukakos P.A., Bowensiepen U., et al. Ultrafast dynamics of electron thermalization, cooling and transport effects in Ru(00l) / / Appl. Phys. A, V.78, pp.165, (2004).

102. Griffel M., Skochdopole R.E., Spedding F.H. The heat capacity of gadolinium from 15 to 355 K // Phys. Rev., V.93, pp.657, (1953).

103. Lanchester P.C., Baker D.P., Robinson K. The critical specific heat of gadolinium // J. Magn. Magn. Mater., V.15-18, pp.461-463, (1980).

104. Schaefer J., Schrupp D., Rotenberg E., et al. Electronic quasiparticle renormalization on the spin wave energy scale // Phys. Rev. Lett., V.92, pp.097205, (2004).

105. Fedorov A.V., Valla T., Liu F., et al. Spin-resolved photoemission study of photohole lifetimes in ferromagnetic gadolinium // Phys. Rev. B, V.65, pp.212409, (2002).

106. Zhukov V.P., Chulkov E.V., Echenique P.M. Lifetimes of excited electrons in Fe and Ni: first principles GW and the T-matrix theory / / Phys. Rev. Lett., V.93, pp.096401, (2004).

107. Hatta E., Sasaki T., Svistunov V.M., et al. Evidence for strong electron-magnon coupling in gadolinium // J. Phys. Soc. Japan, V.70, pp.1865-1868,(2001).

108. Skriver H.L., Mertig I. Electron-phonon coupling in rare-earth metals // Phys. Rev. B, V.41, pp.6553, (1990).

109. Vaterlaus A., Beutler T., Meier F. Spin-lattice relaxation time of ferromagnetic gadolinium determined with time-resolved spin-polarized photoemission // Phys. Rev. Lett., V.67, pp.3314-3317, (1991).

110. Freeman M. R. Picosecond pulsed-field probes of magnetic systems // J. Appl. Phys., V.75, pp.6194, (1994).

111. Beaurepaire E., Maret M., Halted V., et al. Spin dynamics in CoPt3 alloy films: A magnetic phase transition in the femtosecond time scale // Phys. Rev. B, V.58, pp.12134, (1998).

112. Guedde J., Conrad U., Jaehnke V., et al. Magnetization dynamics of Ni and Co films on Cu(001) and of bulk nickel surfaces // Phys. Rev. B, V.59, pp.R6608-R6611, (1999).

113. Melnikov A., Giidde J., Matthias E. Demagnetization following optical excitation in nickel and permalloy films // Appl. Phys. B, V.75, pp.735, (2002).

114. Hohlfeld J., Matthias E., Knorren R., Bennemann K. H. Nonequilibrium magnetization dynamics of nickel // Phys. Rev. Lett., V.78, pp.4861-4864, (1997).

115. Scholl A., Baumgarten L., Jacquemin R., Eberhardt W. Ultrafast Spin Dynamics of Ferromagnetic Thin Films Observed by fs Spin-Resolved Two-Photon Photoemission // Phys. Rev. Lett., V.79, pp.5146, (1997).

116. Boehmer K., Hohlfeld J., Matthias E. SHG studies of magnetization effects on polycrystalline nickel surfaces // Appl. Phys. A: Mater. Sci. Process., V.60A, pp.203, (1995).

117. Hiebert W. K., Stankiewicz A., Freeman M. R. Direct Observation of Magnetic Relaxation in a Small Permalloy Disk by Time-Resolved Scanning Kerr Microscopy // Phys. Rev. Lett., V.79, pp.1134-1137, (1997).

118. Regensburger H., Vollmer R., Kirschner J. Time-resolved magnetization-induced second-harmonic generation from the Ni(110) surface // Phys. Rev. B, V.61, pp.14716-14722, (1991).

119. Melnikov A., Bovensiepen U., Radu I., et al. Picosecond magnetization dynamics of the Gd(0001) surface // J. Magn. Magn. Mat., V.1001, pp.272-276, (2004).

120. Huebner W., Zhang G.P. Ultrafast spin dynamics in nickel // Phys. Rev. B, V.58, pp.R5920, (1998).

121. Zhang G.P., Hubner W. Femtosecond spin dynamics in the time domain // J. Appl. Phys., V.85, pp.5657, (1999).

122. Weiss P., Forrer R. // Ann. Phys. (Paris), V.5, pp.153, (1926).

123. Ju Ganping, Vertikov A., Nurmikko A. V., et al. Ultrafast nonequilibrium spin dynamics in a ferromagnetic thin film // Phys. Rev. B, V.57, pp.R700-R703, (1998).

124. Melnikov A., Krupin O., Bovensiepen U., et al. SHG on ferromagnetic Gd films: indication of surface-state effects // Appl. Phys. B, V.74, pp.723-727, (2002).

125. Brzozowski L., Sargent E. H. Azobenzenes for photonic network applications third-order nonlinear properties // J. Mater. Sci.: Mater. EL, V.12, pp.483-489, (2001).

126. Banerjee P., Misra R., Maghraoui M. Theoretical and Experimental Studies of Propagation of Beams Through a Finite Sample of a Cubically Nonlinear Material // J. Opt. Soc. Am. B, V.8, pp.1072, (1991).

127. Sychev F.Yu., Razdolski I.E., Murzina T.V., et al. Vertical hybrid microcavity based on a polymer layer sandwichcd between porous silicon photonic crystals // Appl. Phys. Lett., V.95, pp.163301, (2009).

128. Барышников С. В., Стукова Е. В., Чарная Е. В., et al. Диэлектрические и ЯМР-исследования нанопористых матриц, заполненных нитритом натрия // ФТТ, V.48, рр.551-557, (2006).

129. Pan'kova S. V., Poborghii V. V., Solov'ev V. G. The giant dielectric constant of opal containing sodium nitrite nanoparticles // J. Physics: Condens. Matter, V.8, pp.L203, (1996).

130. Bethune D. S. Optical harmonic generation and mixing in multilayer media: analysis using optical transfer matrix techniques // J. Opt. Soc. Am. B, V.6, pp.910, (1989).

131. Gu Y. Z., Zhang W. F., Gu D. H., Gan F. X. Nonlinear response and optical limiting in SrBi2Ta20g thin films // Opt. Lett., V.26, pp.1788-1790, (2001).

132. Gu В., Wang Y. H., Peng X. C., et al. Giant optical nonlinearity of a Bi2Nd2Ti3012 ferroelectric thin film // Appl. Phys. Lett., V.85, pp.3687-3689, (2004).

133. Murzina Т. V., Nikulin A. A., Aktsipetrov O. A., et al. Nonlinear magneto-optical Kerr effect in hyper-Rayleigh scattering from layer-by-layer assembled films of yttrium iron garnet nanoparticles // Appl. Phys. Lett., V.79, №9,- pp.1309-1311, (2001).

134. А. Акципетров О. Нелинейная оптика Курс лекций 2005.

135. Li Н.Р., Kam С.Н., Lam Y.L., et al. Nonlinear optical response of Ge nanocrystals in silica matrix with excitation of femtosecond pulses // Appl. Phys. B, V.72, pp.611-615, (2001).

136. Joannopoulos J. D., Johnson S. G., Winn J. N. Photonic crystals: molding the flow of light- Princeton University Press, 2 edition 1995,- .

137. Bethune D. S. Optical harmonic generation and mixing in multilayer media: analysis using optical transfer matrix techniques // J. Opt. Soc. Am. B, V.6, pp.910, (1989).

138. Stolle R., Marowsky G., Schwarzberg E., Berkovic G. Phase measurements in nonlinear optics Ц Appl. Phys. B. V.63, pp.491-498, (1996).

139. Khartsev S., Grishin A. High Perfomance BiaFesb/SmsGasO^]™ magneto-optical photonic crystals / / J. Appl. Phys., V.101, pp.053906, (2007).

140. Cao J., Gao Y., Elsayed-Ali H. E., et al. Femtosecond photoemission study of ultrafast electron dynamics in single-crystal Au(lll) films // Phys. Rev. B, V.58, pp.10948—10952, (1998).

141. Мурзина T.B., Капра P.B., Раздольский Н.Э., et al. Нелинейная оптика магнитофотонных кристаллов // Российские нанотехнологии, V.2, pp.110-119, (2007).

142. И.Э. Раздольский, Р.В. Капра, Т.В. Мурзина, O.K. Акципетров Кубичные эффекты самовоздействия в фотонно-кристаллических микрорезонаторах // Письма в ЖЭТФ, V.8, №84 рр.529-532, (2006).

143. I. Razdolski, Т. Murzina, О. Aktsipetrov, М. Inoue Borrmann effect in photonic crystals: nonlinear-optical consequences // Pis'rna JETP, V.87, №8.- pp.461-464, (2008).

144. Murzina T.V., Razdolski I.E., Aktsipetrov O.A., et al. Nonlinear magneto-optical effects in all-garnet magnetophotonic crystals // J. Magn. Magn. Mater., V.321, pp.806-809, (2008).