Сверхбыстрая плазмоника и магнитоплазмоника

Поверхностные плазмон-поляритоны (ППП) - это коллективные колебания света и электронов, распространяющиеся на границе между металлом и диэлектриком. Время жизни таких возбуждений может варьироваться от нескольких фемтосекунд до пикосекунд в оптическом диапазоне спектра. С развитием фемтосекундных лазеров появилась возможность изучать и использовать эти сверхбыстрые процессы в приборах и приложениях.
 

Сверхбыстрое формирование лазерных импульсов плазмонными кристаллами

В нашей группе проведено контролируемое переформирование фемтосекундного лазерного импульса, отраженного от плазмонного кристалла на основе 1D полимерной решетки с периодом 750 нм, покрытой пленкой серебра толщиной 50 нм. Изменение формы фемтосекундных импульсов, отраженных от такого плазмонного кристалла, было обнаружено с помощью измерений корреляционных функций интенсивности с временным разрешением (Рис.1).

Рис.1 Установка для измерения корреляционных функций интенсивности с временным разрешением. Ti:Sa — титан-сапфировый фемтосекундный лазер. Длительность импульса — 150 фс, длина волны перестраивается от 690 нм до 1020 нм, частота повторения 80 МГц, интегральная мощность 1,5-3 В. Шаг сканирующей линии задержки составляет 13 фс. BBO — нелинейный кристалл. ФЭУ — фотоэлектронный умножитель.

Различные варианты изменения профиля (Рис.2), а именно уширение, сжатие, задержка, опережение и расщепление импульсов, выявляются спектральной перестройкой длины волны несущей импульса в окрестности поверхностных плазмонных резонансов, поскольку такая модификация импульса сильно зависит от взаимодействия параметров фемтосекундного импульса и резонанса ППП, например, длительность лазерного импульса должна быть сопоставима со временем релаксации ППП.

Рис.2. измеренные корреляционные функции и реконструированные импульсы, отраженные от 1D плазмонного кристалла для несущей длины волны λ0 в диапазоне от 722 нм до 780 нм.

Сверхбыстрое управление формой поляризационных импульсов с помощью плазмонных кристаллов

Соображения симметрии требуют, чтобы s - и p-поляризованные состояния были собственными состояниями 1D плазмонных наноструктур [2,3]: если падающий импульс s - или p-поляризован, то состояние поляризации (СП) отраженного импульса остается постоянным. Однако эволюция СП внутри одного импульса усложняется, если направить на плазмонный кристалл линейную комбинацию этих состояний (Рис.3). Экспериментально установлено формирование фемтосекундного поляризационного состояния в оптическом отклике плазмонной решётки с помощью стоксовой поляриметрии с временным разрешением [4].

Рис. 3. Схематичное изображение сверхбыстрого поляризационного преобразования с плазмонными кристаллами.
 

Магнитооптический эффект Керра в магнитоплазмонных кристаллах

Другой тип материалов - магнитоплазмонные наноструктуры: в нашем случае это ферромагнитная пленка с наноразмерной периодической структурой. Не только возбуждение ППП, но магнитооптические эффекты Керра (МОЭК) могут быть обнаружены в свете, отраженным от магнитоплазмонных структур. Обычно МОЭК очень мал, но плазмонный резонанс в железных или никелевых плазмонных системах может усилить его до 7% [5,6,7].
 

Сверхбыстрый магнитооптический эффект Керра в магнитоплазмонных кристаллах

С другой стороны, поскольку усиление МОЭК индуцируется ППП, которые имеют ограниченное фемтосекундное время жизни, то зависящий от времени экваториальный магнитооптический эффект Керра (эМОЭК) может экспериментально наблюдаться в пределах фемтосекундных лазерных импульсов. Нетривиальная эволюция эМОЭК продемонстрирована с помощью спектроскопии корреляционных функций в пределах импульсов длительностью 200 фс и 45 фс, отраженных от одномерных магнитоплазменных кристаллов на основе никеля и железа [8,9]. Возбуждение ППП с зависимой от магнитного поля дисперсией ферромагнитных металлов позволяет управлять формой отраженного импульса (Рис.4).
Рис. 4. Иллюстрация сверхбыстрого зависящего от времени эМОЭК. Падающий импульс, показанный красным цветом, преобразуется в волну ППП с законом дисперсии, зависящим от намагниченности образца. Влияние ППП сильнее в более поздние моменты времени. Как следствие, отраженный импульс содержит различный профиль для различных направлений намагниченности образца, что приводит к возникновению внутриимпульсного, зависящего от времени МОЭК.
 

 

Публикации

Тезисы конференций

  1. A. Yu. Frolov, P. P. Vabishchevich, M. R. Shcherbakov, T. V. Dolgova, A. A. Fedyanin
    "Femtosecond Time-Resolved Transverse Kerr Effect Measurements in Magnetoplasmonic Crystals"

    The International Conference on Coherent and Nonlinear Optics/The Lasers, Applications, and Technologies (ICONO/LAT)

    2013
  2. А.Ю.Фролов
    "Фемтосекундная динамика поперечного магнитооптического эффекта Керра, индуцированная поверхностным плазмон-поляритоном "

    XX Международная конференция студентов, аспирантов и молодых учёных «Ломоносов»

    248-249
    2013

Статьи

  1. M. R. Shcherbakov, P. P. Vabishchevich, A. Yu. Frolov, T. V. Dolgova, and A. A. Fedyanin
    "Femtosecond intrapulse evolution of the magneto-optic Kerr effect in magnetoplasmonic crystals"

    Physical Review B (Rapid Communications)

    90
    201405(R)
    2014
  2. S. A. Dyakov, D. M. Zhigunov, A. Marinins, O. A. Shalygina, P. P. Vabishchevich, M. R. Shcherbakov, D. E. Presnov, A. A. Fedyanin, P. K. Kashkarov, S. Popov, N. A. Gippius & S. G. Tikhodeev
    "Plasmon induced modification of silicon nanocrystals photoluminescence in presence of gold nanostripes"

    Scientific Reports

    8
    4911
    2018
  3. V.K. Belyaev, D.V. Murzin, N.N. Perova, A.A. Grunin, A.A. Fedyanin, V.V. Rodionova
    "Permalloy-based magnetoplasmonic crystals for sensor applications"

    Journal of Magnetism and Magnetic Materials

    482
    292-295
    2019
  4. I.A. Novikov, M.A. Kiryanov, P.K. Nurgalieva, A.Yu. Frolov, V.V. Popov, T.V. Dolgova, and A.A. Fedyanin
    "Ultrafast Magneto-Optics in Nickel Magnetoplasmonic Crystals"

    Nano Letters

    20
    8615
    2020