Резонансные оптические и магнитооптические эффекты в наноструктурах и фотонных кристаллах тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.21 ВАК РФ

на правах рукописи

/у

005003644 и ^

Жданов Александр Григорьевич

РЕЗОНАНСНЫЕ ОПТИЧЕСКИЕ И МАГНИТООПТИЧЕСКИЕ ЭФФЕКТЫ В НАНОСТРУКТУРАХ И ФОТОННЫХ КРИСТАЛЛАХ

Специальность 01.04.21 - лазерная физика

2 4 НОЯ 2011

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва - 2011

005003644

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

Научный руководитель: доктор физико-математических наук

Федянин Андрей Анатольевич

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, доцент Мишина Елена Дмитриевна, Московский государственный технический университет радиотехники, электроники и автоматики, Москва

кандидат физико-математических наук, доцент Белотелов Владимир Игоревич, кафедра фотоники и физики микроволн, физический факультет МГУ имени М.В. Ломоносова, Москва

Ведущая организация:

Учреждение Российской академии наук Институт общей физики им. A.M. Прохорова РАН, Москва

Защита состоится 15 декабря 2011 года в 16 часов 30 мин. на заседании диссертационного совета Д 501.001.31 при Московском государственном университете имени М.В. Ломоносова по адресу; 119991, Москва, Ленинские горы, МГУ, ул. Академика Хохлова, дом 1, стр. 62, корпус нелинейной оптики, аудитория им. С.А. Ахманова.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультета МГУ.

Авторефер;

Ученый секретарь диссер1 совета Д 501.001.31, к.ф.-м

:бря 2011 г.

Р/СО

¿С Т.М.

Ильинова

Общая характеристика работы

Диссертационная работа посвящена экспериментальному изучению оптических и магнитооптических эффектов в наноструктурах и фотонных кристаллах, вызванных воздействием лазерного излучения. Основной задачей работы является подбор экспериментальных техник и экспериментальное изучение резонансных оптических и магнитооптических эффектов в наноструктурах различной размерности: металлических наночастицах, периодически иаиоструктурировшшых поверхностей металла, и многослойных диэлектрических структурах (фотонных кристаллах) в видимом, ближнем ИК, ближнем УФ диапазонах.

Резонансное усиление оптических и магнитооптических эффектов в наноструктурах различной размерности обусловлено различными механизмами. В случае нульмерных металлических наноструктур (наночастицы) усиление оптических эффектов обусловлено возбуждением локальных плазмопов. Оптическое поле многократно усиливается в области пространства сопоставимой с размерами частицы. Оптическая частота резонанса обусловлена размерами частиц, материалом частиц и их окружением. Плазмонный резонанс крайне чувствителен к ближайшему окружению частиц и может применяться в химических сенсорах для детектирования ультрамалых концентраций веществ. Наиболее яркие плазмонные эффекты наблюдаются на наночастицах благородных металлов: серебра и золота. Для экспериментального наблюдения плазмонного усиления локального поля вблизи одиночных металлических наио частиц неообходимо зафиксировать частицу в пространстве и поместить в область частицы невозмугцающий зонд. Уникальной экспериментальной методикой, позволяющей работать с одиночными микро- и иано-объектами, является метод лазерного (оптического) пинцета. Этот метод позволяет зафиксирвать прозрачный объект в пространстве и измерять силовые воздействия в масштабах нескольких фемтоныотонов. Применяя метод фотонно-силовой микроскопии, можно провести прямую спектроскопию плазмонных свойств нано- и микро- объектов по величине силового взаимодействия исследуемого объекта с лазерным излучением калиброванной интенсивности, что невозможно сделать любыми другими методами.

Резонансные оптические эффекты в двумерных металлических наноструктурах, т.е. наноструктурированных поверхностях металлов, обусловлены резонансным возбуждением поверхностных плазмон-поляритонов. Резонансное возбуждение происходит при условии фазового синхронизма между тангенциальной составляющей падающей электромагнитной волны, вектором обратной решетки периодической структуры поверхности и волновым

вектором поверхностного плазмон-поляритона. Эти условия выражаются в резонансных особенностях частотно-угловых спектров коэффициента отражения подобных структур. По аналогии с фотонными кристаллами (многослойными диэлектрическими структурами) подобные структуры могут быть названы двумерными плазменными кристаллами. Намагниченность такой наноструктуры приводит также к резонансным особенностям в спектрах магнитооптических эффектов. Как и для наночастиц наиболее удобными материалами являются серебро и золото. С другой стороны, эти материалы не обладают ферро- или ферримагнитным упорядочением, следовательно, не проявляют магнитооптических эффектов. Магнитные материалы, обладают большим поглощением на длине волны оптического диапазона, длина пробега поверхностного плазмона мала, следовательно эффективность резонансного возбуждения поверхностного плазмона на периодически структуриро-вашюй металлической поверхности мала. Возможным компромиссом между эффективностью резонансного возбуждения поверхностных плазмонов и величиной магнитооптических эффектов является рассмотрение никеля.

Резонансные эффекты в фотонных и магнитофотонных кристаллах обусловлены резонансами многолучевой интерференции. В случае одномерных (многослойных) структур имеют место оптические резонансы подобные резо-иансам Фабри-Перо. Оптические спектры коэффициентов отражения и пропускания могут быть описаны на языке фотонной запрещенной зоны по аналогии с электронной запрещенной зоной для обычных кристаллов в физике твердого тела. Наличие ферро- или ферримагнитого упорядочения в слоях такой структуры приводит к появлению аксиально-симметричных недиагональных компонент тензора диэлектрической проницаемости соответствующих слоев структуры. Аксиальная симметрия обуславливает нечетность инверсии по времени, что приводит к невзаимным магнитооптическим эффектам, таким как эффект Фарадея. В магнитофотонных кристаллах эффект Фарадея может значительно усиливаться по сравнению с однородной пластиной за счет конструктивной многолучевой интерференции благодаря невзаимной природе эффекта. Резонансные условия усиления эффекта Фарадея в магнитофотонных кристаллах могут быть выражены и в терминах фотонной запрещенной зоны и закона дисперсии. Угол фарадеевского вращения плоскости поляризации благодаря невзаимности эффекта может рассматриваться как часы, отсчитывающие время взаимодействия излучения с веществом. Таким образом, замедление групповой скорости может интерпретироваться как увеличение времени взаимодействия излучения с веществом, с одной стороны, и как увлечение числа проходов в структуре за счет мно-

гократных персотражений в слоях структуры, с другой стороны, что приводит к частотно-угловому резонансу магнитооптического эффекта Фарадея. Особенности динамики распространения ультракоротких лазерных импульсов и сверхбыстрой динамики эффекта Фарадея служат дополнительным подтверждением подобных механизмов усиления в многослойных фотонных структурах.

В нульмерных наноструктурах (металлические наночастицы) оптические резонансы обусловлены возбуждением локальных плазмонов, в двумерных и квазитрехмерных наноструктурах (наиоструктурированные поверхности металлов) оптические резонансы обусловлены возбуждением поверхностных плазмон-поляритонов. В случае одномерных магнитофотонных кристаллов имеют место резонансы схожие с резонансами Фабри-Перо, вызванные многолучевой интерференцией в слоях структуры. При наличии магнитного материала также возникает усиление магнитооптических эффектов.

Целью диссертационной работы является экспериментальное обнаружение, изучение и систематизация резонансных оптических и магнитооптических эффектов в наноструктурах различной размерности и фотонных кристаллах, вызванных структурной дисперсией образца.

Актуальность работы заключается в фундаментальном интересе к механизмам оптических резонансов и резонансному усилению магнитооптических эффектов в наноструктурах и фотонных кристаллах. Растущий интерес к плазмонным наноструктурам и ианочастицам сопровождается большим количеством работ в этой области, однако, малоохваченной областью, остается магнитоплазмоника, т.е. изучение резонансов магнитооптических эффектов имеющих плазмонную природу. Работ, посвященных изучению одиночных плазмон-активных наночастиц, сравнительно мало. Фотонные кристаллы, особенно одномерные изучены сравнительно хорошо, однако, детальное объяснение механизмов усиления эффекта Фарадея в магнитофотонных кристаллах, основанное на анализе пространственного распределения оптического поля в структуре и ее дисперсионных свойств, как и анализ сверхбыстрой временной динамики эффекта в литературе отсутств}'ст. Практическая ценность работы заключается:

• в экспериментальной демонстрации использования метода лазерного пинцета в качестве средства диагностики и прямой силовой спектроскопии плазмонных свойств одиночных объектов размером от сотен нанометров до нескольких микрои;

• в экспериментальной демонстрации возможности возбуждения поверх-

ностных плазмон-поляритонов на наноструктурированной поверхности никеля и возможности управления резонансными особенностями как в оптическом, так и в магнитооптическом отклике меняя угол поворота образца либо угол падения и длину волны используемого излучения;

• в результатах численных расчетов оптимальных с точки зрения усиления эффекта Фарадея магнитофотонных структур и анализа динамики распространения ультракоротких лазерных импульсов в них с учетом динамики плоскости поляризации, т.е. эффекта Фарадея;

Научная новизна работы заключается в следующем:

• Обнаружен парный эффект плазмонного усиления оптического поля между одиночными наночастицами. Методом лазерного пинцета, совмещенного с конфокальной схемой спектроскопии измерена зависимость усиления оптического поля от расстояния между плазмон-активными объектами.

• Обнаружен эффект силовой отдачи, вызванной неоднородным резонансным усилением оптического поля сфокусированного лазерного излучения вблизи захваченного микрообъекта.

• Продемонстрировано возбуждение поверхностных плазмонов на наноструктурированной поверхности никеля. Измерены серии частотно-угловых спектров экваториального магнитооптического эффекта Керра, показано резонансное плазмонно-индуцировашюе усиление магнитооптического отклика.

• С помощью метода матриц распространения проведен расчет одномерных магнитофотонных структур. Показана связь между дисперсионными свойствами таких структур, пространственным распределении оптического поля в них и резонансным усилением оптических и магнитооптических свойств.

• Численно рассчитаны временные зависимости фарадеевского угла для магнитофотонных структур. Показаны временные особенности оптического и магнитооптического откликов на временах порядка нескольких фем-тосекунд. На примере однородных пластин феррит-граната экспериментально обнаружена зависимость эффекта Фарадея от времени.

На защиту выносятся следующие основные положения:

• В зазоре между двумя одиночными микрочастицами, частично покрытыми металлическими наночастицами и помещенными в раствор краси-

теля, происходит усиление локального оптического поля, приводящее к резонансному усилению люминесценции красителя. Резонансы усиления локального оптического поля обусловлены, взаимодействием локальных плазмонов в соседних наночастицах

• При неоднородном резонансном усилении оптического поля лазерного излучения вблизи плазмон-активной микрочастицы, помещенной в краситель, возникает эффект силовой отдачи благодаря плазменному усилению люминесценции. Величина флуктуирующей силы, действующей на микрочастицу, составляет около 40 фН при мощности лазерной накачки порядка 1 мкВт.

• Резонансное возбуждение поверхностных плазмон-поляритонов на периодически структурированной поверхности никеля при выполнении условий фазового синхронизма между падающим излучением, поверхностным плазмоном и вектором обратной решетки структуры, приводит-к появлению резонансных особенностей в спектрах экваториального магнитооптического эффекта Керра.

• На длинноволновом краю фотонной запрещенной зоны мапштофотонно-го кристалла наблюдается усиление эффекта Фарадея, вызванное многолучевой интерференцией. При этом пучности стоячей электромагнитной волны имеют место в магнитных слоях структуры, имеющих „больший коэффициент преломления. При смене контраста структуры, пучности электромагнитной волны локализуются в магнитных слоях при длине волны излучения, соответствующей коротковолновому краю фотонной запрещенной зоны. При этом усиление эффекта Фарадея наблюдается также на коротковолновом краю фотонной запрещенной зоны. Усиление эффекта Фарадея коррелирует с локализацией оптического поля в магнитных слоях структуры и может рассматриваться как магнитооптический аналог эффекта Боррманна.

• Угол фарадеевского вращения в одномерных фотонных кристаллах нелинейно зависит от числа слоев структуры благодаря росту добротности ре-зонансов многолучевой интерференции с ростом числа слоев структуры. Это может рассматриваться как нелинейный закон Верде для фотонно-кристаллических структур.

• Угол фарадеевского вращения при распространении ультракоротких лазерных импульсов через тонкие пленки и фотоннокристаллические струк-

туры зависит от времени. Характер зависимости определяется соотношением длины импульса и толщины структуры, а также спектральным положением несущей частоты лазерного импульса относительно спектральных резонансных особенностей структуры.

Апробация работы проводилась на следующих конференциях: Международная конференция "SPIE Europe: Optics and Optoelectronics", Прага, апрель 2009; Международные московские симпозиумы по магнетизму "MISM", Москва, 2005,2008; Международная конференция "ICONO/LAT", Минск, 2007; Международная конференция "Frontiers in Optics", США, 2007; Международная конференция "SPIE NanoScience + Engineering", США, Сан-Диего 2008; Международные конференции "International Conference on Materials Science and Condensed Matter Physics", Кишинев, 2006,2008,2010.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитируемой литературы. Объем диссертации составляет 169 страниц, включая список литературы, 92 рисунка. Список литературы содержит 81 наименование.

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

Автором опубликовано 53 работы, из них 33 работы по теме диссертации, в том числе 5 работ в журналах из списка ВАК России.

Содержание работы

Глава I. Резонансные эффекты в наноструктурах и фотонных кристаллах и методы их изучения

Первая глава содержит обзор литературы, касающейся теоретических описаний оптических и магнитооптических явлений в наноструктурах и фотонных кристаллах и экспериментальных методик их изучения. В первой главе систематически рассматриваются особенности резонансных оптических и магнитооптических эффектов в наноструктурах и фотонных кристаллах. Также приводится детальное описание экспериментальных методик, использованных в оригинальной части работы.

Глава II. Локальное усиление оптического поля вблизи одиночных микро-и наночастиц

Вторая глава посвящена экспериментальному исследованию резонансного усиления оптического поля вблизи одиночных микро- и наночастиц методом лазерного пинцета.

В качестве образцов рассмотрены микрочастицы диоксида кремния диаметром 2 мкм и 3.44 мкм, частично покрытые наночастицами серебра диаметром й ~ 30 нм. При этом относительная площадь покрытия составляла около 10%, что обеспечивало, с одной стороны необходимое количество нано-частиц на микрочастице для наблюдения эффектов, связанных с усилением оптического поля благодаря резонансу локальных плазмонов, а с другой стороны достаточную прозрачность покрытой микрочастицы, делая возможным оптический захват одиночной микрочастицы.

В качестве экспериментального метода был выбран метод лазерного (оптического) пинцета, позволяющей во-первых зафиксировать прозрачную частицу в пространстве с помощью оптической ловушки, а во-вторых измерить внешнюю силу, действующую на нее при локальном усилении оптического поля вблизи захваченной частицы. [1]

Для получения численных характеристик оптической ловушки применялся метод калибровки по броуновскому движению. [2,3] Рассмотрим модель оптической ловушки, считая потенциал ловушки гармоническим. На захваченную частицу кроме возвращающей силы со стороны ловушки будут действовать сила вязкого трения и случайная нестационарная сила, обусловленная броуновскими флуктуациями. Пренебрегая второй производной по времени [1] для закона движения захваченной частицы получим:

где = к/7, к - эффективная жесткость ловушки, 7 - коэффициент гидродинамического сопротивления, В - коэффициент Эйнштейна, п(Ь) - случайная сила.

После преобразования Фурье из выражения (1) получаем спектр мощно-

Экспериментально смещение частицы х определяется по отклонению лазерного луча рассеянного захваченной частицей, которое регистрируется позиционно-чувствительным фотодатчиком, например, квадрантным фотодиодом. Сигнал с фотодиода V оказывается пропорциональным смещению частицы V = х/Э. [2,3]

Спектр мощности сигнала с фотодиода может быть записан в виде:

х + ЫкХ = у/2Т)п(Ь),

(1)

сти:

(2)

Таким образом, по данным аппроксимации спектра мощности соотношением типа (3) вычисляется коэффициент пропорциональности 5 и эффективная жесткость ловушки к.

В качестве индикатора усиления локального оптического поля использовался водный раствор красителя родамина 6Ж с концентрацией 3 • 10М, в который были помещены покрытые микрочастицы. Локальное усиление оптического поля за счет возбуждения локальных плазмонов в металлической наночастице приводит к усилению сигнала люминесценции, линейного по интенсивности поля накачки, от области красителя вблизи этой наночастицы.

(б) ■шнааи

[1

(в)

(Г)

ШШ

Li

Рис. 1: Схема экспериментальной установки лазерного пинцета (а). SEM изображение покрытой микрочастицы (б). Оптические изображения пары захваченных частиц (в) и одиночной частицы (г).

Для наблюдения этого эффекта в традиционную схему установки лазерного пинцета был внесен ряд изменений (рис. 1). Луч лазера с длиной волны А = 980 нм проходит последовательно через акустооптический модулятор и дефлектор и фокусируется 100х масляио-иммерсионным объективом (ЧА=1.3) внутри кюветы с образцом. Пространственная неоднородность электромагнитного поля сфокусированного лазерного излучения формирует трехмерную оптическую ловушку для прозрачных микрочастиц. С помощь акустооптического дефлектора и модулятора положение луча с высокой относительно броуновского движения частотой (10 кГц) переключается меж-

ду двумя положениями в пространстве, формируя две оптические ловушки на контролируемом расстоянии друг от друга, что позволяет одновременно оперировать с двумя микрочастицами. Для возбуждения люминесценции используется непрерывный лазер с длиной волны Л = 532 им,луч которого фокусируется рабочим объективом в перетяжку с( ~ 1 мкм в область, где захватываются частицы. Сбор сигнала люминесценции осуществляется в геометрии "на отражение". Для того, чтобы выделить сигнал от полезного рабочего объема, т.е. от непосредственного окружения захваченной частицы используется конфокальная схема с диафрагмой Б = 300 мкм, фильтрующей сигнал от прочей толщи образца. Излучение накачки и захватывающего лазера фильтруется оптическими интерференционными фильтрами. Измерение спектров люминесценции проводится многоканальным спектрометром с охлаждаемой ПЗС камерой. Результаты измерения усредняются за время < ~ 10 с. Следует отметить, что интенсивность лазерного излучения, возбуждающего люминесценцию подобрало сильно меньше интенсивности захватывающего лазера, тем самым наличие накачки никак не влияет на параметры оптической ловушки. Для получения информации о смещениях захваченной частицы используется стандартная схема с квадрантным фотодиодом. [2]

Благодаря резонансу локальных плазмонов при облучении покрытой микрочастицей лазерными излучением с длиной волны 532 им возникает усиление локального оптического поля вблизи металлических наночастиц, покрывающих микрочастицу. Поскольку микрочастицы погружены в раствор красителя, сигнал люминесценции от области, где происходит усиление поля также усиливается. Результаты измерения спектров люминесценции для различных конфигураций захваченных частиц приведены на графике 2. Интенсивность люминесценции при захвате одной покрытой частицы примерно на 10% превосходит фоновый сигнал, в тоже время при захвате одиночной непокрытой диэлектрической частицы сигнал люминесценции спадает на 15%. Это связано с тем, что микрочастица вытесняет некоторый объем красителя из области детектирования, что ведет к ослаблению сигнала люминесценции. В случае покрытой частицы локального усиления оптического поля оказывается достаточно не только для компенсации этого эффекта, но и для усиления интегрального сигнала. В случае захвата и сближения двух покрытых частиц усиление возрастает до 20%, что на первый взгляд является просто аддитивным эффектном от наличия двух плазмон-активных микрочастиц в объеме детектирования. Однако, при дальнейшем сближении вплоть до касания имеет место флуктуирующий характер интенсивности люминесценции с резонансным усилением до 60%. Такие вспышки люминесцен-

2,00

640

Длина волны (нм)

Рис. 2: Спектры люминесценции красителя родамина 6Ж вблизи захваченных микрочастиц. На вставке - пара захваченных микрочастиц и резонансная вспышка люминесценции между ними.

ции были видны на съемке ПЗС камерой как яркое пятно между захваченными частицами (см. вставку на рис. 2). Оптическая ловушка фиксирует три поступательные степени свободы каждой из захваченных частиц в то время как вращательные степени свободы остаются незафиксированными. При взаимном повороте пары захваченных частиц наноостровками серебра друг к другу, пара сблизившихся наночастиц серебра образует резонатор, усиливающий локальное оптическое поле эффективнее, чем каждая из частиц по отдельности. Это и приводит к резонансными вспышкам, имеющим флукту-ационный характер, превосходящим чисто аддитивный эффект.

Сигнал люминесценции от области вблизи захваченной частицы можно считать индикатором локального оптического поля. В описанных выше экспериментах мощность накачки составляла 1 мкВт, при увеличении мощности накачки до 1 мВт эффект пропадал. Наличие частиц в объеме детектирования как покрытых, так и непокрытых приводило к одинаковому ослаблению интенсивности люминесценции, вызванного высвечиванием красителя из-за слишком большого значения электромагнитного поля вблизи наночастиц.

Усиление люминесценции в описанных выше экспериментах возможно

объяснить и в терминах потока фотонов. В этом случае необходимо рассматривать совместно систему наночастица-краситель. В случае раствора краг сителя без наночастиц интенсивность люминесценции I будет определяться соотношением I ~ r¡cr0I0 Наличие наиочастиц приводит к эффективному усилению сечения поглощения а'. В чистом растворе красителя сечение поглощение определяется сечением поглощения красителя а о- При наличии наночастиц сечение поглощения определяется размерами наночастиц и существенно превосходит сечение поглощения красителя а' » а0. В результате поглощения фотонов возникает локальное плазмонное поле вблизи частицы, переводящее молекулы красителя в возбужденное состояние. Другими словами, наночастицы играют роль "воронок", эффективно увеличивающих число фотонов, взаимодействующее с молекулой красителя. Подобный эффект имеет место только при низкой концентрации красителя по сравнению с концентрацией наночастиц на захваченной микрочастице, что подтверждается экспериментально.

/-vAy а)

i : частица вне

Накачка (532 им) ловушкн

включена

, . ■ непокрытая частиц

1.5x10' !

1.0x1»' g

В

§

2

i

tí

5.0*10* £

i m S

1 s

Время (с)

100 150 200

Время (с)

Рис. 3: Сила действующая на захваченную частицу при включении излучения накачки люминесценции (серая кривая, левая ось), сигнал люминесценции при нахождении частицы в объеме детектирования (черная кривая, правая ось), (а) -диэлектрическая (непокрытая) микрочастица; (б) - микрочастица, покрытая нано-частицами серебра.

На графике 3 приведены результаты одновременных измерений сигнала люминесценции и силы, действующей на захваченную частицу. При включении накачки в случае непокрытой частицы не происходит каких либо существенный силовых воздействий. В случае покрытой частицы при включении накачки возникает сила ^ ~ 40 фН, действующая вдоль оси лазерного пучка пакачки при мощности накачки 1 мкВт. Флуктуации силы коррелируют

с сигналом люминесценции. Отдельные серии экспериментов по измерению силового воздействия на покрытые и непокрытые частицы в растворе красителя и в дистиллированной воде выявили связь флуктуирующей силы с наличием красителя и покрытием частицы. Таким образом, обнаруженный эффект представляет собой силовую отдачу при излучении люминесценции усиленной локальными плазмонами. Пример этих измерений показывает, что метод оптического пинцета в модификации "фотонно-силового микроскопа" может применяться для силовой спектроскопии поглощения и люминесценции одиночных микрочастиц.

Глава III. Возбуждение поверхностных плазмон-поляритонов в маг-нитоплазмонных наноструктурах

Третья глава посвящена экспериментальному изучению резонансных особенностей в оптическом и магнитооптическом откликах наноструктурированных металлических поверхностей. В данной главе под поверхностью понимается не кристаллографическое, а оптическое понятие (L cü Л).

В главе рассматривается резонансное возбуждение поверхностных плазмон-поляритонов на наноструктурирванных поверхностях металлов с одномерным и двумерным упорядочением. По аналогии с фотонными и маг-нитофотонными кристаллами подобные структуры могут быть названы маг-нитоплазмонными кристаллами [4,5]. В качестве экспериментальных образцов рассматриваются бороздки на никелевой поверхности с периодом 320 нм и амплитудой рельефа 10 нм и инвертированные никелевые опалы с периодом 500 нм . Опаловую поверхность можно рассматривать по сути как двумерную структуру, поскольку из-за сильного оптического поглощения в никеле электромагнитное излучение не проникает глубже одного периода внутрь структуры, тем самым упорядочение по этому направлению не влияет па оптический и магнитооптический отклик.

Существенная экспериментальная сложность при возбуждении поверхностных плазмон-поляритонов на поверхности ферромагнитного металла заключается в значительном оптическом поглощении. Для эффективного возбуждения поверхностных плазмонов на периодически структурированной поверхности металла необходимо соблюсти условия фазового синхронизма между падающей объемной электромагнитной волной и поверхностным плазмон-поляритопом, другими словами, необходимо добиться пересечения двух соответствующих дисперсионных кривых (рис. 4). [4,5] Фазовый синхронизм замыкается через вектор обратной решетки поверхностной структуры.

Здесь наклонная прямая соответствует (-1)-ому порядку дифракции, пе-

Рис. 4: Схема возбуждения поверностных плазмон-поляритонов на. нанострукту-рированиой поверхности, а) - условия фазового синхронизма, б) - конфигурация возбуждения поверхностных плазмонов. На вставке АСМ изображение экспериментального образца.

ресечение с дисперсионной кривой поверхностных плазмон-поляритонов соответствует условиям фазового синхронизма: —\k0sina + ng = kspp.

В случае двумерной периодичности условия фазового синхронизма аналогичны с тем лишь отличием, что в условиях фазового синхронизма в двумерном случае будут участвовать оба вектора обратной решетки структуры -ik0sina + nigi + n2g2 = kspp.

Учтя закон дисперсии поверхностного плазмон-поляритона в итоге для условия фазового синхронизма получим:

-ikosina + mgi + ri2 g2 = kof£^£2 (4)

Из формулы (4) видно, что условия фазового синхронизма зависят от следующих управляющих параметров: длины волны падающего излучения А = 2-к/ка, угла падения а, азимутального угла поворота образца в. В главе приведены результаты наблюдения резонансов коэффициента отражения структуры по всем этим параметрам. Показано, что резонансные особенности в оптическом отклике имеют место только при ТЕ-поляризации падающего излучения. Это указывает на возбуждение поверхностных плазмон-поляритонов, которые запрещены в ТМ-поляризации.

Наиболее яркие особенности наблюдались для одномерной структуры, качество упорядочение которой было существенно выше качества упорядочения инвертированных опалов, полученных методом самосборки. Спектр отражения одномерной магнитоплазмонной структуры для а = 58° приведен на рис. 5а. В спектре коэффициента отражения имеется резкий провал ши-

риной ДА ~ 20 нм с центром Л ~ 600 нм. Этот провал наблюдается только при ТЕ-поляризованном падающем излучении и вызван перераспределением энергии падающей волны между отраженной волной и резонансно возбужденным поверхностным плазмоном. Наличие магнитного поля снимает вырождение между противоположно бегущими поверхностными плазмонами и приводит к зависимости коэффициента отражения от магнитного поля. [5] Резонансное возбуждение поверхностных плазмонов приводит к резонансным особенностям в спектре магнитооптического эффекта Керра в экваториальной геометрии (см. черную кривую на рис. 5а).

Рис. 5: Влияние резонансного возбуждения плазмонов на оптическое отражение и экваториальный магнитооптический эффект Керра. а) - периодические бороздки на поверхности №; б),в) - поверхность инвертированного № опала. Серые кривые и левые оси соответствуют магнитооптическим спектрам, черные кривые и правые оси - коэффициенту отражения. Пунктирная линия на (а) - эффект Керра для гладкой поверхности N1.

В случае двумерных образцов в условиях резонансного возбуждения поверхностных плазмонов фигурируют уже два вектора обратной решетки. Тем самым становятся возможными две моды. На графике 56 показаны результаты измерений для первой моды при а = 58° и в — 0° (вектор обратной решетки лежит в плоскости падения света). В этом случае в спектре коэффициента отражения имеет место особенность на длине волны А ~ 900 нм. Спектр магнитооптического эффекта Керра коррелирует со спектром отражения. В случае возбуждения второй плазмонной моды (в = 30°) спектральная особенность сдвигается в коротковолновую область (А ~ 750 нм).

В спектре магнитооптического эффекта Керра появляется широкий провал в районе А ^ 700 нм. Худшее качество упорядочения двумерных структур по сравнению с одномерными приводит к более слабым особенностям в спектрах. Неточное совпадение особенностей в спектрах оптического пропускания и магнитооптического эффекта Керра вызвано большой шириной особенностей с спектральными свойствами эффекта Керра для однородной никелевой поверхности.

Глава IV. Резонансное усиление эффекта Фарадея в одномерных магнитофотонных кристаллах

В четвертой главе рассмотрены резонансные оптические и магнитооптические эффекты в одномерных фотонных кристаллах, приводятся результаты численных расчетов методом матриц распространения [6,7] и экспериментальные результаты обнаружения временной зависимости магнитооптического эффекта Фарадея на ультракоротких временных масштабах At ~ 100 фс.

В рамках метода матриц распространения электромагнитное поле внутри каждого слоя магнитооптической многослойной структуры раскладывается по 4 модам на право- и лево-циркулярно поляризованные волны (г,1) для двух направлений распространения (+,-) [7]:

Ем(г) = z»,p,dev,p4exp[íkg{nx¡ux + nv¡uy + nltV,P¡d(z - z„_i))], (5)

P=T,l d=±

где eVtptd - амплитуда моды; nx>„, ny<v, nXi¡,iP¡d - компоненты нормированного волнового вектора nvj>¿ = ки>рл/кй, ki = w/c; - вектор поляризации моды.

Каждому слою сопоставляется матрица, связывающая амплитуды нормальных мод на его границах. В конечном счете задача сводится к системе линейных уравнений, определяющих значения нормальных мод на границах образца. Найдя их, сразу же получаем значения коэффициентов отражения и пропускания:

R = |е0,г,- + ío,í,-|2 + Кг,- - ео,г,-|2, (6)

Т = |e*+i,r,- + ffb+1,1 -I2 + \ek+i,r,~ ~ ek+U-|2, (7)

а также комплексных углов Фарадея и Керра:

Ф=тЛеи[{^-~ек+и--\}. (8)

1^+1,г,- + (-к+1,1,-)

Ф = (9)

Мнимые части этих значений характеризуют появляющуюся эллиптичность поляризации.

С помощью метода матриц распространения были рассчитаны спектры оптического пропускания и магнитооптического эффекта Фарадея для экспериментального образца фотонного кристалла, состоящего из 11 чередующихся А/4-слоев 5г0г и Вг : УЮ. Были учтены оптическое поглощение и дисперсия показателя преломления материалов слоев, полученные из данных [8]. Сравнение результатов расчета и экспериментально измеренных зависимостей приведено на рис. 6а.

М - магнитный слой N - немагнитный слой

600 800 1000 Длина волны (нм)

Рис. 6: Расчет спектральных зависимостей эффекта Фарадея (а) и пространственного распределения поля в слоях фотонного кристалла (б). На (а) для приводится сравнение с экспериментальными результатами (точки).

Результаты расчета подтверждают экспериментально обнаруженное усиление магнитооптического эффекта Фарадея на длинноволновом краю фотонной запрещенной зоны примерно в 6 раз. Пространственное распределение электромагнитного поля внутри слоев фотонного кристалла (рис. 66) демонстрирует пучности электромагнитной волны в магнитных слоях фотонного кристалла при длине волны, соответствующей длинноволновому краю

О 10 20 30 40 кол-во слоев (шт.)

фотонной запрещенной зоны. На длине волны., соответствующей коротковолновому краю фотонной запрещенной зоны локализация поля наблюдается в немагнитных слоях и усиление эффекта Фарадея происходит всего в 2 раза. Расчеты инвертированных структур (показатель преломления немагнитных слоев больше, чем магнитных) приводят к обратному эффекту: в этом случае большее усиление наблюдается на коротковолновом краю запрещенной зоны. Это позволяет говорить о связи локализации оптического поля волны в магнитных слоях фотонного кристалла с усилением магнитооптического эффекта Фарадея, т.е. о магнитооптическом аналоге эффекта Боррманна в магнитофотонных кристаллах.

Резонансное оптическое пропускание и коррелирующее с ним усиление эффекта Фарадея на краю фотонной запрещенной зоны вызвано резонан-сами многолучевой интерференции. Для угла Фарадея Ф в случае однородной магнитооптической пластины имеет место закон Верде Ф ~ М(1, где М - намагниченность пластины, а с! - толщина. С ростом числа слоев растет добротность многолучевых резонансов. Результаты расчета серии спектров Фарадеевского угла при различном числе слоев структуры представлены на рис. 7.

Рис. 7: Усиление эффекта. Фарадея в зависимости от числа слоев фотонного кристалла.

В случае фотоннокристаллических структур закон Верде оказывается нелинейным по толщине образца за счет роста добротности резонансов с уве-

личением числа слоев.

Наличие резонансных спектральных особенностей приводит к нетривиальным особенностям во временном отклике. Чтобы обнаружить временные эффекты в фотоннокристаллических структурах необходимо использовать ультракороткие лазерные импульсы, пространственная длина которых соизмерима с эффективной толщиной структуры (1 ~ те. Это означает, что масштаб характерных спектральных особенностей фотоннокристаллической структуры ДП совпадает со спектральной шириной лазерного импульса Да;. В работе использован фемтосекундный лазер (А = 1.56 мкм) с длительностью импульсов т ~ 130 фс и частотой повторения 70 МГц.

В случае толстой пластины, когда в, » те, на выходе из структуры будет основной вышедший импульс и серия его переотражений. В силу невзаимности эффекта Фарадея угол вращения плоскости поляризации в каждом п-ом переотражении будет увеличиваться Ф = Ф0(п+ 1). Это было обнаружено экспериментально для пластины гадолиний-галлиевого граната толщиной 11 мкм на ЗЮ2 подложке толщиной 500 мкм см. 8.

. 8(100

Время (фс) 8100 8200 8300

8400

-5 4 го

о.

|_

к 3

ш

сг

го

о.

го 2 §

^ 1

• основной импульс ° переотражение

°00ооо0о0ооо°

о о

° о О О о О

I

0

1300

1700

1400 1500 1600

Время (фс)

Рис. 8: Экспериментальное обнаружение зависимости эффекта Фарадея от времени при распространении лазерного импульса, длительностью т ~ 100 фс

Результаты расчета временного отклика модифицированным методом

матриц распространения показали, что наиболее интересные эффекты имеют место при интерференции основного импульса и его переотражений. В этом режиме зависимость угла Фарадея от времени при распространении фемто-секундиого лазерного импульса оказывается быстрее линейной, возрастание или убывание зависимости определяется положением несущей частоты относительно спектральных особенностей (интерференционных максимумов или минимумов) структуры.

Основные результаты и выводы

Исследования, проведенные в рамках диссертационной работы, посвящены экспериментальному изучению оптических и магнитооптических эффектов в наноструктурах и фотонных кристаллах. Приведены результаты экспериментального обнаружения резонансных особенностей оптического и магнитооптического откликов таких структур, а также результаты численных расчетов.

В рамках диссертационной работы получены следующие основные результаты:

1. Обнаружено усиление локального оптического поля вблизи микрочастиц 5г'02 диаметром 2 мкм и 3.44 мкм, частично покрытых наночастицами серебра диаметром 30 им с относительной долей покрытия ~ 10%. Индикатором усиления локального оптического поля служил сигнал люминесценции водного раствора красителя родамина 6Ж, в который были помещены изучаемые частицы, захваченные с помощью лазерного пинцета. Для частиц диаметром 2 мкм обнаружено усиление люминесценции на 10% по сравнению с фоновым сигналом. Для частиц диаметром 3.44 мкм обнаружен дополнительный механизм усиления люминесценции благодаря резонансам Ми

2. При контролируемом сближении пары микрочастиц БЮ2 диаметром 2 мкм, частично покрытых наночастицами серебра диаметром 30 им, па расстояния порядка 30 нм с помощью двулучевого лазерного пинцета обнаружено усиление люминесценции в 2 раза. Это обусловлено усилением локального оптического поля вблизи металлических ианочастиц, покрывающих микрочастицы. Взаимодействие захваченных частиц друг с другом при их сближении приводит к резонансному усилению оптического поля в зазоре между ними, сопровождающемуся вспышками люминесценции в 2.6 раза сильнее фонового значения

3. Методом фотонно-силовой лазерной микроскопии измерена величина силы, действующей на захваченную микрочастицу (с/ = 2 мкм), частично покрытую металлическими наночастицами (d — 30 нм) и погруженную в водный раствор красителя родамина 6Ж, при облучении захваченной частицы лазерным излучением. Величина такой силы составляет 40 фН при мощности зондирующего лазерного излучения 1 мкВт и длине волны А = 532 нм. При мощности лазерного излучения 1600 мкВт обнаружены силовые флуктуации до 400 фН, коррелирующие с флуктуациями усиления люминесценции. Это может быть интерпретировано, как результат оптической отдачи при плазмонно-усиленной люминесценции вблизи металлических наночастиц, покрывающих захваченную микрочастицу

4. Продемонстрирована возможность возбуждения поверхностных плазмон поляритонов в одномерных и двумерных никелевых структурах при соблюдении условий фазового синхронизма между компонентной падающей объемной волны, волновым вектором поверхностного плазмоиа и вектором обратной решетки структуры. Обнаружен резонансный провал в спектрах отражения таких структур, соответствующий возбуждению поверхности пых плазмонов. Характерная спектральная ширина особенности составляет ДА ~ 20 нм на длине волны А ~ 600 нм

5. Обнаружены резонансные особенности в спектральных зависимостях экваториального эффекта Керра, коррелирующие со спектральными особенностями коэффициентов отражения в двумерных и одномерных периодических никелевых наноструктурах. Для одномерных структур резонансная особенность в спектральной зависимости магнитооптического эффекта Керра составила 2 ■ Ю-3, что в 20 раз превышает соответствующее значение эффекта для гладкой поверхности никеля на той же длине волны (А = 620 нм)

6. Методом матриц распространения проведен расчет оптических и магнитооптических свойств одномерных фотошто-кристаллических структур с учетом дисперсионных свойств материалов слоев. Для фотонных кристаллов с 11 слоями показано усиление эффекта Фарадея на длинноволновом краю фотонной запрещенной зоны в 6.5 раз по сравнению с однородной пластиной Bi:YIG такой же толщины. Проведена аппроксимация результатов экспериментального измерения величины эффекта Фарадея в таких структурах. Рассмотрены механизмы усиления эффекта Фарадея в одномерных фотонных кристаллах и микрорезонаторах, связанные с пе-

рераспределением пространственной локализации оптического поля в слоях структур. Показано, что усиление эффекта Фарадея наблюдается при условии максимумов стоячей электромагнитной волны в магнитных слоях структуры, что имеет прямую аналогию с эффектом Боррмална для кристаллов. По результатам численных расчетов также обнаружена нелинейная зависимость фарадеевского угла от толщины фотонного кристалла

7. Экспериментально обнаружена зависимость фарадеевского угла от времени при прохождении ультракороткого лазерного импульса длительностью ~ 100 фс через тонкие пленки гадолиний-галлиевого граната с толщинами d — 11 мкм и d = 30 мкм. С помощью модифицированного метода матриц распространения показано влияние резонансных спектральных особенностей тонких пленок и фотонно-кристаллических структур на динамику эффекта Фарадея для ультракоротких лазерных импульсов.

Список цитируемой литературы

[1] Tsvi Tlusty, Amit Meller, Roy Bar-Ziv. Optical gradient forces of strongly localized fields//Phys. Rev. Lett. Aug 1998. T.81, C. 1738-1741.

[2] G. Romano, L. Sacconi, M. Capitanio, F. S. Pavone. Force and torque measurements using magnetic micro beads for single molecule biophysics// Opt. Comm. 2002. T. 215, C. 323-331.

[3] Jens-Christian Meiners, Stephen R. Quake. Femtonewton force spectroscopy of single extended dna molecules//Phys. Rev. Lett. May 2000. T. 84, C. 50145017.

[4] A. A. Grunin, A. G. Zhdanov, В. B. Tsema, A. A. Ezhov, Т. V. Dolgova, E. A. Ganshina, M. H. Hong, A. A. Fedyanin. Magneto-optical response enhancement in Id and 2d magnetoplasmonic crystals//Proceedings of SPIE. 2009. T. 7353, C. 73530F-1-73530F-10.

[5] V. I. Belotelov, I. A. Akimov, M. Pohl, V. A. Kotov, S. Kasture, A. S. Vengurlekar, Achanta Venu Gopal, D. R. Yakovlev, A. K. Zvezdin, M. Bayer. Enhanced magneto-optical effects in magnetoplasmonic crystals // Nature Nanoteclinology. 2011. T.6, C. 370-376.

[6] D.S. Bethune. Optical harmonic generation and mixing in multilayer media: analysis using optical transfer matrix techniques// J. Opt. Soc. Am. B. 1989. T. 6, C. 910.

[7] А. Takayama, М. Egawa, К. Nisimura, М. Inoue, Н. Kato. Theoretical analysis of optical and magneto-optical properties of one-dimensional magnetophotonic crystals// Joum. of Appl. Phys. 2003. T.93, C.3906.

[8] J.M. Robertson, S. Wittekoek, P.F. Bonguers. Magneto-optic spectra and the dielectric tensor elements of bismuth-substituted iron garanets at photon energies between 2.2-5.2 ev//Phys. Rev. B. 1975. T. 12, C.2777.

Содержание диссертации отражено в следующих основных работах:

[1] A. Zhdanov, М.Р. Kreuzer, S. Rao, A. Fedyanin, R. Quidant, D. Petrov. Detection of plasmon-enhanced luminescence fields from an optically manipulated pair of partially metal covered dielectric spheres // Opt. Lett. 2008. T. 33, C. 2749 - 2751.

[2] A. Zhdanov, S. Rao, A. Fedyanin, D. Petrov. Experimental analysis of recoil effects induced by fluorescence photons // Phys. Rev. E. 2008. T. 80, C. 046602-1 - 046602-7.

[3] A.B. Khanikaev, A.B. Baryshev, P.B. Lim, H. Uchida, M. Inoue, A.G. Zhdanov, A.A. Fedyanin, A.I. Maydykovskiy, O.A. Aktsipetrov. Nonlinear Verdet law in magnetophotonic crystals: interrelation between Faraday rotation and Borrmann effect-dimensional photonic crystals // Phys. Rev. B. 2008. T. 78, C. 193102-1 - 193102-4.

[4] A.G. Zhdanov, A.A. Fedyanin, O.A. Aktsipetrov, D. Kobayashi, H. Uchida, M. Inoue. Enhancement of Faraday rotation at photonic-band-gap edge in garnet-based magnetophotonic crystals //J. Magn. Magn. Mater. 2006. T. 300, C. e253 - e256.

[5] A. A. Grunin, A. G. Zhdanov, A. A. Ezhov, E. A. Ganshina, A. A. Fedyanin. Surface-plasmon-induced enhancement of magneto-optical Kerr effect in allnickel subwavelength nanogratings // Appl. Phys. Lett. 2010. T. 97, C. 2619081 - 261908-3.

Подписано в печать: 10.11.11

Объем: 1,5 усл.п.л. Тираж: 100 экз. Заказ № 786 Отпечатано в типографии «Реглет» 119526, г. Москва, пр-т Вернадского,39 (495) 363-78-90; www.reglet.ru

Введение

Глава I

Резонансные эффекты и способы их изучения в наноструктурах и фотонных кристаллах

1. Магнитооптические свойства однородной среды.

1.1. Тензор диэлектрической проницаемости прозрачной среды.

1.2. Собственные моды.

1.3. Магнитооптические явления.

2. Резонансные оптические и магнитооптические эффекты, вызванные локальными и поверхностными плазмон-полярито-нами.

2.1. Локальные плазмоны в металлических наночастицах

2.2. Поверхностные плазмон-поляритоны на границе раздела металл-диэлектрик.

2.2.1. Понятие аномалии Вуда.

2.2.2. Экстраординарное оптическое пропускание.

2.3. Усиление магнитооптического эффекта Керра локальными плазмонами.

3. Резонансные оптические и магнитооптические эффекты в тонких пленках и одномерных фотонных кристаллах.

3.1. Оптические эффекты в тонких пленках.

3.1.1. Многолучевая интерференция плоской монохроматической волны в тонкой пленке.

3.1.2. Матричный метод расчета многослойных микроструктур

3.2. Микроструктуры с фотонной запрещенной зоной.

3.2.1. Фотонные кристаллы.

3.2.2. Фотонные микрорезонаторы.

3.2.3. Магнитные фотонные кристаллы и микрорезонаторы

3.3. Сверхбыстрая динамика резонансных оптических и магнитооптических эффектов.

3.3.1. Кросс-корреляционные методики детектирования ультракоротких лазерных импульсов.

3.3.2. Методика накачки-зондирования.

3.3.3. Исследования в области сверхбыстрой магнитооптики.

4. Метод оптического пинцета для изучения мирообъектов. . 53 4.1. Принцип работы оптического пинцета.

4.1.1. Понятие оптического пинцета и принцип его действия.

4.1.2. Принципиальная схема установки оптического пинцета.

4.1.3. Оценка величин сил, действующих на микрочастицу

4.1.4. Последовательная теория сил, действующих на микрочастицу в оптической ловушке.

4.1.5. Особенности калибровки многолучевого оптического пинцета.

4.1.6. Типичные применения оптического пинцета.

Глава II

Локальное усиление оптического поля вблизи одиночных микро- и наночастиц

1. Усиление оптического поля вблизи микро- и наночастиц

1.1. Экспериментальные образцы.

1.2. Описание экспериментальной установки.

1.3. Калибровка экспериментальной установки.

1.3.1. Теоретические основы калибровки установки оптического пинцета.

1.3.2. Результаты калибровки.

1.4. Локальное усиление оптического поля одиночными частицами.

1.4.1. Подбор интенсивности накачки.

1.4.2. Плазмонное усиление оптического поля.

1.4.3. Резонансы Ми в одиночных микрочастицах

1.5. Коллективные эффекты.

2. Силовые эффекты при резонансном усилении оптического поля вблизи наночастиц.

2.1. Описание экспериментальной установки.

2.2. Наблюдение смещения захваченной частицы под действием дополнительного излучения.

2.3. Зависимость смещения захваченной частицы от мощности накачки.

2.4. Корреляции смещения частицы и интенсивности люминесценции красителя.

Глава III

Возбуждение поверхностных плазмон-поляритонов в магнитоплазмонных наноструктурах

1. Магнитооптические эффекты, вызванные возбуждением поверхностных плазмон-поляритонов.

2. Усиление магнитооптического меридионального эффекта Керра поверхностными плазмон-поляритонами.

3. Экспериментальных образцы.

3.1. Структуры с одномерным упорядочением.

3.2. Структуры с двумерным упорядочением.

4. Схема экспериментальной установки для оптической и магнитооптической спектроскопии.

5. Оптические резонансные особенности.

5.1. Образцы с одномерным упорядочением.

5.2. Образцы с двумерным упорядочением.

6. Магнитооптические резонансные особенности.

6.1. Образцы с одномерным упорядочением.

6.2. Образцы с двумерным упорядочением.

Глава IV

Резонансное усиление эффекта Фарадея в одномерных магнитофотонных кристаллах

1. Усиление эффекта Фарадея в магнитофотонных кристаллах

1.1. Предварительные расчеты.

1.2. Сравнение с экспериментальными результатами.

1.2.1. Экспериментальные образцы.

1.2.2. Результаты спектроскопии оптических и магнитооптических свойств.

1.2.3. Аппроксимация результатов эксперимента

1.3. Анализ численных результатов.

1.3.1. Локализация поля в магнитных слоях.

1.3.2. Сравнение магнитных фотонных кристаллов и микрорезонаторов.

2. Сверхбыстрая динамика эффекта Фарадея в фотоннокристаллических структурах.

2.1. Предварительные оценки.

2.2. Экспериментальная методика измерения временной зависимости оптического пропускания и эффекта Фарадея

2.2.1. Экспериментальная установка.

2.2.2. Экспериментальная установка для магнитооптических измерений.

2.2.3. Интерпретация результатов кросс-корреляционных измерений.

2.3. Экспериментальные образцы и их характеризация

2.4. Экспериментальные результаты.

2.4.1. Пленка толщиной 11 мкм.

2.4.2. Пленка толщиной 30 мкм.

2.5. Численные расчеты временной зависимости оптического и магнитооптического отклика фотоннокри-сталлических структур.

Диссертационная работа посвящена экспериментальному изучению оптических и магнитооптических эффектов в наноструктурах и фотонных кристаллах, вызванных воздействием лазерного излучения. Основной задачей работы является подбор экспериментальных техник и экспериментальное изучение резонансных оптических и магнитооптических эффектов в наноструктурах различной размерности: металлических нано-частицах, периодически напоструктурированных поверхностей металла и многослойных диэлектрических структур (фотонных кристаллов) в видимом, ближнем ИК, ближнем УФ диапазонах.

Резонансное усиление оптических и магнитооптических эффектов в наноструктурах различной размерности обусловлено различными механизмами. В случае нуль-мерных металлических наноструктур (наноча-стицы) усиление оптических эффектов обусловлено возбуждением локальных плазмонов. Оптическое поле вблизи таких частиц многократно усиливается в области пространства сопоставимой с размерами частицы. Оптическая частота резонанса обусловлена размерами частиц, материалом частиц и их окружением. Плазмонный резонанс крайне чувствителен к ближайшему окружению частиц и может применяться, в частности, в различных химических сенсорах для детектирования ультрамалых концентраций веществ. Наиболее яркие плазмонные эффекты наблюдаются на наночастицах благородных металлов: серебра и золота. Для экспериментального наблюдения плазмонного усиления локального поля вблизи одиночных металлических наночастиц неообходимо зафиксировать частицу в пространстве и поместить в область частицы невоз-мущающий зонд. Уникальной экспериментальной методикой, позволяющей работать с одиночными микро- и нанообъектами, является метод лазерного (оптического) пинцета. Кроме того, что этот метод позволяет зафиксировать одиночный микрообъект в пространстве с помощью жестко сфокусированного лазерного пучка, он также позволяет измерять силы порядка нескольких фемтоньютонов. Таким образом, применив данный метод для изучения одиночных наночастиц, можно пронаблюдать также и корреляцию усиления оптического поля с оптической силовой отдачей, обусловленной неоднородностью усиления локального поля. Кроме того, применяя метод фотонно-силовой микроскопии, можно провести прямую спектроскопию плазмонных свойств нано- и микрообъектов по величине силового взаимодействия исследуемого объекта с лазерным излучением калиброванной интенсивности, что невозможно сделать любыми другими методами.

Резонансные оптические эффекты в двумерных металлических наноструктурах, т.е. наноструктурированных поверхностях металлов, обусловлены резонансным возбуждением поверхностных плазмон-поляри-тонов. Резонансное возбуждение происходит при условии фазового синхронизма между тангенциальной составляющей падающей электромагнитной волны, векторов обратной решетки периодической структуры поверхности и волнового вектора поверхностного плазмон-поляритопа. Эти условия выражаются в резонансных особенностях частотно-угловых спектров коэффициента отражения подобных структур. По аналогии с фотонными кристаллами (многослойными диэлектрическими структурами) подобные структуры могут быть названы двумерными плазмон-ными кристаллами. Намагниченность такой наноструктуры приводит также к резонансным особенностям в спектрах магнитооптических эффектов. Как и для наночастиц наиболее удобными материалами являются серебро и золото. С другой стороны, эти материалы не обладают ферро- или ферримагнитным упорядочением, следовательно, не проявляют магнитооптических эффектов. Магнитные материалы, обладают большим поглощением на длине волны оптического диапазона, длина пробега поверхностного плазмона мала, следовательно эффективность резонансного возбуждения поверхностного плазмона на периодически структурированной металлической поверхности мала. Возможным компромиссом между эффективностью резонансного возбуждения поверхностных плазмонов и величиной магнитооптических эффектов является рассмотрение никеля.

Фотонными кристаллами называются одно- двух- или трехмерные периодические структуры с характерным пространственным периодом порядка длины волны электромагнитного излучения видимого, ближнего УФ или ближнего ИК диапазонов. Как правило, такие структуры являются прозрачными для оптического излучения. При наличии ферро- или ферримагнитных компонентов, такие фотонные кристаллы также называют магнитофотонными. В работе рассмотрены одномерные магнитофотонные кристаллы. В таких структурах проявляются оптические резонансы подобные резонансам Фабри-Перо, возникающие благодаря многократному отражению оптической волны в слоях структуры и многолучевой интерференции. Оптические спектры коэффициентов отражения и пропускания могут быть описаны на языке фотонной запрещенной зоны по аналогии с электронной запрещенной зоной для обычных кристаллов в физике твердого тела. Наличие ферро-или ферримагнитого упорядочения в слоях такой структуры приводит к появлению аксиально-симметричных недиагональных компонент тензоров диэлектрической проницаемости соответствующих слоев структуры. Аксиальная симметрия обуславливает нечетность инверсии по времени, что приводит к невзаимным магнитооптическим эффектам, таким как эффект Фарадея. В магнитофотонных кристаллах эффект Фарадея может значительно усиливаться по сравнению с однородной пластиной за счет конструктивной многолучевой интерференции благодаря невзаимной природе эффекта. Резонансные условия усиления эффекта Фарадея в магнитофотонных кристаллах могут быть выражены и в терминах фотонной запрещенной зоны и закона дисперсии. Угол фарадеевского вращения плоскости поляризации благодаря невзаимности эффекта может рассматриваться как часы, отсчитывающие время взаимодействия излучения с веществом. Таким образом, замедление групповой скорости может интерпретироваться как увеличение времени взаимодействия излучения с веществом, с одной стороны, и как увлечение числа проходов в структуре за счет многократных переотражений в слоях структуры, с другой стороны. И то, и другое приводит к частотно-угловому резонансу магнитооптического эффекта Фарадея. Особенности динамики распространения ультракоротких лазерных импульсов и сверхбыстрой динамики эффекта Фарадея служат дополнительным подтверждением подобных механизмов усиления в многослойных фотонных структурах.

Итак, в нуль-мерных наноструктурах (металлические наночастицы) оптические резонансы обусловлены возбуждением локальных плазмо-нов, в двумерных и квазитрехмерных наноструктурах (нанострукту-рированные поверхности металлов) оптические резонансы обусловлены возбуждением поверхностных плазмон-поляритонов. В случае одномерных магнитофотонных кристаллов имеют место резонансы схожие с резонансами Фабри-Перо, вызванные многолучевой интерференцией в слоях структуры. При наличии магнитного материала также возникает усиление магнитооптических эффектов.

Целью диссертационной работы является экспериментальное обнаружение, изучение и систематизация резонансных оптических и магнитооптических эффектов в наноструктурах различной размерности и фотонных кристаллах, вызванных структурной дисперсией образца.

Актуальность работы заключается в фундаментальном интересе к механизмам оптических резонансов и резонансному усилению магнитооптических эффектов в наноструктурах и фотонных кристаллах. Растущий интерес к плазмонным наноструктурам и наночастицам сопровождается большим количеством работ в этой области, однако, малоохва-ченной областью, остается магнитоплазмоника, т.е. изучение резонансов магнитооптических эффектов имеющих плазмонную природу. Что касается плазмон-активных наночастиц, то работ, посвященных изучению одиночных наночастиц сравнительно мало. Фотонные кристаллы, особенно одномерные изучены сравнительно хорошо, однако, детальное объяснение механизмов усиления эффекта Фарадея в магнитофотонных кристаллах, основанное на анализе пространственного распределения оптического поля в структуре и ее дисперсионных свойств, как и анализ сверхбыстрой временной динамики эффекта в литературе отсутствует.

Практическая ценность работы заключается:

• в экспериментальной демонстрации использования метода лазерного пинцета в качестве средства диагностики и прямой силовой спектроскопии плазмонных свойств одиночных объектов размером от сотен нанометров до нескольких микрон;

• в экспериментальной демонстрации возможности возбуждения поверхностных плазмон-поляритонов на наноструктурированной поверхности никеля и возможности управления резонансными особенностями как в оптическом, так и в магнитооптическом отклике меняя угол поворота образца либо угол падения и длину волны используемого излучения;

• в результатах численных расчетов оптимальных с точки зрения усиления эффекта Фарадея магнитофотонных структур и анализа динамики распространения ультракоротких лазерных импульсов в них с учетом динамики плоскости поляризации, т.е. эффекта Фарадея.

Научная новизна работы заключается в следующем:

• Обнаружен парный эффект плазмонного усиления оптического поля между одиночными наночастицами. Методом лазерного пинцета, совмещенного с конфокальной схемой спектроскопии измерена зависимость усиления оптического поля от расстояния между плазмон-активными объектами.

• Обнаружен эффект силовой отдачи, вызванной неоднородным резонансным усилением оптического поля сфокусированного лазерного излучения вблизи захваченного микрообъекта.

• Продемонстрировано возбуждение поверхностных плазмон-поля-ритонов на наноструктурированной поверхности никеля. Измерены серии частотно-угловых спектров экваториального магнитооптического эффекта Фарадея, показано резонансное плазмонно-индуцированное усиление магнитооптического отклика.

• С помощью метода матриц распространения проведен расчет одномерных магнитофотонных структур. Показана связь между дисперсионными свойствами таких структур, пространственным распределении оптического поля в них и резонансным усилением оптических и магнитооптических свойств

• Численно рассчитаны временные зависимости фарадеевского угла для магнитофотонных структур. Показаны временные особенности оптического и магнитооптического откликов на временах порядка нескольких фемтосекунд. На примере однородных пластин феррит-граната экспериментально обнаружена зависимость эффекта Фарадея от времени

Научные положения и результаты, выносимые на защиту:

• В зазоре между двумя одиночными микрочастицами, частично покрытыми металлическими наночастицами и помещенными в раствор красителя, происходит усиление локального оптического поля, приводящее к резонансному усилению люминесценции красителя. Резонансы усиления локального оптического поля обусловлены взаимодействием локальных плазмонов в соседних наночастицах

• При неоднородном резонансном усилении оптического поля лазерного излучения вблизи плазмон-активной микрочастицы, помещенной в краситель, возникает эффект силовой отдачи благодаря плазмонному усилению люминесценции. Величина силы, действующей на микрочастицу составляет порядка 100 фН при мощности лазерной накачки 1600 мкВт

• Резонансное возбуждение поверхностных плазмон-поляритонов на периодически структурированной поверхности никеля при выполнении условий фазового синхронизма между падающим излучением, поверхностным плазмоном и вектором обратной решетки структуры, приводит к появлению резонансных особенностей в спектрах экваториального магнитооптического эффекта Керра

• На длинноволновом краю фотонной запрещенной зоны магни-тофотонного кристалла наблюдается усиление эффекта Фарадея, вызванное многолучевой интерференцией. При этом пучности стоячей электромагнитной волны имеют место в магнитных слоях структуры, имеющих больший коэффициент преломления. При смене контраста структуры, пучности электромагнитной волны локализуются в магнитных слоях при длине волны излучения, соответствующей коротковолновому краю фотонной запрещенной зоны. При этом усиление эффекта Фарадея наблюдается также на коротковолновом краю фотонной запрещенной зоны. Усиление эффекта Фарадея коррелирует с локализацией оптического поля в магнитных слоях структуры и может рассматриваться как магнитооптический аналог эффекта Боррманна

• Угол фарадеевского вращения в одномерных фотонных кристаллах нелинейно зависит от числа слоев структуры благодаря росту добротности резонансов многолучевой интерференции с ростом числа слоев структуры. Это может рассматриваться как нелинейный закон Верде для фотоннокристаллических структур

• Угол фарадеевского вращения при распространении ультракоротких лазерных импульсов через тонкие пленки и фотоннокристаллические структуры зависит от времени. Характер зависимости определяется соотношением длины импульса и толщины структуры, а также спектральным положением несущей частоты лазерного импульса относительно спектральных резонансных особенностей структуры

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, содержащего выводы, списка литературы и 3-х приложений. Основная часть работы имеют следующую структуру:

Заключение

Исследования, проведенные в рамках диссертационной работы, посвящены экспериментальному изучению оптических и магнитооптических эффектов в наноструктурах и фотонных кристаллах. Приведены результаты экспериментального обнаружения резонансных особенностей оптического и магнитооптического откликов таких структур, а также результаты численных расчетов.

В рамках диссертационной работы получены следующие основные результаты:

1. Обнаружено усиление локального оптического поля вблизи микрочастиц вЮъ диаметром 2 мкм и 3.44 мкм, частично покрытых наночастицами серебра диаметром 30 нм с относительной долей покрытия ~ 10%. Индикатором усиления локального оптического поля служил сигнал люминесценции водного раствора красителя родамина 6Ж, в который были помещены изучаемые частицы, захваченные с помощью лазерного пинцета. Для частиц диаметром 2 мкм обнаружено усиление люминесценции на 10% по сравнению с фоновым сигналом. Для частиц диаметром 3.44 мкм обнаружен дополнительный механизм усиления люминесценции благодаря резонансам Ми

2. При контролируемом сближении пары микрочастиц диаметром 2 мкм, частично покрытых наночастицами серебра диаметром 30 им, на расстояния порядка 30 нм с помощью двулучевого лазерного пинцета обнаружено усиление люминесценции в 2 раза. Это обусловлено усилением локального оптического поля вблизи металлических наночастиц, покрывающих микрочастицы. Взаимодействие захваченных частиц друг с другом при их сближении приводит к резонансному усилению оптического поля в зазоре между ними, сопровождающемуся вспышками люминесценции в 2.6 раза сильнее фонового значения

3. Методом фотонно-силовой лазерной микроскопии измерена величина силы, действующей на захваченную микрочастицу (с? = 2 мкм), частично покрытую металлическими наночастицами (с1 = 30 нм) и погруженную в водный раствор красителя родамина 6Ж, при облучении захваченной частицы лазерным излучением. Величина такой силы составляет 40 фН при мощности зондирующего лазерного излучения 1 мкВт и длине волны А = 532 нм. При мощности лазерного излучения 1600 мкВт обнаружены силовые флуктуации до 400 фН, коррелирующие с флуктуациями усиления люминесценции. Это может быть интерпретировано, как результат оптической отдачи при плазмонно-усиленной люминесценции вблизи металлических наночастиц, покрывающих захваченную микрочастицу

4. Продемонстрирована возможность возбуждения поверхностных плазмон поляритонов в одномерных и двумерных никелевых структурах при соблюдении условий фазового синхронизма между компонентной падающей объемной волны, волновым вектором поверхностного плазмона и вектором обратной решетки структуры. Обнаружен резонансный провал в спектрах отражения таких структур, соответствующий возбуждению поверхностных плазмо-нов. Характерная спектральная ширина особенности составляет АА ~ 20 нм на длине волны А ~ 600 нм

5. Обнаружены резонансные особенности в спектральных зависимостях экваториального эффекта Керра, коррелирующие со спектральными особенностями коэффициентов отражения в двумерных и одномерных периодических никелевых наноструктурах. Для одномерных структур резонансная особенность в спектральной зависимости магнитооптического эффекта Керра составила 2 • Ю-3, что в 20 раз превышает соответствующее значение эффекта для гладкой поверхности никеля на той же длине волны (А = 620 нм)

6. Методом матриц распространения проведен расчет оптических и магнитооптических свойств одномерных фотонно-кристаллических структур с учетом дисперсионных свойств материалов слоев. Для фотонных кристаллов с 11 слоями показано усиление эффекта Фарадея на длинноволновом краю фотонной запрещенной зоны в 6.5 раз по сравнению с однородной пластиной Ві:УЮ такой же толщины. Проведена аппроксимация результатов экспериментального измерения величины эффекта Фарадея в таких структурах. Рассмотрены механизмы усиления эффекта Фарадея в одномерных фотонных кристаллах и микрорезонаторах, связанные с перераспределением пространственной локализации оптического поля в слоях структур. Показано, что усиление эффекта Фарадея наблюдается при условии максимумов стоячей электромагнитной волны в магнитных слоях структуры, что имеет прямую аналогию с эффектом Боррманна для кристаллов. По результатам численных расчетов также обнаружена нелинейная зависимость фарадеев-ского угла от толщины фотонного кристалла

7. Экспериментально обнаружена зависимость фарадеевского угла от времени при прохождении ультракороткого лазерного импульса длительностью ~ 100 фс через тонкие пленки гадолиний-галлиевого граната с толщинами сі = 11 мкм и сі — 30 мкм. С помощью модифицированного метода матриц распространения показано влияние резонансных спектральных особенностей тонких пленок и фотонно-кристаллических структур на динамику эффекта Фарадея для ультракоротких лазерных импульсов.

Результаты диссертационной работы опубликованы в работах: [64, 65,77,83-86].

1. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М., Электродинамика сплошных сред. — Москва: Наука, 1982.

2. А.К. Звездин, В.А. Котов, Магнитооптика тонких пленок. -Москва: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1988.

3. Т. Imamura, К. Matsumoto, М. Inoue, М. Gomi, Т. Fujii, Convenient spectrum measurement of magneto-optic Faraday effect utilizing off-crossed polarization//J. Appl. Phys. 1994.- Vol. 33, p. L679.

4. J. M. Pitarke, V. M. Silkin, E. V. Chulkov, P. M. Echenique, Theory of surface plasmons and surface-plasmon polaritons//Rep. Prog. Phys. 2007. - Vol. 70, p. 1-87.

5. H. R. Raether, Surface plasmons on smooth and rough surfaces and on gratings. Berlin: Springer, 1998.

6. R.W.Wood, Anomalous diffraction gratings//Phys. Rev. 1935.- Vol. 48, p. 928-936.

7. S. I. Bozhevolnyi, J. Erland, K. Leosson, P. M. W. Skovgaard, J. M. Hvam, Waveguiding in surface plasmon polariton band gap structures //Phys. Rev. Lett.- 2001.- Vol.86, p. 308.

8. S. I. Bozhevolnyi, V. Coello, Elastic scattering of surface plasmon polaritons: Modeling and experiment//Phys. Rev. B- 1998.- Vol. 58, p. 10 899.

9. S. I. Bozhevolnyi, V. S. Volkov, K. Leosson, A. Boltasseva, Bend loss in surface plasmon polariton band-gap structures// Appl. Phys. Lett.— 2001,- Vol.79, p. 1076.

10. T. W. Ebbesen, H. J. Lezec, H. F. Ghaemi, T. Thio, P. A. Wolff, Extraordinary optical transmission through sub-wavelength hole arrays //Nature- 1998. Vol. 391, p. 667.

11. J. Bravo-Abad, A. Digiron, F. Przybilla, C. Genet, F. J. Garcia-Vidal, L. Martin-Moreno, T. W. Ebbesen, How light emerges froman illuminated array of subwavelength holes// Nature Physics- 2006.— Vol. 2, p. 120.

12. M. Sarrazin, J. Vigneron, J. Vigoureux, Role of Wood anomalies in-optical properties of thin metallic films with a bidimensional array of subwavelength holes//Phys.Rev.B- 2003.- Vol.67, p. 085415.

13. S. U. Jen, К. C. Chen, Enhancement of polar Kerr effect by forming Au nanoparticles on Ni surface// J. Appl. Phys.- 2005.- Vol.97, p. 10M311.

14. S. Tomita, T. Kato, S. Tsunashima, S. Iwata, M. Fujii, S. Hayashi, Magneto-optical Kerr effects of yttrium-iron garnet thin films incorporating gold nanoparticles//Phys. Rev. Lett.- 2006.- Vol.96, p.167402.

15. C.A. Ахманов, С.Ю. Никитин, Физическая оптика. Москва: Наука, 2004.

16. D.S. Bethune, Optical harmonic generation and mixing in multilayer media: analysis using optical transfer matrix techniques// J. Opt. Soc. Am. B- 1989.- Vol.6, p. 910.

17. H. Kato, T. Matsushita, A. Takayama, M. Egawa, K. Nisimura, M. Inoue, Theoretical analysis of optical and magneto-optical properties of one-dimensional magnetophotonic crystals// J. Appl. Phys. 2003.• Vol. 93, p. 3906.

18. A.G. Zhdanov, A.A. Fedyanin, T.V. Dolgova, A.V. Baryshev, A.B. Khanikaev, H. Uchida, M. Inoue, Wood's anomaly in two-dimensional plasmon-assisted magnetophotonic crystals//Proc. of SPIE- 2007.-Vol. 6728, p. 67282v2-l.

19. A.A. Fedyanin, O.A. Aktsipetrov, D. Kobayashi, K. Nishimura, H. Uchida, M. Inoue, Enhanced Faraday and nonlinear magneto-optical kerr effects in magnetophotonic crystals// J. Magn. Magn. Mater.-2004. Vol. 282, p. 256.

20. S. Kahl, A.M. Grishin, Enhanced Faraday rotation in all-garnet magnetophotonic crystal//Appl. Phys. Lett. 2004.- Vol.84, p. 1438.

21. A.Yariv, P.Yeh, Optical Waves in Crystals. New York: Wiley, 1984.

22. M. Bayer, T. Gutbrod, A. Forchel, T. L. Reinecke, P. A. Knipp, R. Werner, J. P. Reithmayer, Optical demonstration of a crystal band structure formation//Phys. Rev. Lett.- 1999.- Vol. 83, p. 5374.

23. J. A. Armstrong, Measurement of picosecond laser pulse widths//Appl. Phys. Lett.- 1967,- Vol. 16, p. 10.

24. E.J. Akutowicz, On the determination of the phase of a Fourier integral //I. Trans. Amer. Math. Soc.- 1956.- Vol.83, p. 179-192.

25. R. Trebino, Е.К. Gustafson, А.Е. Siegman, Fourth-order partial-coherence effects in the formation of integrated-intensity gratings with pulsed light sources//J. Opt. Soc. Am. B- 1986.- Vol.3, p. 1295.

26. A. V. Kimel, A. Kirilyuk, P. A. Usachev, R. V. Pisarev, A. M. Balbashov, Th. Rasing, Ultrafast non-thermal control of magnetization by instantaneous photomagnetic pulses//Nature 2005.- Vol. 435, p. 03564.

27. L.P. Pitaevskii, Общая теория Ван-дер-Ваальсовых сил // ЖЭТФ — 1961.- Vol. 12, p. 1008.

28. Egberto Munin, Picosecond magneto-optical phenomena in turbid media: toward magneto-optical characterization of highly scattering biological samples//Appl. Opt.- 1997.- Vol.36, p. 2990.

29. S. R. Woodford, A. Bringer, S. Blugel, Interpreting magnetization from Faraday rotation in birefringent, magnetic media// J. Appl. Phys.2007,- Vol. 101, p. 053912.

30. G. P. Zhang, W. Hubner, Georgios Lefkidis, Yihua Bai, Thomas F. George, Paradigm of the time-resolved magneto-optical Kerr effect for femtosecond magnetism//Nature 2009.- Vol. 5, p. 499.

31. A. Ashkin, Acceleration and trapping of particles by radiation pressure //Phys. Rev. Lett.- 1970.- Vol.24, p. 156-159.

32. T.A. Nieminen, V. L. Y. Loke, G. Knoner, M. Branczyk, Toolbox for calculation of optical forces and torques//PIERS Online- 2007. Vol. 3, p. 338-342.

33. T.A. Nieminen, H. Rubinsztein-Dunlop, N.R. Heckenberg, Calculation and optical measurement of laser trapping forces on non-spherical particles//Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer 2001,- Vol. 70, p. 627-637.

34. Tsvi Tlusty, Amit Meller, Roy Bar-Ziv, Optical gradient forces of strongly localized fields//Phys. Rev. Lett.- Aug 1998.- Vol.81, p. 1738-1741.

35. Lukas Novotny, Randy X. Bian, X. Sunney Xie, Theory of nanometric optical tweezers//Phys. Rev. Lett.- Jul 1997.- Vol.79, №4.- p. 645648.

36. G. Romano, L. Sacconi, M. Capitanio, F. S. Pavone, Force and torque measurements using magnetic micro beads for single molecule biophysics//Opt. Comm.- 2002,- Vol.215, p. 323-331.

37. Chun-Cheng Huang, Chia-Fong Wang, Dalip Singh Mehta, Arthur Chiou, Optical tweezers as sub-pico-newton force transducers // Opt. Commun.- 2001,- Vol. 195, №1-4,- p. 41 48.

38. S. P. Smith, S. R. Bhalotra, A. L. Brody, B. L. Brown, E. K. Boyda, M. Prentiss, Inexpensive optical tweezers for undergraduate laboratories //Am. J. Phys.- 1999.- Vol.67, p. 26-35.

39. S. Parkin, G. Knoner, T.A. Nieminen, N.R. Heckenberg, H. Rubinsztein-Dunlop, Measurement of the total optical momentum transfer in optical tweezers//Opt. Express- 2006.- Vol. 14, p. 6963.

40. M. E. J. Friese, J. Enger, H. Rubinsztein-Dunlop, N. R. Heckenberg, Optical angular-momentum transfer to trapped absorbing particles // Phys. Rev. A- Aug 1996,- Vol. 54, №2.- p. 1593-1596.

41. Chi-Kuang Sun, Yin-Chieh Huang, Ping Chin Cheng, Hung-Chi Liu, Bai-Ling Lin, Cell manipulation by use of diamond microparticles ashandles of optical tweezers// J. Opt. Soc. Am. B- 2001.- Vol. 18, p. 1483-1489.

42. A. Ashkin, J. M. Dziedzic, J. E. Bjorkholm, S. Chu, Observation of a single-beam gradient force optical trap for dielectric particles// Opt. Lett.- 1986.- Vol.11, p. 288.

43. Jens-Christian Meiners, Stephen R. Quake, Direct measurement of hydrodynamic cross correlations between two particles in an external potential//Phys. Rev. Lett. Mar 1999. - Vol. 82, №10 - p. 2211-2214.

44. И. А. Квасников, Термодинамика и статистическая физика: теория неравновесных систем. Москва: УРСС, 2003.

45. М. Capitanio, R. Cicchi, F. S. Pavone, Continuous and time-shared multiple optical tweezers for the study of single motor proteins// Optics and Lasers in Engineering- 2007.- Vol.45, p. 450-457.

46. Stephen C. Chapin, Vincent Germain, Eric R. Dufresne, Automated trapping, assembly, and sorting with holographic optical tweezers // Opt.Expr. 2004. - Vol. 14, p. 13095-13100.

47. M. Reicherter, J. Liesener, T. Haist, H. J. Tiziani, Advantages of holographic optical tweezers// Conference Paper : European Conference on Biomedical Optics (ECBO) 2003. - Vol. 5143, p. 76-83.

48. J. Plewa, E. Tanner, D. M. Mueth, D. G. Grier, Processing carbon nanotubes with holographic optical tweezers// Opt. Express- 2004.-Vol. 12, №9.- p. 1978-1981.

49. M. D. Wang, H. Yin, R. Landick, J. Gelles, S. M. Block, Stretching DNA with optical tweezers//Biophys. J. 1997.- Vol. 72, p. 1335-1346.

50. Jens-Christian Meiners, Stephen R. Quake, Femtonewton force spectroscopy of single extended dna molecules//Phys. Rev. Lett. May 2000.- Vol.84, №21- p. 5014-5017.

51. S.M. Block, Kinesin motor mechanics: Binding, stepping, tracking, gating, and limping//Biophys. J.- 1997.- Vol.92, p. 2986-2995.

52. G. Lenormand, S. Henon, A. Richert, J. Simeon, F. Gallet, Direct measurement of the area expansion and shear moduli of the human red blood cell membrane skeleton//Biophys. J.- 2001.- Vol.81, p. 43-56.

53. P. J. H. Bronkhorst, G. J. Streekstra, J. Grimbergen, E. J. Nijhof, J. J. Sixma, G. J. Brakenhoff, A new method to study shape recovery of red blood cells using multiple optical trapping//Biophys. J.- 1995.- Vol. 69, p.1666-1673.

54. W. G. Lee, H. Bang, H. Yun, J. Lee, Junha Park, Jung Kyung Kim, Seok Chung, Keunchang Cho, Chanil Chung, Dong-Chul Han, Jun Keun Chang, On-chip erythrocyte deformability test under optical pressure// Lab Chip- 2007.- Vol. 7, p. 516-519.

55. L. Sacconi, G. Romano, R.Ballerini, M. Capitanio, M. De Pas, Three-dimensional magneto-optical trap for micro-object manipulation// Opt. Lett.- 2001.- Vol.26, p. 1359.

56. L.E. Helseth, Paramagnetic particles in an optical trap// Opt. Comm.- 2007.- Vol.276, p. 277-282.

57. W. Singer, S. Bernet, N. Hecker, M. Ritsch-Marte, Three-dimensional force calibration of optical tweezers//Journ. of Mod. Opt. 2000. - Vol. 47, p. 2921-2931.

58. Miriam W. Allersma, Frederick Gittes, Michael J. deCastro, Russell J. Stewart, Christoph F. Schmidt, Two-dimensional tracking of ncd motility by back focal plane interferometry//Biophys. J. 1998- - Vol. 74, №.- p. 1074 - 1085.

59. Keir C. Neuman, Steven M. Block, Optical trapping//Rev. Sci. Instrum.- 2004.- Vol.75, №9.- p. 2787-2809.

60. G. Volpe, Dmitri Petrov, Torque detection using brownian fluctuations //Phys. Rev. Lett.- 2006.- Vol.97, p. 210603.

61. A.G. Zhdanov, A.A. Fedyanin, O.A. Aktsipetrov, D. Kobayashi, H. Uchida, M. Inoue, Enhancement of Faraday rotation at photonic-band-gap edge in garnet-based magnetophotonic crystals // J. Magn. Magn. Mater. 2006. - Vol. 300, №253.- p. e253-e256.

62. В. E. Кочергин, А. Ю. Топоров, M. В. Валейко, Поляритоиное усиление магнитооптического эффекта Фарадея // Письма в ЖЭТФ -1998,- Vol.68, р. 376.

63. Yakov М. Strelniker, David J. Bergman, Optical transmission through metal films with a subwavelength hole array in the presence of a magnetic field//Phys. Rev. В May 1999. - Vol. 59, p. R12763-R12766.

64. A. A. Zharov, V. V. Kurin, Giant resonant magneto-optic Kerr effect in nanostructured ferromagnetic metamaterials// J. Appl.Phys.- 2007. Vol. 102, p. 123514.

65. V.I. Belotelov, L.L. Doskolovich, V.A. Kotov, A.K. Zvezdin, Magnetooptical properties of perforated metallic films // J.Magn.Magn.Mater. 2006,- Vol. 310, p. e843.

66. V.I. Belotelov, L.L. Doskolovich, V.A. Kotov, E.A. Bezus, D.A. Bykov, A.K. Zvezdin, Magnetooptical effects in the metal-dielectric gratings// Opt. Comm. 2007.- Vol. 278, p. 104.

67. V. I. Belotelov, Z. A. Volkova, L. L. Doskolovich, A. K. Zvezdin, V. A. Kotov, Magnetooptical effects in metal-dielectric plasmonic systems// Известия РАН: Физика- 2007.- Vol. 71, p. 1574.

68. V.I. Belotelov, A.K. Zvezdin, Magnetooptics and extraordinary transmission of the perforated metallic films magnetized in polar geometry// J. Magn.Magn.Mater. 2006.- Vol.300, p. e260.

69. C. Hermann, V. A. Kosobukin, G. Lampel, J. Peretti, V. I. Safarov, P. Bertrand, Surface-enhanced magneto-optics in metallic multilayer films//Phys.Rev.B- 2001.- Vol.64, p. 235422.

70. J. Bremer, V. Vaicikauskas, F. Hansteen, O. Ilunderi, Influence of surface plasmons on the Faraday effect in bismuth-substituted yttrium iron garnet films//J. Appl.Phys- 2001.- Vol. 89, p. 6177.

71. J. B. Kim, Y. H. Lu, M, H. Cho, Y. P. Lee, J. Y. Rhee, J.-H. Lee, K.-M. Ho, Diffracted magneto-optical Kerr effect of a Ni magnetic grating// Journal of Applied Physics- 2009.- Vol. 106, №9.- p. 093103.

72. A. A. Grunin, A. G. Zhdanov, A. A. Ezhov, E. A. Ganshina, A. A. Fedyanin, Surface-plasmon-induced enhancement of magneto-optical Kerr effect in all-nickel subwavelength nanogratings// Appl. Phys. Lett. 2010. - Vol. 97, №261908.- p. 261908.

73. Г.С. Кринчик, В.А. Артемьев, Магнитооптические свойства Fe, Со и Ni в ультрафиолетовой, видимой и инфракрасной областях спектра //ЖЭТФ- 1968,- Vol.26, р. 1080.

74. S. Wittekoek, J.A. Popma, J.M. Robertson, P.F. Bonguers, Magneto-optic spectra and the dielectric tensor elements of bismuth-substituted iron garnets at photon energies between 2.2-5.2 ev//Phys. Rev. B-1975. Vol. 12, p. 2777.

75. В. Г. Беспалов, С. А. Козлов, В. H. Крылов, С. Э. Путилин, Фем-тосекундиая оптика и фемтотехнологии. Санкт-Петербург: Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики, 2010.

76. A. Zhdanov, S. Rao, A. Fedyanin, D. Petrov, Experimental analysis of recoil effects induced by fluorescence photons//Phys. Rev. E— 2008.-Vol. 80, №046602.- p. 1-7.

77. A. A. Grunin, A. G. Zhdanov, A. A. Fedyanin, Self-similarity in optical response of fractal photonic quasi-crystals// Proc. of 2007. Vol. 6728, №672837.- p. 672837.