I. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ. АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ
Появление лазеров, генерирующих фемтосекундные световые импульсы, существенно расширило возможности нелинейной оптики и спектроскопии поверхности. Благодаря высокой пиковой и малой средней интенсивности импульсного излучения стало возможным надёжно измерять слабый нелинейный отклик химических и биологических объектов на поверхности. Ещё одним эффективным способом оптического исследования поверхности является использование поверхностных электромагнитных волн (ПЭВ). Использование ПЭВ в нелинейной спектроскопии позволяет получать качественную информацию о среде от микроскопического объёма вещества. В настоящей работе для увеличения эффективности нелинейного отклика используются и сверхкороткие импульсы, и поверхностные волны.
Нелинейная оптика с участием ПЭВ активно развивалась в 70-80 годах прошлого века, с использованием нано- и пикосекундных лазерных импульсов. Генерация второй оптической гармоники (ГВГ), отражённой от поверхности металла и усиленной (в 102-106 раз) локальным полем ПЭВ, подробно изучена для коллинеарной геометрии возбуждения ПЭВ. Однако практически не изучены более информативные для спектроскопии поверхности процессы генерации суммарной, разностной частот (ГСЧ, ГРЧ) и четырёхволнового смешения (ЧВС) с участием ПЭВ. Специфика возбуждения ПЭВ фемтосекундными импульсами также изучена недостаточно.
Наиболее распространённым оптическим методом получения информации о структуре молекул (в том числе и органических), находящихся на границе раздела или в тонкой плёнке, является ГВГ. Анализ зависимости сигнала поверхностной второй гармоники (ВГ) от параметров падающего излучения позволяет получать уникальную информацию о строении исследуемых молекул. Важным частным случаем методики ГВГ является исследование проявления хиральности. Явление хиральности состоит в существовании объектов в двух зеркально симметричных формах, которые нельзя совместить друг с другом. Существует кардинальное различие при физиологическом воздействии на живой организм хирального вещества в двух разных формах. В данной работе на практическом примере показаны возможности и перспективность применения нелинейно-оптического взаимодействия ПЭВ для исследования хиральной среды.
Для взаимодействия неколлинеарных ПЭВ важными становятся пространственные и временные свойства сверхкороткого пакета ПЭВ. Длина и направление распространения, как и время жизни ПЭВ существенно влияют на эффективность генерации нелинейного сигнала.
До сих пор не было получено изображение области локализации поля ПЭВ на решётке, и оставался открытым вопрос о природе такой волны, которая в принципе может
о
о
- 4 -
быть локализована на поверхностных неоднородностях - штрихах решётки. В данной работе, кроме нелинейно-оптических методов, применяется сканирующий акустический микроскоп для наблюдения пространственного распределения поля ПЭВ. Исследуется взаимодействие поверхностных акустических волн и ПЭВ. Причём в этом случае возмущение, вносимое сканирующим акустическим микроскопом, значительно меньше, чем в случае других типов сканирующих микроскопов (туннельного, атомной силы, ближнего поля).
ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ
Целью работы являлось экспериментальное исследование временных и пространственных особенностей усиления нелинейно-оптического отклика поверхности при возбуждении поверхностных электромагнитных волн на основе изучения процессов ГВГ, ГСЧ и ЧВС, а также применение метода усиления сигнала ГВГ от поверхности для исследования оптически активных (хиральных) молекул. В ходе работы были поставлены и решены следующие задачи:
1. Создание оригинальных схем фемтосекундных лазерных комплексов для изучения процессов генерации ВГ, суммарной частоты (СЧ) и ЧВС от поверхности металла.
2. Достижение максимальной эффективности генерации второй оптической гармоники от периодической металлической поверхности за счёт специальной симметричной схемы взаимодействия ПЭВ (оптимального угла ориентации штрихов решётки и угла падения), а также за счёт использования несинусоидального профиля решётки со значительной второй пространственной гармоникой рельефа.
3. Исследование линейных и нелинейных свойств симметричной неколлинеарной схемы возбуждения ПЭВ. Реализация взаимодействия независимых ПЭВ. Экспериментальное сравнение эффективности нелинейных процессов второго (ГСЧ, ГВГ) и третьего (ЧВС) порядков.
4. Исследование пространственно-временных свойств ПЭВ, возбуждаемых на решётке. Измерение времени жизни и длины пробега ПЭВ в разных схемах возбуждения. Визуализация поля ПЭВ оптическим и акустическим методами.
5. Приложения ПЭВ для целей нелинейно-оптической спектроскопии. Измерение компонент тензора поверхностной нелинейной восприимчивости раствора хиральных молекул.
- 5 -
НАУЧНАЯ НОВИЗНА
1. Впервые экспериментально исследован процесс одновременной генерации сигналов на частотах ВГ (2coi и 2сог), СЧ (Ш1+Ш2) и частоте ЧВС (2co2-coi) от фемтосекундных лазерных импульсов на периодической поверхности металла при неколлинеарном возбуждении ПЭВ.
2. Экспериментально показано, что в симметричной схеме возбуждения ПЭВ происходит значительное (до 20 раз) увеличение эффективности ГВГ.
3. Экспериментально исследовано влияние коллинеарного и неколлинеарного взаимодействия ПЭВ, а также роль возбуждения ПЭВ на суммарной частоте и на частоте второй гармоники в усилении нелинейного сигнала. Исследованы различные способы достижения фазового синхронизма для возбуждения ПЭВ.
4. Экспериментально обнаружено существенное различие в форме поляризационных зависимостей интенсивности ГВГ для двух разных энантиомеров хиральных молекул пинена.
5. Предложена модель, в рамках которой впервые измерено время жизни ПЭВ на металлической решётке в неколлинеарной симметричной и несимметричной схемах возбуждения ПЭВ. Оказалось, что в симметричной схеме, где эффективность ГВГ максимальна, время жизни ПЭВ также максимально. Измерена область локализации ПЭВ нелинейно-оптическим и акустическим методами.
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ
> Разработана схема фемтосекундного лазерного комплекса, который может применяться для исследования усиления локального поля импульсов излучения (100-300 фс) в ближнем ИК диапазоне длин волн (740-830 нм) при возбуждении ПЭВ. Комплекс позволяет изменять направление поляризации излучения, время задержки между импульсами в разных каналах, углы падения излучения основной частоты и углы регистрации полезного сигнала. Предложенные при создании комплексов подходы могут быть использованы при разработке новых фемтосекундных измерительных схем.
> Обнаруженное в работе значительное увеличение эффективности нелинейных процессов (ГВГ, ГСЧ, ЧВС) в симметричной схеме может быть использовано для нелинейной, время-разрешённой спектроскопии поверхности.
^ Разработан и экспериментально проверен новый подход для изучения оптически-активных (хиральных) сред, использующий отражённую поверхностную ГВГ, усиленную ПЭВ.
^ Получена информация о времени жизни и об области локализации ПЭВ на решётке.
- 6 -
ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ
1. При возбуждении ПЭВ на периодической поверхности, в случае, когда штрихи решётки расположены вдоль плоскости падения лазерного излучения (симметричная схема), время жизни ПЭВ больше времени жизни ПЭВ в несимметричной схеме. Соответственно, в симметричной схеме происходит наибольшее усиление локального поля. Эффективность нелинейно-оптических процессов второго и третьего порядка по полю в симметричной схеме максимальна. Вторая пространственная гармоника рельефа может увеличивать эффективность ГВГ и ГСЧ.
2. В спектроскопии использование симметричной схемы для возбуждения ПЭВ на периодической поверхности повышает уровень сигнала и чувствительность, в частности, при исследования оптически-активных (хиральных) молекул. Поляризационные зависимости отражённой ГВГ для двух зеркальных энантиомеров хиральных молекул имеют существенно разную форму.
3. Генерация электромагнитных волн на периодической поверхности металла (вследствие нелинейно-оптических процессов второго и третьего порядка по полю) на частотах ВГ, СЧ и ЧВС может наблюдаться одновременно и иметь сравнимую интенсивность. В видимой области спектра (где длина пробега ПЭВ меньше размера области возбуждения ПЭВ) эффективность указанных нелинейных процессов при взаимодействии неколлинеарных ПЭВ может быть больше соответствующей эффективности при взаимодействии коллинеарных ПЭВ.
4. Размеры и форма области усиления локального поля при возбуждении ПЭВ могут исследоваться с помощью сканирующего акустического микроскопа. Длина пробега ПЭВ на металлической решётке может быть оценена невозмущающими акустическим и нелинейно-оптическим методами. Усиление локального поля связанно с возбуждением бегущей, а не локализованной на штрихах решётки ПЭВ.
АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ И ПУБЛИКАЦИИ
Вошедшие в диссертацию результаты докладывались и обсуждались на следующих международных конференциях и симпозиумах: международная конференция студентов и аспирантов «Ломоносов'98» (7-10 октября 1998, Москва, Россия); международная конференция по когерентной и нелинейной оптике - «КиНО'98» и «КиНО'01» (29 июня-3 июля 1998, Москва, Россия и 26 июня- 1 июля 2001, Минск, Белоруссия); международная конференция молодых ученых и специалистов "Оптика'99" (1-6 октября 1999, Санкт-Петербург, Россия); второй итало-русский симпозиум по нелинейной оптике сверхкоротких
- 7 -
лазерных импульсов "ITARUS'99" (22-25 февраля 1999, Москва, Россия); Европейская конференция по лазерам и электрооптике "CLEO'99" (1999, Мюнхен, Германия); международная школа для молодых учёных и студентов по оптике, лазерной физике и биофизике "SFM'2000" (3-7 октября 2000, Саратов, Россия); Международная конференция по квантовой электронике и лазерам "QELS'02" (19-24 мая, 2002, Лонг Бич, США); 10 международный симпозиум «Наноструктуры: физика и технология» (17-21 июня 2002, Санкт-Петербург, Россия); международная конференция по квантовой электронике "IQEC’02" (22-28 июня 2002, Москва, Россия); 11 международный семинар по лазерной физике (1-10 июля 2002, Братислава, Словакия); IX международная конференция по лазерным приложениям в науках о жизни «LALS'02» (7-11 июля 2002, Вильнюс, Литва) и на ряде других семинаров.
Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 10 публикациях, список которых приведен в конце автореферата, из них 5 статей в рецензируемых журналах.
СТРУКТУРА И ОБЪЕМ ДИССЕРТАЦИИ
Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, и списка цитированной литературы. Объем диссертации 160 страниц, в том числе 57 иллюстраций и 8 таблиц. Список литературы содержит 163 названия. ЛИЧНЫЙ ВКЛАД
Все полученные в диссертации результаты получены автором либо лично, либо при его непосредственном участии. Автор участвовал в постановке задач исследований, интерпретации и обсуждении результатов, а также в разработке и создании ряда экспериментальных установок, в постановке экспериментов и в их проведении.
П. СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ
Структура диссертационной работы
Во введении формулируется цель и задачи работы, показана научная новизна и практическая значимость полученных результатов, перечислены защищаемые положения, и кратко рассматривается содержание диссертационной работы по главам.
В первой главе представлен обзор работ, посвященных возбуждению, распространению и взаимодействию ПЭВ на поверхности металла. Рассмотрены общие свойства ПЭВ для разных типов поверхностей и геометрий возбуждения ПЭВ лазерным излучением. Описаны методы изучения свойств ПЭВ. Приведены типичные значения величин, использующиеся в экспериментах по нелинейному отклику от поверхности золота и серебра.
- 8 -
Впервые проявление ПЭВ было замечено в 1902 году - известные аномалии Вуда. Правильное объяснение этим аномалиям дали только полвека спустя. Активное изучение ПЭВ началось в 60 годах ХХ века, когда появились прямые экспериментальные подтверждения существования таких волн на поверхности металла в оптическом диапазоне частот. Тогда же разработали основные схемы для взаимодействия ПЭВ и световых волн: использование гофрированной периодической поверхности (дифракционная решётка) и использование тонкой плёнки металла на поверхности призмы (геометрия Кречмана).
Основные свойства ПЭВ следуют из решения уравнений Максвелла. На границе среды с отрицательной диэлектрической восприимчивостью (б2<0) может распространяться такая волна. Эта волна свободно распространяется по поверхности, а при удалении от поверхности её поле экспоненциально затухает. Волновой вектор ПЭВ
всегда больше волнового вектора световой волны соответствующей
частоты, поэтому ПЭВ не могут ни поглощать, ни излучать свет на плоской границе полубесконечной среды. В случае металла ПЭВ является колебаниями газа свободных электронов на поверхности - поверхностным плазмоном. Наименьшее затухание плазмона в оптическом диапазоне частот наблюдается у серебра и золота.
Для возбуждения и регистрации ПЭВ оптическими методами необходимо скомпенсировать расстройку волновых векторов ПЭВ и света - выполнить условия фазового синхронизма. На периодической поверхности это достигается благодаря дифракции (вектору
обратной решётки - q) k sin(6>) + q = KПЭВ, где k и KПЭВ - волновые вектора соответственно
падающей волны и ПЭВ, 9-угол падения. В геометрии Кречмана синхронизм достигается за счёт проникновения поля электромагнитной волны из среды c большим показателем
преломления n сквозь плёнку металла во внешнюю среду k sm{6)n = KПЭВ .
Существование ПЭВ проявляется в следующих физических явлениях: резонансный минимум линейного отражения света при выполнении условия фазового синхронизма (аномалия Вуда) - следствие сильного поглощения ПЭВ в металле; сильный локальный нагрев области возбуждения - акустооптические эффекты; усиление локального электромагнитного поля на поверхности и соответственно усиление оптического отклика поверхности - нелинейно-оптические эффекты. Возбуждение ПЭВ фемтосекундными лазерными импульсами позволяет увеличить интенсивность таких информативных нелинейно-оптических сигналов с поверхности как ГВГ, ГСЧ, КАРС до надёжно регистрируемого уровня. В первой главе основное внимание уделяется работам по
- 9 -
нелинейной оптике с участием ПЭВ и работам, изучающим пространственно-временные свойства ПЭВ.
Во второй главе описана экспериментальная техника, использовавшаяся для исследования нелинейного отклика с поверхности решётки при возбуждении ПЭВ. В начале главы рассмотрены общие требования к экспериментальной технике для исследования ПЭВ. С учетом этих требований было создано два фемтосекундных лазерных комплекса. В комплексе, созданном для исследования и оптимизации ГВГ, источником излучения был твердотельный лазер с активным элементом на титан-сапфире, накачиваемый аргоновым лазером. Основные параметры излучения следующие: диапазон длин волн генерации фемтосекундного лазера 740-820 нм, средняя мощность излучения 200 мВт, длительность импульсов излучения 60-140 фс, частота следования импульсов 100 МГц, ширина спектра излучения 8-20 нм. В экспериментальной схеме комплекса предусмотрены элементы для измерения и контроля энергетических, временных и спектральных характеристик излучения. Имелась возможность изменения состояния поляризации падающего на образец излучения. Излучение фокусировалось на поверхность металлической решётки. Решётка из золота устанавливалась на вращающейся платформе гониометра. На другой, соосно вращающейся платформе, устанавливалась система регистрации нелинейного отклика. Конструкция гониометра позволяла с заданной угловой скоростью производить синхронное вращение образца и системы регистрации, а также вращать каждый из них в отдельности. Для регистрации исследуемого сигнала на частоте второй гармоники использовался фотоэлектронный умножитель, включенный в схему синхронного детектирования. Схема установки является частным случаем схемы представленной на рис.1 (без второго луча- Шг).
Для исследования процесса ГСЧ и ЧВС использовался двухчастотный лазерный фемтосекундный комплекс, оптическая схема которого показана на рис.1. Лазерный комплекс состоял из двух оптических каналов. Источниками излучения первого канала являлись накачиваемые аргоновым лазером твердотельный генератор фемтосекундного излучения и регенеративный усилитель с активным элементом на титан-сапфире. Лазерное излучение первого оптического канала данного комплекса обладало следующими основными характеристиками: длина волны 780-820 нм, минимальная длительность импульсов 300 фс, ширина спектра импульсов 8-12 нм, максимальная энергия одиночного импульса 1.2 мкДж, частота следования импульсов 200 кГц. Во втором оптическом канале длина волны излучения перестраивалась в диапазоне 500-750 нм. Для этого использовался оптический параметрический усилитель, накачка которого осуществлялась частью излучения регенеративного усилителя. Максимальная энергия импульса второго канала составляла 45 нДж.
- 10 -
Xi = 812 нм, At = 300 фс,
= 690 нм, At =300 фс,
Линия задержки
E= 1.2 мкДж/имп,
E= 45 maxнДж/имп,
Аг -+лазер ()Innova 425
Генератор ФИ ()MIRA 900
Регенеративный
усилитель
()RegA 9000
Параметрический
преобразователь
()OPA 9400
Синхронный вольтметр
Металическая ¦ решётка
Компьютер
Рисунок 1. Оптическая схема двухчастотного фемтосекундного лазерного комплекса.
Обозначения: ПГ1-3 - поляризационные призмы Глана-Тэйлора; ДРФ1 и ДРФ2 - двойные ромбы Френеля; Л линзы; СФ - стеклянный фильтр; ФЭУ - фотоэлектронный умножитель; 0J и 82 - углы падения лучей 1 и 2; Ф - угол ориентации штрихов решётки.
Управление мощностью излучения осуществлялось с помощью поляризационных призм Глана-Тэйлора, двойной ромб Френеля использовался для поворота плоскости поляризации излучения.
В экспериментах по ГСЧ и ЧВС для совмещения фемтосекундных импульсов первого и второго каналов во времени и в пространстве использовались соответственно линия оптической задержки и независимые фокусирующие линзы. Для измерения энергетических характеристик излучения на частоте нелинейного отклика использовался фотоэлектронный умножитель с соответствующими фильтрами, подключенный к схеме синхронного детектирования. Для регистрации спектров излучения использовалась система регистрации на основе спектрографа и ПЗС-камеры. В конце второй главы описаны параметры используемых в эксперименте золотых и серебряных решёток.
В третьей главе изложены результаты экспериментальных исследований эффективности нелинейно-оптических процессов, таких как генерация ВГ, СЧ и сигнала
- 11 -
четырехволнового смешения на поверхности металла. Указанные сигналы наблюдались при возбуждении ПЭВ фемтосекундными световыми импульсами в неколлинеарной (рис. 2) и коллинеарной схемах на решётках, покрытых золотой или серебряной плёнкой.
а)
Рисунок 2. Генерация отражённой ВГ в симметричной схеме
а) Зависимость интенсивности отражённой ВГ от угла падения 8 и угла ориентации штрихов ср.
б) Расположение волновых векторов при возбуждении двух ПЭВ в симметричной (ср=90°) схеме. Выполнение
условий фазового синхронизма к® + q = KПЭВ г, k® —q = Kwn3B 2, kt = k sin(#), q = In / d ; ГВГ при
взаимодействии неколлинеарных ПЭВ K пэв г + K пэв 2 = kt
ft)
В начале главы показано, что на решётке с используемыми параметрами ПЭВ не могут быть локализованными на зубцах решётки. Далее исследованы особенности схемы возбуждения ПЭВ в симметричном случае, при этом штрихи решётки направлены вдоль плоскости падения (см. рис. 2(б)).
В результате нелинейного отклика газа электронов в металле, при отражении интенсивного лазерного излучения от поверхности металла образуется отражённая волна на частоте ВГ. При возбуждении ПЭВ эффективность нелинейного отклика возрастает на 2-6 порядков (рис. 3(б)).
В симметричной схеме одновременно возбуждаются две неколлинеарные ПЭВ, и появляются дополнительные каналы ГВГ. Кроме того, в этом случае для ПЭВ выполняется условие Брэговского отражения от зубцов решётки. В результате эффективность ГВГ при Ф=90° возрастает ещё на один-два порядка (см. рис. 2(а)).
Металлическая решётка
а)
- 12 -
1-0-1
б)
г 40 50 60 70 80
Угол падения 0 град.
Рисунок 3. Возбуждение ПЭВ на двух разных частотах. Нелинейный отклик второго и третьего порядка по полю.
а) Направление излучения нелинейных сигналов в двухчастотном эксперименте
б) Зависимость коэффициента отражения R (для гаг и ю2) и интенсивностей ГСЧ и ЧВС от угла падения 02. Угол между пучками постоянный, 01=02-14°, k>i соответствует ?ц=812 нм, со2 соответствует Х2=690 нм, период золотой решётки d= 1.15 цм.
Вторая часть третьей главы посвящена нелинейному взаимодействию независимых ПЭВ. Для этого в эксперименте используется два лазерных пучка с контролируемой задержкой между импульсами в пучках (рис. 3). В работе исследовано несколько вариантов взаимодействия ПЭВ. От самого простого, вырожденного по направлению и частоте, до наиболее общего с разными частотами и разными направлениями взаимодействующих ПЭВ
пэв 1
2. 2 = к®1+щ • Углы падения и частоты подбираются так, что каждый луч
возбуждает свою ПЭВ (coi /c)sin(#.) + q = K®'3Bi при одном и том же положении образца (см. рис. 3). При оптимальном совмещении областей возбуждения ПЭВ в пространстве и во времени нелинейный отклик на суммарной частоте Е, = /(ft>1+ft>2) /(/(tt>l)/(tt>2))=1.5*10"20 см2/Вт имеет тот же порядок величины, что и для ГВГ Е, =/(2ft>i)/(/(ft>l))2=2.4*10"20 см2/Вт, где I -интенсивность излучения. Эффективность преобразования в нелинейный сигнал составляет 77 = /(ft>i+ft>2)/(/(ft>i:i+/(ft>2))=2*10"u, при этом пиковая интенсивность волн на обеих частотах составляла 5 ГВт/см2 , а средняя мощность соответственно 10 мВт.
В конце третей главы рассматривается процесс четырёхволнового смешения по схеме Шз=2ш2-Шь длина результирующей волны составляла ^3=600 нм. Направление излучённой волны (рис. 3 (а)) определяется условием фазового синхронизма:
2(к®2 +q)-(к®1 + qr) = к^°2 Wl + qr притом, что на соответствующих частотах возбуждались
- 13 -
ПЭВ: 2КЮ1пэв,2-Кщпэв,\=К2ю1~щпэв,ъ. Несмотря на то, что ЧВС является нелинейным процессом третьего порядка по полю, в проведённых экспериментах интенсивность волны ЧВС превышала интенсивность ГВГ и ГСЧ - процессов второго порядка по полю. Эффективность преобразования в волну ЧВС составила 77 = /(2ft>2~ft>l)/(/(ft>2)+/(ft>l))=5*10"11, а
нелинейный отклик ? = /(2tt>2~tt>i) /(/(ft>2) /(ft>l))=1.8*10"30 см4/Вт2. Излучение волн на основных частотах имело s-поляризацию, ПЭВ всегда имеют р-поляризацию, волны на частотах ВГ и СЧ имели р-поляризацию, а волна на частоте ЧВС имела s-поляризацию. Поляризационные свойства ПЭВ и ГВГ детально исследовались в четвёртой главе.
В четвертой главе представлено приложение метода усиления локального поля при возбуждении ПЭВ для изучения явления хиральности, в частности для измерения тензора поверхностной нелинейной восприимчивости хиральных молекул с помощью ГВГ.
Усиленный ПЭВ сигнал ГВГ использовался, чтобы исследовать два зеркальных энантиомера (±)-а-пинена, и на основе предложенной модели получить относительные значения компонент тензора поверхностной нелинейной восприимчивости. Схема установки повторяла схему на рис. 1, но в этом случае не было второго канала излучения, и решётка помещалась в кювету с исследуемым веществом. Были изучены поляризационные свойства отраженной волны ВГ, генерируемой на "чистой" поверхности решетки (воздух в качестве внешней среды). При оптимальных условиях для возбуждения ПЭВ вращалось направление линейной поляризации с помощью ДРФ (у=0-360°) и измерялась мощность s- (угол анализатора а=0°) или p- (угол анализатора а=90°) компоненты отраженной волны ВГ (см. рис. 4). Появление хиральных молекул на поверхности решётки значительно увеличивает s-компоненту волны ВГ. Наблюдалась существенная разница в форме поляризационной зависимости р-компоненты волны ВГ для двух разных энантиомеров.
Компоненты отражённого поля ВГ зависят от поляризации поля накачки следующим образом: Е2со{у) ос (Ai cos2(f) + Bi cos(f )sin(f) + Ci sin2(f)). Где i=s, p обозначает компоненты
поляризации волны ВГ, комплексные коэффициенты Аi, Вi, Ci - линейные комбинации из компонент тензора восприимчивости второго порядка. Экспериментальные данные аппроксимировались (рис. 4) выражением вида:
12о\(у) = {Ia)2\Ai cos4(f)+5. coi(x)sin(y)+Ci co^(f)sin2 (y)+Dt со%(у)$а?(у)+Ег sin4(f)j,
где безразмерные коэффициенты A~i, B~i, C~i, D~i, Et связаны с Ai, Bi, Ci квадратичными зависимостями.
- 14 -
X
x с
X X X
со
i-
3
CD Q.
CD
p-компонента ВГ
330
270
330
(д)
240
300
s-компонента ВГ
330
270
300
330
(г)240 270 3°°
330
300
Рисунок 4. Зависимость интенсивности ГВГ от направления поляризации волны на основной частоте для
разной внешней среды. у=0 соответствует s-поляризации падающего излучения. Сплошные кривые - модель,
точки - эксперимент
а) «+»пинен, p-компонента волны ВГ. б) «+»пинен, s-компонента волны ВГ.
в) «-»пинен, p-компонента волны ВГ. г) «-»пинен, s-компонента волны ВГ.
д) Чистая решётка, p-компонента волны ВГ. е) Чистая решётка, s-компонента волы ВГ.
- 15 -
Интенсивность поля на поверхности решётки была увеличена за счёт возбуждения ПЭВ на фактор локального поля. Предполагается, что «+»пинен и «-»пинен имеет те же компоненты тензора поверхностной восприимчивости, кроме "хиральных". "Хиральные" компоненты ответственны за исчезновение зеркальной симметрии и имеют одинаковую величину, но противоположные знаки для двух зеркальных энантиомеров. Решая систему уравнений одновременно для обоих энантиомеров и для обеих составляющих поляризации ВГ, в рамках предложенной упрощённой модели удалось определить относительные величины компонент электрического квадрупольного и магнитодипольного тензоров поверхностной нелинейной восприимчивости хирального вещества.
В пятой главе представлены результаты измерения времени жизни ПЭВ при различном направлении распространения ПЭВ относительно зубцов решётки. Представлены результаты экспериментального исследования вырожденной и невырожденной ГСЧ от двух ПЭВ с контролируемой задержкой по времени между ними. С помощью предложенной модели оценивается время жизни и длина пробега ПЭВ.
Время жизни ПЭВ исследовалось с помощью метода накачки-зондирования. Одним пучком возбуждался один фемтосекундный пакет ПЭВ, через некоторое время в заданной области вторым пучком возбуждался другой фемтосекундный пакет ПЭВ. В результате взаимодействия полей двух разных пакетов ПЭВ образовывалась волна на суммарной частоте (в вырожденном случае соответственно волна ВГ). Измерялась зависимость интенсивности волны на СЧ от времени задержки Ат между импульсами, возбуждающими ПЭВ - корреляционная функция плазмона (ПКФ) на рис. 5. Из сравнения ширины на полувысоте зависимости ГСЧ от Ат с аналогичной шириной автокорреляционной функции (АКФ) лазерного импульса можно было оценить время жизни ПЭВ (см. рис. 5).
Для анализа экспериментальных данных была разработана модель, учитывающая затухание ПЭВ во времени и распространение пакета ПЭВ. Затухание ПЭВ на решётке определяется в основном поглощением в металле, переизлучением и рассеянием. Поле импульса на основной частоте представляется в виде:
О R 1 Т
V ° ' pump J J
-tp)2)
pump J
где Аpump - амплитуда поля, r и t -
соответственно координата на плоскости и время, r 0 - положение центра пучка, R0 - радиус области возбуждения, t0 - момент максимальной интенсивности импульса, Tpump длительность импульса.
5
- 16 -
. 1,0 H
X
о
0,5
0Q
Гауссовая привязка ПКФ ПКФ
-400 -200 0 200 400
a)
Лт фС
1
ч
я ннь 0
------ПКФ -------А
0 /
//
8 - ч \
/ 1
6 1 1 1 ¦ 1 ¦
-400 -200 0 200
Л т фс
б)
АКФ
1,0 «
- 0,5
е
0,0
400
1,0 -
к
я
0,0
АКФ ПКФ
А
ч
-400 -200 0 200
Л т фс
в)
400
? 1,0
X н
° 0,5 А
и и
0,0
-600 -400 -200 0 200 400 600
Л т фс
г)
Рисунок 5. Зависимость интенсивности нелинейного сигнала от времени задержки между импульсами, сравнение корреляционной функции плазмона (ПКФ) и автокорреляционной функции импульса (АКФ). Все зависимости нормированы на единицу.
а) Модельный расчёт, Tplasmon=60 фс, Тимпульс=70 фс
б) Вырожденный случай, симметричная схема, Tpiasmon(X=780 нм)=60 фс, Тимпульс=70 фс
в) Вырожденный случай, несимметричная схема, Tplasmon<15 фс, Тимпульс=80 фс
г) Невырожденный случай, симметричная схема, Тр1агаюп(Х=812нм)=70 фс,Тр1а8топ(Х=690нм)=40фс,Тимпульс=300фс.
Поле ПЭВ представляется в виде:
со
0
h
2Г„
, где Ef - эффективность
" plasmon J
возбуждения ПЭВ, Tplasmon - время жизни ПЭВ, v - скорость ПЭВ. Зависимость интенсивности ГСЧ от времени задержки Ат имеет вид:
СО СО
^dt$d2r(Aplasmonl(r,t,t0+AT)*Aplasmon2(r,t,t0))\ где ? определяет нелинейный
-со -со
отклик металла.
0,
- 17 -
Сравнение модели и эксперимента представлено на рис. 5(а) и (б). В несимметричной схеме (рис. 5(в)) время жизни ПЭВ оказалось значительно меньше. Из сравнения с результатами главы 3 оказалось, что большее время жизни ПЭВ соответствует большей эффективности ГВГ. Невырожденный по частоте случай качественно повторяет результаты вырожденного случая. Зная корреляционные функции плазмона второго (ГСЧ - ПКФ) и третьего (ЧВС - ПКФ3) порядков, можно разделить времена жизни ПЭВ для частот coi и сог. Для более высокой частоты (со 2) время жизни ПЭВ оказалось меньше, вследствие большего поглощения в металле. Время жизни ПЭВ связано с длиной распространения ПЭВ через групповую скорость ПЭВ vgr&0.9c, где с - скорость света. Измеряя зависимость
интенсивности ГСЧ от расстояния между областями возбуждения ПЭВ, аналогичным методом оценивалась длина пробега ПЭВ - 10 мкм. Специфика возбуждения ПЭВ фемтосекундными импульсами состоит в том, что электроны металла имеют неравновесное распределение температуры в течение длительности импульса, и эта температура намного превышает температуру кристаллической решётки.
Во второй части пятой главы продолжено исследование пространственных свойств ПЭВ, но уже акустическим методом. Изучалось взаимодействие поверхностных акустических и электромагнитных волн. ПЭВ возбуждались в плёнке металла, нанесённой на периодическую кварцевую подложку (дифракционная решётка) или на призму (геометрия Кречмана). С одной стороны на плёнку падало лазерное излучение, с другой стороны плёнка облучалась акустическими волнами. Источником акустических волн являлся сканирующий акустический микроскоп (САМ) (см. рис. 6(а)).
Параметры акустического микроскопа следующие: ультразвуковая частота - 1 ГГц, длительность ультразвукового импульса - 28 нс, частота повторения импульсов - 500 кГц, пиковая интенсивность акустического импульса - 0.1 мВт/мкм2, диаметр пучка - 1.5 мкм, фокусное расстояние - 30 мкм, латеральное разрешение - 0.5-1 мкм. Акустическая линза представляет собой сферическое углубление на поверхности сапфира. Пьезокристалл генерировал плоские акустические волны (АВ). Выходя из линзы, АВ фокусировались на поверхность образца, через определенное время пьезокристалл работал в режиме приёма и регистрировал отражённые АВ. Пространство между линзой и образцом было заполнено связывающей жидкостью (водой) для эффективного распространения АВ. В сходящемся пучке АВ существовал определённый угол, при котором возможно возбуждение и, соответственно, регистрация поверхностных акустических волн (ПАВ). На детекторе поле отраженной АВ и поле, излучённое ПАВ, интерферируют конструктивно или деструктивно, что даёт чувствительность САМ к форме поверхности.
- 18 -
^\^^ Сканирование
Пьезокристалл
ЛИНЗА / '¦ ПОЛЯРИЗАТОР .'
к,
пэв
26
волновод
a)
в)
Рисунок 6. Исследование ПЭВ с помощью сканирующего акустического микроскопа
а) Схема эксперимента для случая геометрии Кречмана
б) Изображение области неколлинеарного возбуждения ПЭВ на решётке, полученное с помощью САМ и соответствующее расположение волновых векторов на поверхности. Размер изображения 225*140 мкм
в) Рассеянное с поверхности излучение вследствие рассеяния ПЭВ на локальной неоднородности вызванной акустическими волнами. Изображение регистрировалось ПЗС камерой в направлении рассеяния.
При резонансном возбуждении ПЭВ область возбуждения и затухания выглядела в САМ как более яркое пятно (рис. 6(б)). Этот сигнал имел тепловую природу, и характерное время установления сигнала оказалось 1-2 миллисекунды. ПЭВ локально нагревал плёнку металла, и далее устанавливалось стационарное распределение температуры в окружающих средах - в стекле и в воде. Уширение изображения в САМ за счёт распространения тепла составило порядка 10 мкм, удлинение яркого пятна за счёт распространения ПЭВ также имело порядок 10 мкм.
Другой эффект, который можно было наблюдать оптическими методами, это рассеяние ПЭВ на ПАВ - поверхностный аналог рассеяния Мандельштама-Бриллюэна. В каждой области действия акустической линзы образуется концентрическая решётка из ПАВ на поверхности с локальным максимумом в центре. На такой решётке рассеиваются ПЭВ,
- 19 -
изменяя частоту и направление согласно законам сохранения энергии и импульса. Например, рассеяние оптического излучения на локальных максимумах в точке действия линзы представлено на рис 6(в).
В заключении сформулированы основные выводы и результаты, полученные в диссертационной работе:
1. Создано два фемтосекундных лазерных комплекса, позволяющих значительно повысить эффективность нелинейных процессов при отражении от периодической поверхности металла в условиях резонансного возбуждения ПЭВ. В одном комплексе наличие двух импульсных лазерных пучков с разной частотой и контролируемой задержкой между импульсами позволяет исследовать неколлинеарное взаимодействие ПЭВ. В другом, за счёт более короткого импульса, достигается разрешение по времени в десятки фемтосекунд [1, 5, 10].
2. Экспериментально исследована симметричная схема возбуждения ПЭВ (штрихи решётки направлены вдоль плоскости падения) и последующая ГВГ от неколлинеарных ПЭВ. Наблюдалось значительное (до 20 раз) возрастание интенсивности ГВГ в такой схеме. Метод расширен для взаимодействия ПЭВ на разных частотах, что открывает возможности для спектроскопии. Сигналы ГВГ, ГСЧ и ЧВС наблюдались одновременно и имели интенсивности одного порядка. Эффективность преобразования в нелинейный сигнал составила 10-12 для ГСЧ и 10-11 для ЧВС (по интенсивности) [5, 7].
3. Разработан новый метод для исследования хиральных молекул. Метод состоит в измерении поляризационных характеристик волны ВГ, отражённой от границы раздела между металлической решёткой и раствором хиральных молекул при возбуждении ПЭВ. Измерены относительные величины тензора поверхностной нелинейной восприимчивости двух зеркальных энантиомеров пинена [3, 6].
4. Измерено время жизни и длина пробега ПЭВ на металлической решётке в симметричной и несимметричной схемах. Обнаружено, что в симметричной геометрии (при одновременном возбуждении двух неколлинеарных ПЭВ) время жизни ПЭВ (60 фс) возрастает в несколько раз по сравнению с несимметричной схемой (15 фс) [4, 5, 10].
5. Впервые проведены невозмущающие исследования ПЭВ с помощью сканирующего акустического микроскопа. Наблюдалось рассеяние ПЭВ на поверхностных акустических волнах. Получено изображение поля ПЭВ в акустическом микроскопе. Показано, что локальное поле образованно «бегущей», а не локализованной ПЭВ [2, 8, 9].
- 20 -
Материалы диссертации отражены в следующих основных публикациях:
1. A.A.Aнгелуц, Н.И.Коротеев, С.А.Магницкий, M.M.Назаров, И.А.Ожередов, А.П.Шкуринов. Установка для исследования фотохромных соединений при двухфотонном возбуждении.// Приборы и техника эксперимента, N 3, 94-98, (1998).
2. Yu.E.Lozovik, M.M.Nazarov, A.P.Shkurinov. Effect of edge plasmon excitation at metal grating on the second harmonic generation of light. // Physica Scripta, Vol. 60, No. 1, 60-62, (1999).
3. A.V.Balakin, A.A.Goncharov, N.I.Koroteev, M.M.Nazarov, A.P.Shkurinov D.Boucher, P.Masselin. Chiral-sensitive second harmonic generation enhanced by surface electromagnetic waves. // Nonlinear Optics, vol. 23, 331-346, (2000).
4. Yu.E.Lozovik, S.P.Merkulova, M.M.Nazarov, A.P.Shkurinov. From two-beam surface plasmon interaction to femtosecond surface optics and spectroscopy. //Physics Letters A, vol. 276, 127-132, (2000).
5. Yu.E.Lozovik, S.P.Merkulova, P.Masselin, M.M.Nazarov, A.P.Shkurinov. Time resolved nonlinear surface plasmon optics. // Письма в ЖЭТФ, т. 75, No 9-10, 551-554, (2002).
6. A.A. Angeluts, A.V. Balakin, D. Boucher, A.A. Goncharov, A.S. Dunin, N.I. Koroteev, Yu. E. Lozovik, P. Masselin, S.P Merculova, M.M. Nazarov, A.P. Shkurinov Femtosecond nonlinear optics of evanescent and surface electromagnetic waves in diagnostics of chiral media. Second Italian-Russian symposium on ultrafast optical physics proceedings, p. 259. (1999).
7. P. Masselin, М.М. Nazarov, А.P. Shkurinov/ Surface plasmon enhanced SFG and FWM of femtosecond pulses of non-sinusoidal metal grating. Quantum Electronics and Laser Science conference, Technical Digest, p. 257, (2002).
8. J.Bereiter-Hahn, М.М. Nazarov, А.P. Shkurinov/ Surface electromagnetic wave imaging with acoustic microscope. 11-th international laser physics workshop 2002, book of abstracts, p. 236, (2002).
9. J.Bereiter-Hahn, М.М. Nazarov, А.P. Shkurinov. Investigation of surface electromagnetic wave scattering in acoustic microscope. International Quantum Electronics Conference 2002, Technical Digest, p. 381, (2002).
10. Yu.E. Lozovik, S.P. Merkulova, М.М. Nazarov, А.P. Shkurinov, P. Masselin. Time resolved nonlinear surface plasmon optics. // Proceedings of 10th Int. Symp."Nanostructures: Physycs and Technology" p. 172, (2002).

Получить работу