Плазмонний магнітофотонний кристал

Реферат: Плазмонний магнітофотонний кристал містить оптичний резонатор з резонансною довжиною хвилі R у вигляді двох брегівських дзеркал, шари вісмут-заміщеного залізо-ітрієвого гранату Bi1,0Y2,0Fe5O12 і залізо-вісмутового гранату Ві3Fе5О12 із сумарною оптичною товщиною, кратною R/2, розміщені між брегівськими дзеркалами. Додатково містить металеву субхвильову ґратку, розміщену на верхньому брегівському дзеркалі. UA 75526 U (54) ПЛАЗМОННИЙ МАГНІТОФОТОННИЙ КРИСТАЛ UA 75526 U UA 75526 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до галузі виробництва кристалів і може бути використана для керування когерентними потоками світла в оптоелектронних і магнітофотонних приладах, системах відображення, зберігання і передавання інформації. Відомий магнітофотонний кристал мікрорезонаторного типу на основі двошарових плівок вісмут-заміщеного залізо-ітрієвого гранату Bi1,0Y2,0Fe5O12 і залізо-вісмутового гранату Ві3Fе5О12, розміщених між двома брегівськими дзеркалами, які відіграють роль оптичного резонатора [Патент 54178 Україна, МПК С30В 30/00]. Недоліком пристрою на основі такого кристала є відносно невисокі значення питомого фарадеївського обертання. Відома двошарова магнітоплазмонна гетероструктура, що містить послідовно нанесені на прозору підкладку шар магнітного діелектрика і металеву ґратку з субхвильовими щілинами певних розмірів [Калиш А.Н., Белотелов В.И., Быков Д.Α., Досколович Л.Л., Звездин А.К. Магнитооптические эффекты в плазмонных двухслойных гетероструктурах // Учен. зап. Казан, гос. ун-та. Сер. Физ.-матем. науки. 2009. Т. 151, кн. 1. - С. 95-102]. Недоліком пристрою на основі такої структури також є відносно невисокі значення питомого фарадеївського обертання. В основу корисної моделі поставлено задачу вдосконалити плазмонний магнітофотонний кристал шляхом використання ефекту плазмон-поляритонного резонансу. Поставлена задача вирішується тим, що плазмонний магнітофотонний кристал, який містить оптичний резонатор з резонансною довжиною хвилі R у вигляді двох брегівських дзеркал, шари вісмут-заміщеного залізо-ітрієвого гранату Bi1,0Y2,0Fe5O12 і залізо-вісмутового гранату Ві3Fе5О12 із сумарною оптичною товщиною, кратною R/2, розміщені між брегівськими дзеркалами, згідно з корисною моделлю, додатково містить металеву субхвильову ґратку, розміщену на верхньому брегівському дзеркалі. Такий плазмонний магнітофотонний кристал, завдяки додатковому використанню в ньому ефекту плазмон-поляритонного резонансу, дозволяє одержувати на резонансній довжині хвилі більш високі, ніж в прототипі, значення питомого фарадеївського обертання. На кресленні схематично зображена структура такого плазмонного магнітофотонного кристала. Кристал виготовлений на підкладці з плавленого кварцу (1) і містить два діелектричні брегівські дзеркала (2) і (5), нижнє дзеркало (2) нанесене на підкладку (1). Дзеркала складаються з N пар переміжних чвертьхвильових шарів Та2О5 і SiO2. Між дзеркалами розташовано два магнітоактивні шари, нижній з яких виконаний з вісмут-заміщеного залізоітрієвого гранату Bi1,0Y2,0Fe5O12 (3) з оптичною товщиною /8, а другий шар, нанесений на нього, виконаний із залізо-вісмутового гранату Ві3Fе5О12 (4) з оптичною товщиною 3/8. На верхнє дзеркало нанесена металева субхвильова ґратка (6). Плазмонний магнітофотонний кристал діє так. Кристал вміщується в зовнішнє магнітне поле Н, яке напрямлене по нормалі до його поверхні і перевищує поля насичення магнітоактивних шарів. На кристал направляється потік (7) лінійно поляризованого випромінювання оптичного діапазону з довжиною хвилі R. В результаті взаємодії випромінювання з металевою субхвильовою ґраткою на межі поділу метал ґратки - діелектрик верхнього дзеркала (5) відбувається збудження поверхневих плазмонполяритонів, що приводить до локального посилення (десятки разів) інтенсивності падаючого на кристал випромінювання в діапазоні товщин порядку кількох сотень нанометрів, так званий плазмон-поляритонний резонанс [Belotelov V.I., Doskolovich L.L., Zvezdin A.K. Extraordinary magneto-optical effects and transmission through metal-dielectric plasmonic systems // Phys. Rev. Lett. 2007. Vol. 98, N 7_077401]. Підсилена плазмон-поляритонним резонансом електромагнітна хвиля, поширюючись углиб структури, приводить до виникнення ефекту Фарадея в магнітоактивних шарах (3) і (4). Брегівські дзеркала (2) і (5) забезпечують локалізацію світла в магнітоактивних шарах внаслідок багатопроменевої інтерференції, що приводить до багатократного посилення фарадеївського обертання на резонансній довжині хвилі R. При цьому, відповідно, на спектральних залежностях коефіцієнта пропускання і кута фарадеївського обертання плазмонного магнітофотонного кристала на довжині хвилі R спостерігаються максимуми коефіцієнта пропускання і кута фарадеївського обертання, обумовлені плазмон-поляритонним резонансом і резонансом в оптичному резонаторі. Приклад виконання. Плазмонний магнітофотонний кристал моделювався для резонансної довжини хвилі R=633 нм і виготовлявся на підкладці з плавленого кварцу товщиною 0,5 мм. Кристал містить два брегівських дзеркала, кожне з яких виконано у вигляді п'яти переміжних пар чвертьхвильових шарів Та2О5 і SiO2. На нижнє дзеркало послідовно нанесено магнітоактивні шари - шар вісмут 1 UA 75526 U 5 10 15 20 25 30 заміщеного залізо-ітрієвого гранату Bi1,0Y2,0Fe5O12 з оптичною товщиною R/8 і шар залізовісмутового гранату Ві3Fе5О12 з оптичною товщиною 3R/8. Загальна оптична товщина магнітоактивних шарів дорівнює R/2. На верхній діелектричний шар Та2О5 нанесено субхвильову ґратку з благородного металу (золота або срібла), що має такі розміри: товщина h=100 нм, ширина смужки металу а = 120 нм, період ґратки d=400 нм. Використання благородних металів, наприклад, золота і срібла, дозволяє найбільш ефективно збуджувати плазмон-поляритони. Крім того, ці метали мають малі втрати на поглинання випромінювання в оптичному діапазоні спектра. Шари діелектричних дзеркал і магнітоактивні шари виготовлялися методом реактивного іонно-променевого розпилення відповідних мішеней у суміші аргону і кисню. Шар Bi1,0Y2,0Fe5O12 після напилення на шар SiO2 кристалізувався на повітрі при атмосферному тиску при температурі 680 °C протягом 20 хв. Потім на нього наносився шар Ві3Fе5О12 і кристалізувався при тих самих умовах. Про успішну кристалізацію і утворення плівок гранатової фази судили за результатами вимірювань магнітооптичних петель гістерезису на довжині хвилі 633 нм кожного із шарів Bi1,0Y2,0Fe5O12 і Ві3Fе5О12, a також усієї структури після її виготовлення. Кути фарадеївського обертання шарів Bi1,0Y2,0Fe5O12 і Ві3Fе5О12 становили мінус 0,064 і мінус 0,58, відповідно. Це відповідає питомому фарадеївському обертанню шарів, відповідно, мінус 1,0 і мінус 6,0°/мкм, що є характерними значеннями для плівок цих складів. Кут фарадеївського обертання магнітофотонного кристала без металевої субхвильової ґратки становив мінус 12,7°, що відповідає питомому фарадеївському обертанню мінус 47,0°/мкм; коефіцієнт пропускання становив 63 %. Металева субхвильова ґратка виготовлялася шляхом нанесення плівки срібла на поверхню верхнього діелектричного дзеркала методом катодного розпилення з подальшим застосуванням методу фотолітографії. Для плазмонного магнітофотонного кристала на резонансній довжині хвилі коефіцієнт пропускання становив 54 %, кут фарадеївського обертання становив мінус 16,3°, що відповідає питомому фарадеївському обертанню мінус 60,2°/мкм. Це значно перевищує значення, характерне для прототипу (мінус 47,0°/мкм). Перевагою пропонованого плазмонного магнітофотонного кристала є можливість одержання в ньому більш високих значень питомого фарадеївського обертання. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 35 Плазмонний магнітофотонний кристал, який містить оптичний резонатор з резонансною довжиною хвилі R у вигляді двох брегівських дзеркал, шари вісмут-заміщеного залізо-ітрієвого гранату Bi1,0Y2,0Fe5O12 і залізо-вісмутового гранату Ві3Fе5О12 із сумарною оптичною товщиною, кратною R/2, розміщені між брегівськими дзеркалами, який відрізняється тим, що додатково містить металеву субхвильову ґратку, розміщену на верхньому брегівському дзеркалі. Комп’ютерна верстка І. Мироненко Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 2