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.
Блоховские поверхностные волны — волны, распространяющиеся вдоль границы раздела слоистой структуры (фотонного кристалла) и воздуха или другого диэлектрика. Эти волны позволяют локализовать свет на поверхности, что может быть полезно для усиления взаимодействия света с веществом. В нашей лаборатории проходят исследования по управлению блоховскими поверхностными волнами на нано- и микромасштабе, а также генерации этих волн с помощью наноразмерных источников. Отдельной областью исследований является интегральная оптика, направленная на управление оптическим сигналом на чипе.
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 в том числе 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.