Воздействие резонансных оптических полей на низкоразмерные гетерофазные системы тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.05 ВАК РФ

Введение

Глава 1. Селективное зеркальное отражение оптического излучения на границе разреженной газовой среды

1.1. Нелинейные эффекты при резонансном лазерном возбуждении 21 атомарных паров вблизи поверхности прозрачного диэлектрика

1.1.1. Полевое уширение узких бездоплеровских резонансов

1.1.2. Самодифракция резонансного излучения при отражении от 32 селективного газового зеркала

1.1.3. Оптическое управление продольными периодическими 35 структурами вблизи границы разреженной резонансной среды

1.2. Отражение оптического излучения от тонких слоев резонансного газа

1.2.1. Интерференционное усиление и гашение бездоплеровских 43 резонансов в линейном режиме

1.2.2. Нелинейная дифракция света на решетке неустановившейся 46 поляризации в тонком слое резонансных паров

1.2.3. Модификация спектрального контура селективного 52 зеркального отражения с помощью интерференционных покрытий

1.3. Электродинамические эффекты второго порядка по плотности газа в 59 селективном зеркальном отражении

1.3.1. Отражение света потоком атомов, покидающих отражающую 60 поверхность

1.3.2. Природа "синего сдвига" бездоплеровских резонансов селективного зеркального отражения 1.3.3. Влияние поправки на локальное поле на положение резонансов селективного зеркального отражения

Глава 2. Динамика коллективных электронных возбуждений в металлических наночастицах

2.1. Генерация второй и третьей оптических гармоник в ансамблях металлических кластеров с неоднородным уширением плазменных переходов

2.1.1. Влияние неоднородного уширения на достоверность результатов измерения времени дефазировки поверхностного плазмона по автокорреляционной методике

2.1.2. Универсальная связь между линейными спектрами поглощения и результатами автокорреляционных измерений

2.2. Прожигание постоянных провалов в спектрах поглощения ансамблей металлических наночастиц

2.2.1. Селективное изменение формы и размеров частиц при лазерном воздействии

2.2.2. Моделирование формы провалов в неоднородно уширенных спектрах поглощения ансамблей металлических частиц

2.2.3. Полевое уширение спектральных провалов

2.2.4. Применение техники прожигания спектральных провалов для измерения однородных ширин и истинных времен дефазировки коллективных электронных возбуждений в металлических наночастицах в зависимости от их формы, размера и химического окружения.

Актуальность работы

Гетерофазные системы пониженной размерности в последнее время стали предметом очень активных экспериментальных и теоретических исследований. Необходимость таких исследований связана с одной стороны с тем, что физические процессы, протекающие в пространственно ограниченных системах и на границах раздела фаз играют все большую роль в современных промышленных технологиях, а с другой стороны с тем, что непосредственное использование результатов, полученных для больших объемов однородных веществ, оказывается, как правило, невозможным из-за появления в гетерфазных низкоразмерных системах новых свойств, отсутствующих у однордных веществ, из которых они состоят.

Настоящая работа посвящена воздействию резонансных оптических полей на гетерофазные системы пониженной размерности. Интерес к оптическим свойствам низкоразмерных систем связан в основном с двумя обстоятельствами. Во-первых, развитие лазерной техники привело к тому, что электромагнитные поля оптических частот по дешевизне и легкости управления начинают приближаться к полям мегагерцового диапазона, на исключительное использование которых до последнего времени опиралась традиционная электроника. В то же время, значительно более высокая частота, а следовательно, и информационная емкость оптических полей, делает их использование весьма привлекательным. Во-вторых, успехи в создании наноразмерных структур позволяют в известной мере избавиться, или, по крайней мере, значительно ослабить влияние основного недостатка оптического излучения - невозможности пространственной локализации свободных полей в области размером меньше дайны волны. Так, например, поле оптической частоты, резонансной поверхностному плазмону, локализованному в наноразмерной металлической частицы, сосредоточено, в основном, в области размером немногим большим размера самой металлической частицы, который может быть в сто раз меньше оптической длины волны.

С теоретической точки зрения системы пониженной размерности характеризуются прежде всего сильным влиянием границ, так как понижение размерности в действительности реализуется за счет сильного пространственного ограничения по определенному числу координат. Близость поверхностей раздела приводит к частым столкновениям частиц с поверхностью, что заметно усложняет теоретическое описание, делая необходимым включение в него элементарных нестационарных переходных процессов даже при описании явлений, стационарных с макроскопической точки зрения. В ряде случаев это приводит к значительному усложнению математического аппарата и необходимости подробного теоретического анализа явлений, прежде чем наблюдаемые экспериментально эффекты будут связаны с процессами, идущими на микроскопическом уровне. Таким образом, создание адекватных теоретических моделей оптических процессов в гетерофазных системах пониженной размерности и их количественный анализ были и остаются актульными проблемами теоретической физики.

Обзор литературы

Границу раздела между резонансно поглощающей газовой средой и прозрачным диэлектриком можно считать простейшим примером двумерной системы с оптическими свойствами, несводимыми к макроскопическим характеристикам прилегающих к ней трехмерных сред. В первой половине прошлого века отражение резонансного оптического излучения от границы газовой среды рассматривалось как тривиальная иллюстрация законов физической оптики [1]. Использование этого явления для изучения взаимодействия атомов между собой и с поверхностью твердого тела стало возможным лишь после экспериментального обнаружения [2] и теоретической интерпретации [2, 3] свободных от доплеровского уширения узких резонансов в спектрах отражения. Прежде всего было определено резонансное столкновительное уширение в центре атомных линий, недоступное для обычной абсорбционной спектроскопии из-за эффектов самопоглощения в оптически плотных атомарных парах [4]. Были измерены также константы ван-дер-ваальсова взаимодействия между поверхностью твердого тела и резонансно возбужденным атомом, для которых других методов измерения неизвестно [5]. В то же время неразработанность теоретического описания привела к возникновению ряда проблем и парадоксов при попытках обработки экспериментальных данных без учета таких сопутствующих обстоятельств как неэкспоненциальный характер поглощения излучения в среде, отличие локального поля от среднего, насыщение атомных переходов и взаимное влияние различных факторов, вызывающих сдвиг, уширение и деформацию спектрального контура линий селективного зеркального отражения. В первой главе настоящей диссертации излагается решение части возникших теоретических проблем, препятствовавших более широкому использованию диагностических возможностей отражательной спектроскопии разреженных газовых сред. Особое внимание уделено нелинейно-оптическим процессам при отражении резонансного оптического излучения от границы разреженной газовой среды [6], эффектам второго порядка по оптической плотности среды [7] и отражению резонансного излучения от сверхтонких слоев резонансных сред [8].

По сравнению с объемной металлической фазой малые металлические частицы, окруженные диэлектрической средой, можно считать системами нулевой размерности.

Уже при макроскопическом описании [9] были выявлены существенные отличия оптических свойств малых металлических частиц от оптических свойств протяженных трехмерных металлических тел. Резонансное поглощение и рассеяние оптического излучения металлическими частицами с размерами порядка десятков нанометров принято описывать как возбуждение локализованного поверхностного плазмона. Из-за частых столкновений электронов проводимости с поверхностью металлической частицы оптические характеристики локализованного поверхностного плазмона не могут быть выведены из макроскопических характеристик металла. Так как с точки зрения современных приложений особенно важно определение времени жизни плазмона, то на измерение имено этой характеристики были направлены основные усилия экспериментаторов. Среди использованных подходов необходимо назвать работы по исследованию изолированных металлических частиц [10], измерение оптических свойств упорядоченных массивов идентичных частиц, созданных с помощью электроннной литографии [11], и применения различных вариантов автокорреляционной методики, основанной на генерации второй и третьей гармоник падающего излучения на поверхности металлических частиц [12]. Ограничения первых двух подходов очевидны. В первом случае, при работе с одной единственной частицей отношение сигнал/шум оказывается довольно низким, что не позволяет исследовать малые частицы. Кроме того, такого рода измерения в условиях высокого вакуума до сих пор не реализованы, так что состояние поверхности металлической частицы в точности не известно. Второй метод несомненно имеет большие перспективы, но в настоящее время размер частиц также ограничен снизу величиной порядка 50 нм, так как разброс параметров более мелких частиц оказывается недопустимо большим. Следует также отметить исключительную дороговизну образцов, полученных с помощью электронной литографии. Применение автокорреляционной методики было связано с надеждой на создание относительно простого метода, позволяющего определять время жизни плазмонов в ансамблях металлических частиц, выращенных на подложках в условиях естественной самоорганизации островковой металлической пленки. Во второй главе настоящей диссертации проведен подробный теоретический анализ автокорреляционной методики, который показал, что неоднородное уширение плазмонного резонанса, связанное с разбросом резонансных частот плазмонов в разных металлических частицах из-за их различия по форме, существенно сказывается на результатах измерений и делает однозначное определение времени жизни плазмона по автокорреляционной методике невозможным. Для однозначного определения времени жизни плазмонов в малых металлических частицах мы предложили использовать технику прожигания постоянных спектральных провалов. Теоретическая модель, позволяющая извлекать параметры индивидуальных резонансное из простых оптических экспериментов с ансамблями металлических частиц, выращенных в хорошо контролируемых условиях высокого вакуума, описана в тексте диссертации. Приведены также первые результаты полученные по этой методике.

Содержание

Диссертация состоит из введения, двух глав, разделенных на пять разделов и 15 подразделов, и заключения. Первая глава посвящена селективному зеркальному отражению оптического излучения от границы разреженной газовой среды. В первом разделе первой главы излагаются результаты начатых нами в 1985 году теоретических исследований нелинейных эффектов при резонансном лазерном возбуждении атомарных паров вблизи поверхности прозрачного диэлектрика. Показано, что при повышении мощности излучения субдоплеровские резонансы селективного зеркального отражения уширяются, а их амплитуда уменьшается, причем мощность, при которой могут наблюдаться нелинейные эффекты в окрестности субдоплеровского

Основные результаты, изложенные в настоящей диссертации, докладывались на научной сессии Отделения общей физики и астрономии РАН [92], научных семинарах Отделения фотофизики и силовой оптики Государственного оптического института имени С. И. Вавилова под руководством члена-корреспондента РАН А. М. Бонч-Бруевича, научных семинарах в Физическом институте Академии наук им. П. Н. Лебедева, научных семинарах физического факультета университета в Касселе (Германия), в Институте прикладной физики при физическом факультете университета в Бонне (Германия), в Институте аэрогидродинамических исследований общества Макса Планка в Гетгангене (Германия), физического факультета университета штата Нью-Йорк в Буффало (США), а также на 13-ой Всесоюзной и 17-ой Международной конференциях по когерентной и нелинейной оптике в 1988 и в 2001 годах в Минске (Беларусь), Международной конференции по квантовой электронике (IQEC94) в 1994 году в Анахайме (США), 12-ой Международной конференции по формам спектральных линий в 1994 году в Торонто, (Канада), 10-ой Междисциплинарной конференции по лазерной науке Американского оптического общества в 1994 году в Далласе (США), 9-ой и 10-ой Международных конференциях по нерезонансному взаимодействию света с веществом в 1996 и 2000 годах в С.-Петербурге, 63-ем и 65-ом Весенних съездах немецкого физического общества в 1999 и 2001 годах в Гейдельберге и Гамбурге, 10-ом Международном симпозиуме по малым частицам и неорганическим кластерам (ISSPIC 10) в 2000 году в Атланте (США), 13-ой конференции "Мощные лазеры и их применения" (LA-13) Общества инженеров по фотооптическому приборостроению (SPIE) в 2002 году в Сан-Хосе (США) и Международной конференции по передовым лазерным технологиям (ALT-02) в 2002 году в Адельбодене, (Швейцария).

Выполнение этой работы было бы невозможно без поддержки многих моих коллег. В первую очередь я хотел бы выразить глубокую благодарность научному руководителю Отделения фотофизики и силовой оптики Государственного оптического института имени С. И. Вавилова, члену-корреспонденту Российской академии наук, профессору Алексею Михайловичу Бонч-Бруевичу за неизменную поддержку на всех этапах работы. С особым чувством я приношу свою благодарность моим старшим товарищам Валерию Васильевичу Хромову и Сергею Григорьевичу Пржибельскому, у которых я учусь физике уже более четверти века. Мне приятно также отметить интерес и энтузиазм, проявленные в совместной работе моими соавторами.

10 {

9 x 8

§ & у и" 6

§ | 5 - 4

2 о о 3 о 5 § £ 2 х • о 5. г г 1

0

0. -0-

8- -1

9

§ -2 --3

-2-10 1 2 отстройка от резонанса, нормированная на доплеровскую ширину линии поглощения

Рис. 1. Спектральный контур свободного от доплеровского уширения резонанса в спектре отражения от границы стекло - резонансный газ в области аномальной дисперсии. Доплеровская ширина превышает однородную ширину в 100 раз (кривая 1). Для сравнения - результаты обычной теории дисперсии без учета переходного процесса установления поляризации отлетающих от границы частиц (кривая 2).

Рис. 2. Насыщение и уширение центральной части спектрального контура коэффициента отражения, соответствующей максимуму кривой 1 на рис. 1. По оси ординат отложена величина Ке(/, +/,)- 21п а - = 0,01 у,

0,577. б - г,

Цифры у кривых - значения параметра насыщения (ВЕ/Лу2)2

Рис. 3. Схема распространения падающих и дифрагировавших пучков при самодифракции.

Рис. 4. Спектральная зависимость интенсивности самодифракции на границе атомарных паров цезия на переходах = = при различных концентрациях N а - ЛГ = 7»1014см*3 6- # = 3'1015см*3 в - # = 8*10,5см"3

Единицы измерения интенсивности дифрагировавшего луча /3 = /4 соответствуют дифракционной эффективности «10 5. В нижней части рисунка указаны относительные вероятности и частоты переходов Р - .

Рис. 5. Зависимость усредненной по доплеровскому контуру заселенности возбужденного состояния от расстояния от границы резонансной газовой среды О =0, г«Г.

Рис. 6. Зависимость усредненной по доплеровскому контуру заселенности возбужденного состояния от расстояния от границы резонансной газовой среды О =0, Т«г, хг1л\п\

Рис. 7. Зависимость усредненной по доплеровскому контуру заселенности возбужденного состояния от расстояния от границы резонансной газовой среды О < 0, |£2|» г » Г.

Рис. 8. Спектральная зависимость линейного коэффициента отражения света (в произвольных единицах) от тонкого слоя резонансных паров для различных толщин слоя /. Расстройка нормирована на доплеровскую ширину перехода. Однородная ширина перехода в 100 раз меньше доплеровской. (а) /=3/1/2, (Ь) 1=1 Ш.

Рис. 8 (продолжение) (с) /=2Я, (d) /=9ЛУ4.

Рис. 9. Зависимость дифракционной эффективности тонкого слоя резонансных паров от отстройки от резонанса, нормированной на доплеровскую ширину перехода. Од нородная ширина перехода в 50 раз меньше доплеровской, Г » 0,02. Разные кривые соответствуют различным толщинам слоя резонансного газа: а) I - («+3/4)Х/2, (Ь) / = (>Н-1/4)Ш, (с) / » пШ, (<1) / = («+1/2)У2, где п ~ целое число из интервала от |о/яГ| до 11/теГ|, (е) / оо.

Рис. 10. Вещественная (Ие) и мнимая (1т) части поверхностного адмиттанса, рассчитанные при отношении однородной ширины перехода к доплеровской Г = 0,01. Отстройка от резонанса с переходом в покоящемся атоме нормирована на доплеровскую ширину.

1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0

0 10 20 30 40 50

Длительность задержки, фс

Рис. 11. Нормированная теоретическая автокорреляционная функция и ее верхняя и нижняя огибающие построены для гауссовских импульсов с временной зависимостью ехр(-Г2/г2) при г = 26 фс. Оптическая частота соответствует длине волны Л = 820 нм. Горизонтальная линия, проведенная на уровне 0,125, является асимптотой для обеих огибающих.

Отношение длительности задержки к длительности импульса 0 12 3

Длительность задержки, фс

Рис. 12. Верхняя огибающем автокорреляционных функций, рассчитанных для случая, когда частота падающего излучения совпадает с частотой плазменных резонансов в металлических наночастицах a>=Q. Неоднородное уширение отсутствует Д=0. Кривые соответствуют следующим значениям безразмерного параметра Г г 0,6; 0,72; 1,2; 1,8; 2,4; 3,0; 3,6; 4,8; 6,0; 12,0. Нижняя кривая совпадает с автокорреляционной функцией лазерного импульса, которая может быть получена в нерезонансной нелинейной среде.

Рис. 13. Верхняя огибающая автокорреляционных функций, рассчитанных для случая, когда частота падающего излучения близка к собственным частотам плазменных резонансов в металлических наночастицах (&=Оо- Время жизни плазмонного возбуждения считается бесконечно большим Г = 0. Кривые соответствуют следующим значениям безразмерного параметра Ак 0,6; 0,9; 1,2; 1,5; 1,8; 2,4; 3,0; 3,6; 4,2; 4,8. Нижняя кривая совпадает с автокорреляционной функцией лазерного импульса, которая может быть получена в нерезонансной нелинейной среде.

Ширина неоднородного распределения (ГвУНМ), мэВ

8 & ж 3

5« 0 1 а й

О "

В? &

8 я

§ Л е к 2

Я 5

Я) В

I §

5 ев г * о о* С

0 2 4 6 8

Произведение неоднородной ширины Д на длительность импульса г ш 2 I 0

8 К

1 §

1Г

Рис. 14. Уширение верхней огибающей автокорреляционной функции в зависимости 01 времени дефазировки плазмона Р1 и ширины неоднородного распределения собственны? частот А в случае резонансного возбуждения ю^Оо. Кривые, напоминающие параболь (2.1.1.18) помечены величиной уширения в процентах. В скобках приведены абсолютны! величины уширения ¿¡г.

Длительность задержки, фс

Длительность задержки, фс

Рис. 15. Автокорреляционные функции, полученные от наночасгац калия (а) и, для сравнения, нерезонансный сигнал второй гармоники, полученный от нелинейного кристалла (б). Верхняя огибающая построена для тех же параметров, что и на Рис. 11. энергия фотонов, эВ

Рис. 16. Спектр экстинкции (в процентах), измеренный до и после облучения наночастиц серебра на сапфировой подложке лазерными импульсами с различной плотностью энергии от 26 до 45 мДж/см2. Вертикальная линия показывает энергию фотонов лазерного излучения.

1.0

0.5 0.0 -0.5 -1.0 -1.5

1.8 2.0 2.2 2.4 2.6 2.8 3.0 3.2 3.4 3.6 3.8 4.0 энергия фотонов, эВ

Рис. 17. Разностный спектр экстинкции (в процентах) до и после облучения лазерными импульсами с плотностью энергии 30 мДж/см2 (кружки). Сплошной линией показана теоретическая кривая (2.2.3.7), наилучшим образом подходящая к экспериментальным данным. Пунктирная и штриховая линии дают вклады четного и нечетного контуров по отдельности.

О 10 20 30 40 50 плотность энергии в импульсе, мДж/см2

Рис. 18. Зависимость эффективной ширины разностного спектра (в мэВ) от плотности энергии в импульсе лазерного излучения. Однородная ширина определяется путем линейной экстраполяции результатов измерений.

Заключение

В диссертации рассмотрено воздействие резонансных оптических полей на гетерофазные системы пониженной размерности: тонкие слои разреженных атомарных паров, ограниченные прозрачным диэлектрическим материалом, и ансамбли металлических наночастиц на диэлектрических поверхностях.