Нанофотоника поверхностных состояний в фотонных кристаллах

Работы, проводимые в лаборатории под общим названием "Нанофотоника поверхностных состояний в фотонных кристаллах", имеют своей целью изучение свойств поверхностных электромагнитных волн, волноводных мод, таммовских плазмон-поляритонов, возникающих на поверхности или внутри фотонных кристаллов. Фотонные кристаллы (ФК) представляют собой среды с искусственно промодулированной дисперсией, в результате чего возникает фотонная запрещенная зона. При исследованиях используются различные методики, такие как оптическая и нелинейно-оптическая спектроскопия, кросс-корреляционная спектроскопия с фемтосекундным временным разрешением, фотонно-силовая микроскопия в оптическом пинцете.
Практический интерес к исследованию свойств поверхностных состояний обусловлен возможностями их применения при создании новых типов компактных лазерных устройств и оптических сенсоров. Фундаментальный интерес к изучению поверхностных состояний в фотонных кристаллах связан с возможностью наблюдения новых оптических эффектов. Возбуждение поверхностных состояний на поверхности фотонного кристалла приводит к локализации электромагнитного поля вблизи поверхности. Экспериментально этот эффект проявляется в виде узкого пика поглощения в спектре коэффициента отражения структуры. Эффект Гуса-Хенхен – это эффект поперечного сдвига траектории полностью отраженного светового пучка относительно положения луча, отраженного от идеального зеркала. Этот сдвиг является следствием разных набегов фаз, приобретаемых при отражении компонентами ограниченного в пространстве пучка. Сдвиг пучка, испытавшего полное внутреннее отражение на границе раздела двух диэлектрических сред, составляет порядка нескольких длин волн. Показано, что эффект Гуса-Хенхен может быть значительно усилен в области резонанса ПЭВ. Нами обнаружено усиление эффекта Гуса-Хенхен в области резонанса ПЭВ, значительно превышающее величины эффекта, наблюдавшиеся ранее как на диэлектрических поверхностях, так и на поверхностях металлов в окрестности резонанса поверхностных плазмон-поляритонов.
В нелинейной оптике известны эффекты усиления генерации второй гармоники в микро- и наноструктурах, связанные с увеличением напряженности локального электромагнитного поля излучения накачки. В частности, усиление локальных полей происходит в областях резонансов поверхностных плазмон-поляритонов и локализованных поверхностных плазмонов, а также в дефектных слоях фотоннокристаллических микрорезонаторов. Согласно теории, при возбуждении ТПП должна происходить локализация электромагнитного поля на границе раздела ФК – металл. Следовательно, можно ожидать усиления генерации второй гармоники в спектральной области резонанса возбуждения ТПП. В лаборатории получено экспериментальное подтверждение усиления генерации второй оптической гармоники в системах Au/ ФК в случае возбуждения ТПП и продолжаются работы в области нелинейной оптики поверхностных состояний в фотонных кристаллах.
С развитием сверхбыстрых лазерных устройств появилась возможность изучения оптических процессов на фемтосекундных масштабах времени. Подобные исследования позволяют определять временные характеристики возбуждения и релаксации состояния. Интересной задачей является определение временных характеристик распространения и релаксации ТПП. В лаборатории обнаружена модификация кросс-корреляционных функций фемтосекундных импульсов, отраженных от системы фотонный кристалл – металл при возбуждении в ней ТПП и определено время жизни ТПП.
Исследование силовых характеристик поверхностных состояний проводится с использованием оптического пинцета. В оптическом пинцете используется жестко сфокусированный пучок лазерного излучения, который обеспечивает силу для физического удержания или перемещения диэлектрической микрочастицы. В случае малых смещений частицы из центра оптической ловушки возвращающая сила, действующая на частицу, пропорциональна градиенту оптического поля, что позволяет использовать оптический пинцет в качестве динамометра. Силовые измерения, проводимые в оптическом пинцете, получили название фотонно-силовой микроскопии. Нами проводятся работы по изучению силовых характеристик поверхностных состояний в фотонных кристаллах методом фотонно-силовой микроскопии. Продемонстрировано, что чувствительность методики чрезвычайно высока и достигает единиц фемтоньютонов, что позволяет не только измерить величину сил, действующих на микрочастицу со стороны поверхностного состояния, но также и провести сравнение этих сил с силами, действующими в отсутствие поля поверхностного состояния, т.е. экспериментально определить величину усиления.

Публикации

Тезисы конференций

  1. A finogenov B. I., Bessonov V. O., Fedyanin A. A.
    "Femtosecond spectroscopy of the electron thermalization in gold in the vicinity of Tamm plasmon resonance"

    Дни Дифракции 2015

    2015
  2. B. I. Afinogenov, A. A. Popkova, V. O. Bessonov, and A. A. Fedyanin
    "Optical harmonics generation in metal/dielectric heterostructures in the presence of Tamm plasmon-polaritons"

    SPIE Photonics West

    2016
  3. Boris Afinogenov, Vladimir Bessonov, and Andrey Fedyanin
    "Giant Second-Harmonic Generation Enhancement in the Presence of Tamm Plasmon-Polariton"

    Frontiers in Optics

    FW5C.4
    2013
  4. Сафронов К.Р., Кокарева Н.Г., Абрашитова К.А., Гулькин Д.Н.
    "Планарные элементы фотоники для управления поверхностными электромагнитными волнами в одномерных фотонных кристаллах"

    XXIV Международная научная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых "Ломоносов-2017"

    2017
  5. Boris Afinogenov, Vladimir Bessonov, and Andrey Fedyanin
    "Ultrafast Dynamics of Tamm Plasmon-Polaritons in Metal/Photonic Crystal System"

    Frontiers in Optics

    FTu4D.5
    2013
  6. Boris Afinogenov, Vladimir Bessonov, Irina Soboleva, and Andrey Fedyanin
    "Observation of Hybrid States of Tamm and Surface Plasmon-Polaritons in Photonic Crystals"

    Frontiers in Optics

    FTu4D.4
    2013
  7. Irina V. Soboleva, Daniil A. Shilkin, Evgeny V. Lyubin, Andrey A. Fedyanin
    "Photonic-force microscopy of radiation forces generated by surface mode of one-dimensional photonic crystals"

    SPIE Photonics Europe 2014

    9126-26
    2014
  8. Boris I. Afinogenov, Vladimir O. Bessonov, Andrey A. Fedyanin
    "Femtosecond pulse distortion induced by Tamm plasmon polaritons in a metal/photonic crystal system"

    SPIE Photonics Europe 2014

    9136-66
    2014
  9. Vladimir O. Bessonov, Boris I. Afinogenov, Andrey A. Fedyanin
    "Tamm plasmon-polariton induced second-harmonic generation enhancement in photonic crystal structure"

    SPIE Photonics Europe 2014

    9127-45
    2014
  10. A nogenov B. I., Bessonov V. O., Fedyanin A. A.
    "Giant Second-Harmonic Generation Enhancement in the Presence of Tamm Plasmon-Polariton"

    Дни Дифракции

    2014
  11. Д.Н. Гулькин, В.О. Бессонов, И.В. Соболева, А.А. Ежов, А.А. Федянин
    "Оптические таммовские состояния на границе раздела холестерический жидкий кристалл - металл"

    Материалы XII всероссийской конференции по оптике и лазерной физике (электронная версия)

    2014
  12. Gulkin Dmitriy N., Bessonov Vladimir Olegovich, Irina V. Soboleva, Andrey A. Fedyanin
    "Optical Tamm state at the cholesteric liquid crystal/metal interface"

    Days on Diffraction

    2015

Статьи

  1. M.N. Romodina, I.V. Soboleva, A.A. Fedyanin
    "Magneto-optical switching of Bloch surface waves in magnetophotonic crystals"

    Journal of Magnetism and Magnetic Materials

    415
    82-86
    2016
  2. В.В. Москаленко, И.В. Соболева, А.А. Федянин
    "Усиление эффекта Гуса-Хенхен поверхностными волнами в одномерных фотонных кристаллах"

    Письма в ЖЭТФ

    91
    8
    414
    2010
  3. B. I. Afinogenov, V. O. Bessonov, A. A. Nikulin, and A. A. Fedyanin
    "Observation of hybrid state of Tamm and surface plasmon-polaritons in one-dimensional photonic crystals"

    Applied Physics Letters

    103
    6
    061112
    2013
  4. B.I. Afinogenov, A.A. Popkova, V.O. Bessonov, and A.A. Fedyanin
    "Measurements of the femtosecond relaxation dynamics of Tamm plasmon-polaritons"

    Applied Physics Letters

    109
    171107
    2016
  5. I. V. Soboleva, V. V. Moskalenko, A. A. Fedyanin
    "Giant Goos-Hanchen Effect and Fano Resonance at Photonic Crystal Surfaces"

    Physical Review Letters

    108
    123901
    2012
  6. M. N. Romodina, I. V. Soboleva, A. I. Musorin, Y. Nakamura, M. Inoue, and A. A. Fedyanin
    "Bloch-surface-wave-induced Fano resonance in magnetophotonic crystals"

    Physical Review B

    96
    081401(R)
    2017
  7. В. О. Бессонов, И. В. Соболева, Б .И. Афиногенов, Д. Н. Гулькин, Д. А. Шилкин, А. Т. Ле, А. А. Федянин
    "Гибридные состояния таммовских и поверхностных плазмон-поляритонов в одномерных фотонных кристаллах"

    Ученые Записки Физического Факультета

    1
    141402
    2014
  8. B. I. Afinogenov, V. O. Bessonov, and A. A. Fedyanin
    "Second-harmonic generation enhancement in the presence of Tamm plasmon-polaritons"

    Optics Letters

    39
    24
    6895-6898
    2014