Плазмонный магнитофотонный кристалл

Полезная модель относится к области приборостроения и может быть использована для управления когерентными потоками света в устройствах оптоэлектроники и нанофотоники в системах отображения, хранения и передачи информации.

Плазмонный магнитофотонний кристалл содержит слои висмут-замещенного железо-иттриевого граната Bi_1,0Y_2,0Fe₅O₁₂ и нанесенного на него железо-висмутового граната Bi₃ Fe₅O₁₂, которые размещены в оптическом резонаторе из двух брэгговских зеркал с резонансной длиной волны _R и имеют суммарную оптическую толщину, кратную _R/2. Между слоями Bi_1,0Y_2,0 Fe₅O₁₂ и Bi₃Fe₅O ₁₂ кристалл содержит наночастицы благородного металла.

Плазмонный магнитофотонный кристалл обеспечивает возможность получения высоких значений коэффициента усиления эффекта Фарадея и удельного фарадеевского вращения.

Плазменный магнитофотонный кристалл

Техническое решение относится к области приборостроения и может быть использовано для управления когерентными потоками света в устройствах оптоэлектроники и нанофотоники в системах отображения, хранения и передачи информации.

Известен одномерный магнитофотонный кристалл (МФК) микрорезонаторного типа (Ta ₂O₅/SiO₂)⁵/Bi: YIG/(SiO ₂/Ta₂O₅)⁵, центральной частью которого является магнитоактивный полуволновой слой висмут-замещенного железо-иттриевого граната (Bi: YIG) состава Bi_0,7Y _2,3Fe₅O₁₂, расположенный между двумя диэлектрическими зеркалами, состоящими из нескольких ячеек одномерного фотонного кристалла на основе четвертьволновых слоев Та₂ О₅ и SiO₂ с большим и малым показателями преломления, соответственно [М. Inoue, R. Fujikawal, A. Baryshev, A. Khanikaev, Р В Lim, Н. Uchidal, О. Aktsipetrov, A. Fedyanin, Т. Murzina and A. Granovsky. Magnetophotonic crystals. Topical review. J. Phys. D: Appl. Phys. 39 (2006) R151-R161].

Недостатком такого МФК является невысокие значения коэффициента усиления эффекта Фарадея и удельного фарадеевского вращения.

Известен магнитофотонный кристалл [патент UA 75526, опубл. 10.12.2012, Бюл. 23], выполненный на основе двухслойных пленок висмут-замещенного железо-иттриевого граната Bi_1,0Y_2,0Fe ₅O₁₂ и нанесенного на него железо-висмутового граната Bi₃Fe₅O₁₂, размещенных между двумя брэгговскими зеркалами, являющимися оптическим резонатором.

Недостатком устройства является уменьшение коэффициента пропускания и, соответственно, магнитооптической добротности кристалла при увеличении числа пар слоев в зеркале Брэгга для достижения высокого коэффициента усиления эффекта Фарадея.

Задачей полезной модели является разработка плазмонного магнитофотонного кристалла, обеспечивающего высокие значения коэффициента усиления эффекта Фарадея и удельного фарадеевского вращения, благодаря наложению эффектов локализованного плазмонного резонанса и оптического резонанса.

Сущность заявляемой полезной модели характеризуется тем, что плазмонный магнитофотонный кристалл, содержащий слои висмут-замещенного железо-иттриевого граната Bi_1,0Y_2,0Fe₅O₁₂ и нанесенного на него железо-висмутового граната Bi₃ Fe₅O₁₂, размещенные в оптическом резонаторе из двух брэгговских зеркал с резонансной длиной волны _R=655 нм и имеющие суммарную оптическую толщину, кратную _R/2, дополнительно содержит между слоями Bi _1,0Y_2,0Fe₅O₁₂ и Bi ₃Fe₅O₁₂ наночастицы золота.

Такой плазмонный магнитофотонный кристалл, благодаря наложению эффектов локализованного плазмонного резонанса на наночастицах золота и оптического резонанса в резонаторе, позволяет получать на резонансной длине волны более высокие, чем в прототипе, значения коэффициента усиления эффекта Фарадея и удельного фарадеевского вращения.

На фиг. 1 приведено схематическое изображение плазмонного магнитофотонного кристалла микрорезонаторного типа.

Кристалл изготовлен на кварцевой подложке (1) и содержит два диэлектрических брэгговских зеркала (2) и (3), состоящие из N пар чередующихся четвертьволновых слоев TiO₂ (4) и SiO₂ (5). Между зеркалами размещены два магнитоактивных слоя, нижний из которых выполнен из висмут-замещенного железо-иттриевого граната Bi_1,0Y_2,0Fe₅O₁₂ (6) и имеет оптическую толщину _R/4, а второй слой, нанесенный на него, выполнен из железо-висмутового граната Bi₃Fe₅O ₁₂ (7) и имеет оптическую толщину 3_R/4, где _R - резонансная длина волны. Между слоями Bi _1,0Y_2,0Fe₅O₁₂ (6) и Bi ₃Fe₅O₁₂ (7) размещены наночастицы золота (8).

Оптический резонатор на основе зеркал Брэгга представляет собой чередующиеся пары четвертьволновых диэлектрических слоев с большим и малым показателями преломления и характеризуется наличием в спектре оптического пропускания фотонной запрещенной зоны - диапазона длин волн, в котором пропускание минимально. Ширина и "глубина" фотонной запрещенной зоны определяется показателями преломления и толщинами слоев, образующих зеркало, а также количеством пар слоев. Для возникновения в магнитоплазмонном кристалле на основе двух зеркал Брэгга и помещенных между ними слоев Bi_1,0Y_2,0Fe ₅O₁₂ и Bi₃Fe₅O₁₂ с наночастицами золота конструктивной интерференции падающего света и появления в спектрах оптического пропускания и угла фарадеевского вращения кристалла резонансных максимумов необходимо, чтобы оптическая толщина слоев Bi_1,0Y_2,0Fe₅O ₁₂ и Bi₃Fe₅O₁₂ с наночастицами золота была кратна половине резонансной длине волны _R/2. При этом значение _R соответствует середине фотонной запрещенной зоны резонатора. Таким образом, резонанс поверхностных плазмонов на наночастицах золота на длине волны _R будет усилен за счет резонанса оптического в магнитоплазмонном кристалле на той же длине волны.

Плазмонный магнитофотонный кристалл работает следующим образом.

Кристалл помещается во внешнее магнитное поле Н, которое направлено по нормали к его поверхности и превышает поле насыщения магнитоактивных слоев (6) и (7). На кристалл направляется поток линейно поляризованного излучения оптического диапазона с длиной волны, равной резонансной _R. В результате взаимодействия излучения с наночастицами золота происходит возбуждение локализованных поверхностных плазмонов и возникает локализованный поверхностный плазмонный резонанс, что сопровождается резонансным усилением фарадеевского вращения на _R. Вследствие многолучевой конструктивной интерференции в оптическом резонаторе на этой же длине волны _R возникает оптический резонанс, который накладывается на локализованный поверхностный плазмонный резонанс. Наложение двух резонансов приводит к многократному усилению фарадеевского вращения в кристалле на длине волны _R.

При этом, на спектральных зависимостях коэффициента пропускания и фарадеевского вращения на длине волны _R будут наблюдаться резонансные пики коэффициента пропускания и фарадеевского вращения.

Пример выполнения.

Плазмонный магнитофотонный кристалл микрорезонаторного типа моделировался и изготавливался для резонансной длины волны _R=655 нм. Кристалл содержит два брэгговских зеркала, каждое из которых выполнено в виде пяти пар чередующихся четвертьволновых (_R/4) слоев TiO₂ и SiO₂ , напыленных методом электронно-лучевого испарения. Нижнее зеркало (TiO₂/SiO₂)⁵ наносилось на подложку из плавленого кварца. На нижнее зеркало методом ионно-лучевого реактивного распыления напылялся слой висмут-замещенного железо-иттриевого граната Bi_1,0Y_2,0Fe₅O₁₂ с оптической толщиной _R/4. Сверху на слой Bi_1,0Y_2,0 Fe₅O₁₂ методом катодного распыления напылялась пленка золота толщиной 5 нм. Затем вся структура подвергалась термическому отжигу на воздухе при атмосферном давлении при температуре 770°C с в течение 30 мин. При этом происходили кристаллизация пленки Bi_1,0Y_2,0Fe₅O₁₂ с образованием гранатовой фазы и формирование из пленки золота наночастиц золота диаметром от 40 до 80 нм.

Затем на полученную структуру методом ионно-лучевого реактивного распыления наносился слой Bi₃Fe₅O₁₂ с оптической толщиной 3_R/4 и осуществлялся его отжиг при температуре 650 С в течение 30 мин. При этом происходила кристаллизация пленки Bi₃Fe₅O₁₂ с образованием гранатовой фазы.

В результате формировался магнитоактивный слой с суммарной оптической толщиной _R, который содержал в объеме наночастицы золота. Сверху на него методом электронно-лучевого испарения наносилось второе диэлектрическое зеркало (SiO₂/TiO₂ )⁵. Таким образом, формировался плазмонный магнитофотонный кристалл микрорезонаторного типа с такой структурой:

плавленый кварц/(TiO₂/SiO₂)⁵ /( Bi_1,0Y_2,0Fe₅O₁₂ )/наночастицы Au/(Bi₃Fe₅O₁₂)/(SiO ₂/TiO₂)⁵.

Об успешной кристаллизации и образовании пленок гранатовой фазы судили по результатам измерений магнитооптических петель гистерезиса образцов-свидетелей:

- слоя Bi_1,0Y_2,0Fe₅ O₁₂ с оптической толщиной _R/4 на слое SiO₂;

- двойного слоя (Bi_1,0Y_2,0Fe₅ O₁₂)/(Bi₃Fe₅O₁₂) с оптической толщиной _R на слое SiO₂,

- структуры (Bi_1,0Y_2,0Fe₅O ₁₂)/наночастицы Au/(Bi₃Fe₅O₁₂ ) с оптической толщиной _R на слое SiO₂.

Углы фарадеевского вращения образцов-свидетелей на длине волны 655 нм составили минус 0,065, минус 0,62 и минус 0,93°, соответственно. Таким образом, усиление эффекта Фарадея за счет локализованного поверхностного плазмонного резонанса в наночастицах золота в структуре (Bi_1,0Y_2,0Fe₅O ₁₂)/наночастицы Au/(Bi₃Fe₅O₁₂ ) по сравнению с двухслойной пленкой (Bi_1,0Y_2,0 Fe₅O₁₂)/(Bi₃Fe₅O ₁₂)) одной и той же оптической толщины _R составляло 1,5 раза.

Измерения спектральных зависимостей коэффициента пропускания и угла фарадеевского вращения плазмонного магнитофотонного кристалла плавленый кварц/(TiO ₂/SiO₂)⁵/(Bi_1,0Y_2,0 Fe₅O₁₂)/наночастицы Au/(Bi₃Fe ₅O₁₂)/(SiO₂/TiO₂) ⁵ показали, что кристалл имеет фотонную запрещенную зону, внутри которой наблюдаются резонансное пропускание света и усиления фарадеевского вращения на длине волны 655 нм. Коэффициент пропускания K_t кристалла на этой длине волны составлял 20%, угол фарадеевского вращения составил минус 16,6°. Это почти в 18 раз превышало угол фарадеевского вращения структуры (Bi _1,0Y_2,0Fe₅O₁₂)/наночастицы Au/(Bi₃Fe₅O₁₂) и соответствовало удельному фарадеевскому вращению плазмонного магнитофотонного кристалла микрорезонаторного типа минус 66,4°/мкм. Магнитооптическая добротность кристалла при этом, определяемая как

Q=2·|_F|/,

где _F - удельное фарадеевское вращение;

- коэффициент поглощения; h

h - толщина магнитоактивного слоя, составила 20,6°.

Преимуществом плазмонного магнитофотонного кристалла является возможность получения в нем высоких значений коэффициента усиления эффекта Фарадея и удельного фарадеевского вращения.

Плазмонный магнитофотонный кристалл, содержащий слои висмут-замещенного железо-иттриевого граната Bi_1,0Y_2,0Fe ₅O₁₂ и нанесенного на него железо-висмутового граната Bi₃Fe₅O₁₂, размещенные в оптическом резонаторе из двух брэгговских зеркал с резонансной длиной волны _R=655 нм и имеющие суммарную оптическую толщину, кратную _R/2, дополнительно содержит между слоями Bi _1,0Y_2,0Fe₅O₁₂ и Bi ₃Fe₅O₁₂ наночастицы золота.

РИСУНКИ