Излучение и распространение терагерцовых волн в сэндвич-структурах и метаматериалах

Освоение терагерцового диапазона частот — бурно развивающееся направление современной фотоники. В терагерцовом диапазоне лежат спектры многих важных органических молекул, включая белки и ДНК, что позволяет развивать новые методы спектроскопии биологических образцов [1]. Покрывая энергетический диапазон от единиц до сотен мэВ, терагерцовое излучение способно возбуждать (и соответственно «чувствовать») различные квазичастицы в твёрдых телах — свободные носители заряда, фононы, поляроны, экситоны и т. д. (см. обзор [2] и ссылки в нём). В связи с этим в последние годы терагерцовая спектроскопия стала важным инструментом экспериментальной физики твёрдого тела. С помощью терагерцового излучения можно также управлять химическими реакциями [3] и манипулировать электронными состояниями в квантовых ямах [4]. Терагерцовые лучи позволяют проводить безвредную для человека диагностику, в том числе раковых опухолей, глубины и степени ожогов [5]. Перспективны такие применения [6, 7], как беспроводная коммуникация компьютеров и периферийных устройств внутри зданий, разработка систем безопасности на основе терагерцового видения, детектирование опасных веществ по их терагерцовым «отпечаткам пальцев», неразрушающий контроль фармацевтических и других продуктов и т. п.

Наиболее сложной проблемой в освоении терагерцового диапазона частот до настоящего времени остается разработка эффективных методов генерации терагерцового излучения и создание на этой основе компактных и достаточно мощных терагерцовых источников. Дело в том, что в терагерцовом диапазоне, расположенном на оси частот между инфракрасным и СВЧ диапазонами, не применимы хорошо разработанные в прошлом веке физические принципы генерации оптического и СВЧ излучений. За 4 последние 20 лет, вследствие развития лазерной техники, произошел существенный прогресс в области создания компактных источников терагерцового излучения на основе оптико-терагерцового преобразования фемтосекундных лазерных импульсов. В отличие от таких громоздких установок по генерации мощного терагерцового излучения, как синхротроны [8], лазеры на свободных электронах [9] и газовые лазеры [10], оптико-терагерцовые преобразователи могут быть размещены на оптическом столе, а при использовании в качестве накачки фемтосекундных волоконных лазеров могут быть выполнены и в переносном варианте. В то же время, в отличие от квантовых каскадных лазеров [11, 12], требующих для своей работы криогенных температур, оптико-терагерцовые преобразователи могут работать при комнатной температуре.

Распространенным «настольным» методом генерации терагерцового излучения стало воздействие фемтосекундными лазерными импульсами на фотопроводящие антенны [13], электрооптические [14] и полупроводниковые [15] среды. Данная техника была впервые предложена в середине 80-х годов в основополагающих работах D.H. Auston с соавторами [16, 17] и стала широко применяться с середины 90-х годов. Важным достоинством техники оптико-терагерцового преобразования фемтосекундных лазерных импульсов является возможность синхронизации генерируемых терагерцовых импульсов с лазерными импульсами накачки, что позволило развить амплитудно-фазовые методы детектирования терагерцового излучения, а также разработать методы терагерцовой pump-probe спектроскопии.

Огромное число работ посвящено исследованию возможностей повышения эффективности оптико-терагерцового преобразования (см., например, монографию [18]). В частности, показано, что перспективной нелинейной средой для терагерцовой генерации является плазма, и ведется разработка целого ряда схем оптико-терагерцового преобразования, основанных на лазерном пробое газов [19−25]. При этом дискуссионной темой остается природа лежащего в их основе микроскопического механизма [26−29]. Ведутся также исследования по генерации терагерцового излучения при воздействии фемтосекундными лазерными импульсами на металлические наночастицы, см, например, [30, 31, 32]. Однако эффективность оптико-терагерцового преобразования, в целом, остается пока низкой. Рекордное на сегодня значение эффективности составляет 0,25% и достигается только при использовании мощных лазерных систем с энергией оптического импульса порядка 50 мДж [33]. В типичных же для терагерцовой спектроскопии схемах оптико-терагерцового преобразования на основе лазеров меньшей мощности, например, в широко используемой схеме оптического выпрямления импульсов титан-сапфирового генератора в кристалле ZnTe, эффективность не превышает 10″ 5- 10″ 6.

Генерация терагерцового излучения при воздействии фемтосекундными лазерными импульсами на поверхность полупроводникашироко распространенный метод оптико-терагерцового преобразования. В основе этого метода лежат два основных механизма. Первый — характерен для широкозонных полупроводников и связан с ускорением фотоиндуцированных свободных носителей (электронов и дырок) электрическим полем, встроенным в приповерхностный слой полупроводника. Второй механизм, характерный для узкозонных полупроводников, основан на эффекте Дэмбера — разделении зарядов из-за различия в коэффициентах диффузии электронов и дырок [34]. В обоих случаях после воздействия оптического импульса на поверхность полупроводника в приповерхностном слое наводится импульс фототока пикосекундной длительности или, иначе говоря, импульсный диполь, который и излучает терагерцовые волны. Существенно, что диполь (фототок) ориентирован перпендикулярно поверхности полупроводника, что создаёт проблему вывода излучения из среды (полупроводника), обладающей большим показателем преломления [35].

Для повышения эффективности вывода излучения из полупроводника было предложено несколько методов. Один их них состоит в наложении па поверхность полупроводника сильного (с индукцией в несколько тесла) магнитного поля. Магнитное поле отклоняет диполь от нормали к поверхности, таким образом увеличивая перекрытие между диаграммой направленности диполя и конусом допустимых углов падения для выхода излучения в воздух [36−38]. Так, например, при приложении к поверхности 1пАб магнитного поля в 1 Т было достигнуто увеличение мощности терагерцового излучения в 20 раз [39]. Данный метод, однако, требует использования сильных магнитов, что во многих случаях ограничивает его применение на практике. Другой метод повышения эффективности вывода терагерцового излучения в воздух заключается в переориентировании токов оптически возбуждённых носителей в тангенциальном к поверхности полупроводниковой среды направлении. Добиться этого можно как созданием параллельного поверхности градиента плотности носителей за счёт частичного затенения пучка оптической накачки [40], так и использованием выращенных вдоль а-оси пленок ТпМ, в которых носители могут ускоряться параллельным поверхности внутренним электрическим полем [41].

Простым способом повышения эффективности вывода терагерцового излучения из полупроводника является помещение на его поверхность согласующей призмы или линзы. Так, например, помещение на поверхность 1пАэ призмы из ваАБ позволило в 20 раз увеличить выводимую терагерцовую мощность [35]. Аналогичным образом, помещая линзу из М§-0 на поверхность 1пАб, удалось добиться увеличения мощности терагерцового сигнала в 50 раз [42]. Мощность эмитируемого с поверхности полупроводника терагерцового излучения определяется, однако, не только согласованием диэлектрических проницаемостей призмы (или линзы) и полупроводника, но и всем диэлектрическим окружением излучающего фотоиндуцированного диполя, а именно, толщиной полупроводникового слоя, в котором наводится диполь, и диэлектрической проницаемостью подложки, на которой находится полупроводниковый слой. Например, использованная в [35] структура с тонким (толщиной порядка 500 нм) слоем ГпАб, расположенным между призмой из ваАБ и воздушной подложкой, далеко не оптимальна. Как будет показано ниже (глава 1), в этой структуре терагерцовые волны, излучаемые в призму непосредственно из слоя 1пАз, и волны, приходящие в призму после отражения от границы 1пАз с воздухом, интерферируют деструктивно, таким образом, сильно уменьшая терагерцовый выход. В структуре [42], состоящей из толстого (толщиной порядка 500 микрон) слоя 1пАб, расположенного между линзой и воздушной подложкой, прямой и отражённый от границы ¡-пАя с воздухом терагерцовые импульсы приходят в линзу с задержкой, значительно превышающей длительность импульсов. При этом импульсы не интерферируют между собой, что не позволяет использовать явление конструктивной интерференции для повышения мощности генерируемого терагерцового излучения.

В диссертации (глава 1) предложены две схемы оптико-терагерцовых преобразователей, в которых эффективный вывод терагерцового излучения сочетается с оптимальным диэлектрическим окружением излучающего диполя. Основная идея, лежащая в основе предложенных схем, состоит в использовании в качестве фотовозбуждаемой среды тонкого (в масштабе длины терагерцовой волны) полупроводникового слоя, одна из поверхностей которого металлизирована, а на другую помещен элемент вывода излучения (линза или призма). Терагерцовые волны приходят в элемент вывода излучения как непосредственно от наведенного в полупроводниковом слое диполя, так и после отражения от металлического покрытия. Поскольку металл является фактически идеальным проводником в терагерцовом диапазоне частот, то при отражении от покрытия терагерцовых волн тангенциальная компонента их электрического поля испытывает фазовый сдвиг на 180°. За счет этого обеспечивается конструктивная интерференция терагерцовых волн, излученных в элемент вывода непосредственно и после отражения от металлического покрытия. В силу тонкости полупроводникового слоя условия интерференции не зависят от длины терагерцовой волны и направления эмиссии. В итоге предложенная структура обеспечивает значительное возрастание эффективности оптико-терагерцового преобразования.

В параграфе 1.1 рассмотрена схема оптико-терагерцового преобразователя отражательного типа на основе структуры «гиперполусферическая линза — тонкий слой полупроводникаметаллическая подложка». В этой схеме импульс накачки фокусируется на поверхность полупроводника через диэлектрическую (сапфировую или из оксида магния) гиперполусферическую линзу. Терагерцовое излучение выводится линзой в направлении отраженного оптического пучка. Теоретически установлено, что в структуре со слоем InAs толщиной 500 нм терагерцовый выход на порядок выше, чем в традиционных схемах генерации на поверхности полупроводника [35, 44].

Более удобной для использования в практических приложениях является геометрия с разделением оптического и терагерцового пучков, в которой полупроводниковый слой оптически возбуждается с одной его стороны, а терагерцовое излучение выводится с другой. Недавно такая геометрия была использована для исследования терагерцовой генерации в тонких плёнках InAs, выращенных на кремниевой подложке [43]. Для вывода терагерцового излучения, прошедшего через подложку, было предложено поместить на нее полусферическую кремниевую линзу [44]. По существу, использование геометрии прохождения с согласующей линзой аналогично принципу действия обычной фотопроводящей антенны [45]. Разница состоит только в направлении излучающего диполя — в фотопроводящих антеннах 9 диполь ориентирован параллельно, а не перпендикулярно, плоскости полупроводникового слоя.

В параграфе 1.2 рассматривается возможность дальнейшего улучшения схемы с разделением терагерцового и оптического пучков. Для этого предлагается использовать структуру типа «металлическое покрытие с микроотверстием — полупроводниковый слой — кремниевая подложкагиперполусферическая линза». Поверхность полупроводника возбуждается лазерным импульсом накачки через микроотверстие (диаметром 10−30 мкм) в металлическом покрытии. Всплеск фототока в направлении нормали к поверхности полупроводника излучает терагерцовые волны аналогично элементарному диполю. При этом волны, отражённые от металлического покрытия, будут испытывать изменение фазы тангенциальной компоненты электрического поля на ж и, следовательно, будут конструктивно интерферировать с волнами, излучаемыми в подложку, а затем и в линзу, непосредственно (толщина полупроводникового слоя предполагается малой по сравнению с терагерцовой длиной волны). Гиперполусферическая линза обеспечивает вывод и коллимацию терагерцового излучения. Теоретически показано, что использование предложенной структуры может на порядок увеличить терагерцовый выход по сравнению с традиционными способами оптико-терагерцового преобразования на поверхности полупроводника.

Еще один распространенный метод генерации терагерцового излучения фемтосекундными лазерными импульсами основан на обратном электрооптическом эффекте или, по другой терминологии, эффекте нелинейного оптического выпрямления [46, 47]. В этом методе лазерный импульс накачки наводит в электрооптическом кристалле без центра симметрии всплеск нелинейной поляризации, спектр которой состоит из всевозможных разностных частот между спектральными компонентами в полосе импульса накачки. В отличие от фотопроводимости, явление электрооптического выпрямления является нерезонансным и, следовательно, допускает значительно более высокие значения флюенса накачки. Ещё более важным является то обстоятельство, что в случае электрооптического выпрямления спектральная полоса терагерцового излучения ограничена только спектром импульса накачки. Для эффективной генерации необходимо обеспечить фазовый синхронизм. В случае оптического выпрямления это подразумевает равенство групповой скорости оптического импульса накачки и фазовой скорости всех частотных компонент терагерцового импульса [48]. Например, в кристаллах ZnTe наблюдается синхронизм между оптическим импульсом с длиной волны 800 нм и терагерцовыми волнами с частотой ниже 2,2 ТГц [48]. В то же время, в кристаллах, в которых групповой показатель преломления для оптического импульса превышает показатель преломления на терагерцовых частотах, возможен черенковский механизм генерации терагерцовых волн. В этом случае двигающаяся нелинейная поляризация излучает электромагнитные волны подобно релятивистскому диполю [49]. Для возбуждения черенковского излучения оптический импульс должен быть сфокусирован до размера меньше длины терагерцовой волны.

Гораздо менее известным по сравнению с эффектом нелинейного оптического выпрямления является его магнитооптический аналогобратный эффект Фарадея, который, в принципе, также может служить механизмом терагерцовой генерации. Обратный эффект Фарадея заключается в наведении статической намагниченности циркулярно-поляризованным светом в магнитооптической среде. Хотя этот эффект был предсказан около 50 лет назад [50] и экспериментально подтвержден для сравнительно длинных (длительностью 30 не) лазерных импульсов несколькими годами позже [51], сверхбыстрый обратный эффект Фарадея был экспериментально продемонстрирован лишь совсем недавно [52]. Во второй главе диссертации предлагается новый метод изучения сверхбыстрых оптомагнитных явлений, в частности, сверхбыстрого обратного эффекта.

Фарадея. Этот метод состоит в измерении терагерцового черепковского излучения от движущихся областей намагниченности.

Вообще, наблюдение терагерцового излучения, возникающего вследствие оптического возбуждения магнитных материалов, стало в последнее время важным методом исследования сверхбыстрой динамики намагниченности. Эта экспериментальная техника, разновидность метода терагерцовой спектроскопии во временной области, впервые была применена для изучения сверхбыстрого размагничивания, вызванного воздействием фемтосекундных лазерных импульсов на ферромагнитные металлические плёнки Ре и N1 [53, 54]. Недавно измерение терагерцовой эмиссии было использовано для детектирования оптически возбуждённых колебаний намагниченности на частоте 1 ТГц) антиферромагниного резонанса в оксиде никеля N?0 [55−58]. Хотя механизм оптического возбуждения антиферромагнитной моды остаётся до конца неясным, была выдвинута гипотеза, что лазерным импульсом в веществе наводится, за счёт обратного эффекта Фарадея, кратковременный импульс эффективного магнитного поля, который действует на спины и «запускает» колебания намагниченности [59]. Противоречие между этой гипотезой и экспериментами, в которых терагерцовое излучение наблюдалось и при линейной поляризации накачки, было объяснено линейным магнитным двулучепреломлением материала № 0 [55, 58]. В целом, эксперименты [55−58] не дают прямой информации об обратном эффекте Фарадея, поскольку наблюдаемое в них терагерцовое излучение имеет своим источником не кратковременную вынужденную намагниченность, существующую во время действия лазерного импульса накачки, а свободные колебания антиферромагнитной моды, период которых существенно превосходит длительность лазерного импульса и которые продолжаются длительное время после окончания накачки. Для прояснения природы сверхбыстрого обратного эффекта Фарадея, играющего ключевую роль в физике фемтомагнетизма, необходима разработка схемы терагерцовой спектроскопии, направленной на непосредственное измерение терагерцовой эмиссии от импульса вынужденной намагниченности.

Уже из общих соображений ясно, что для непосредственного наблюдения сверхбыстрого обратного эффекта Фарадея, как экспериментальная конфигурация, так и материал исследуемого образца, должны быть полностью отличными от использованных в работах [55−58]. Во-первых, лазерный импульс накачки должен быть сфокусирован в пятно размером порядка (или меньше) длины терагерцовой волны 300 мкм), тогда как в экспериментах [55−58] использовались лазерные пучки диаметром >1 мм. В самом деле, наведённая за счёт обратного эффекта Фарадея намагниченность ориентирована вдоль направления распространения лазерного импульса и при большом размере пятна накачки образует квазипланарный продольный источник, который не может излучать поперечную электромагнитную волну. В тоже время, как это известно для нелинейно-оптического выпрямления фемтосекундных лазерных импульсов в электрооптических кристаллах — электрического аналога обратного эффекта Фарадея, продольный источник (поляризация), созданный сфокусированным лазерным импульсом, может генерировать терагерцовое излучение за счет черенковского механизма [60]. Во-вторых, для формирования большого (достаточного для регистрации) черенковского конуса импульс накачки должен пробегать в образце достаточно длинную дистанцию [60]. По этой причине, вместо тонких (<100 мкм) сильно поглощающих (с коэффициентом поглощения ~ 100 см" 1) плёнок, как в работах [55−58], в качестве образца следует использовать толстый прозрачный кристалл. В-третьих, ввиду большого показателя преломления кристалла на терагерцовых частотах генерируемый в кристалле черенковский конус может испытывать полное внутреннее отражение на границе кристалла. Для обхода этого ограничения нужно использовать кристалл специальной формы или согласующую призму [61].

Как показано во второй главе, всплеск намагниченности, наведённой в магнитооптическом материале за счет обратного эффекта Фарадея, т. е. путём нелинейного магнитооптического выпрямления фемтосекупдного лазерного импульса, испускает терагерцовые волны. Для максимизации излучения предлагается использовать структуру типа сэндвича, состоящую из слоя оптически прозрачного материала с большим магнитооптическим коэффициентом и выводящей призмы, присоединенной к боковой поверхности слоя. Фемтосекундный лазерный импульс круговой поляризации фокусируется в линию цилиндрической линзой и заводится в магнитооптический слой с торца. Распространяясь в слое вблизи границы с согласующей призмой, оптический импульс наводит в среде намагниченность, которая движется вместе с лазерным импульсом и излучает черенковский клин терагерцовых волн в призму. В диссертации разработана теория черенковского излучения от движущейся области оптонамагниченности в сэндвич-структуре общего вида. Для структуры со слоем Tb3Ga50i2 и призмы из высокоомного кремния предсказана амплитуда терагерцового поля, сравнимая по величине с полями, генерируемыми в стандартных фотопроводящих антеннах.

Еще одно бурно развивающееся в настоящее время направление прикладной физики — электродинамика метаматериалов, то есть, искусственных микроструктурированных сред. Электрический и магнитный отклики таких сред определяются в первую очередь строением (а не материалом) их структурных элементов. Это позволяет создавать материалы со свойствами, недостижимыми в природе, например, так называемые левосторонние (left-handed) среды, характеризуемые отрицательным показателем преломления (см., например, обзоры [62, 63]). Отрицательным показателем преломления обладают среды с одновременно отрицательными значениями диэлектрической и магнитной проницаемостей в некотором интервале частот. Отрицательная диэлектрическая проницаемость наблюдается в естественных средах, например, в металлах ниже плазменной частоты. Значительно труднее найти материалы с отрицательной магнитной проницаемостью, ввиду слабого взаимодействия атомов с магнитным полем. Отрицательную магнитную восприимчивость в некоторой полосе частот можно получить, например, используя структуры на основе кольцевых резонаторов с зазором (split-ring resonators). Такие структуры обеспечивают резонансный диамагнитный отклик на частотах чуть выше частоты резонанса, зависящей от геометрических размеров резонатора [64]. Подобные структуры были впервые успешно опробованы в микроволновом диапазоне [65, 66]. В настоящее время ведётся разработка метаматериалов в широком диапазоне электромагнитного спектра вплоть до инфракрасных частот. Основной проблемой при создании метаматериалов на таких высоких частотах являются большие потери. Тем не менее, определенные успехи уже достигнуты в разработке метаматериалов для терагерцового диапазона частот [67]. В этом диапазоне перспективны структуры на основе диэлектрических цилиндров, где эффективный отрицательный показатель преломления достигается за счёт резонансной локализации электромагнитного поля в цилиндрах [68, 69]. Ведётся также разработка терагерцовых метаматериалов на основе fish-net геометрии [70, 71]. На основе метаматериалов были предложены терагерцовые линзы, свитчи (переключатели), модуляторы и сенсоры [72−75]. Однако, в целом, дизайн терагерцовых метаматериалов пока находится в неразвитом состоянии.

Метаматериалы и композитные структуры, взаимодействующие не только с электрическим, но и с магнитным полем световой волны, могут обеспечить преодоление считавшихся фундаментальными оптических ограничений, например, дифракционного предела разрешения оптических инструментов. Продемонстрирована теоретически и отчасти экспериментально возможность создания таких фантастических объектов, как плащ-невидимка [76] и суперлинза [77]. Предсказаны, но пока не до конца исследованы и другие необычные электродинамические эффекты в метаматериалах, например, обращенный эффект Черепкова в левосторонней среде и «отрицательное давление» света [78].

Обращенный эффект Черенкова, предсказанный Пафомовым ещё в 1959 году [79], в последние годы привлекает пристальное внимание исследователей. Однако большинство работ носит абстрактно-теоретический характер. Так в работе [80] теоретически исследовалось черенковское излучение точечного заряда, двигающегося в изотропной среде, электрическая и магнитная проницаемости которой описываются формулами Лоренца и имеют отрицательные знаки в некотором частотном интервале. В соответствии с предсказаниями Пафомова и Веселаго было показано, что некоторые лепестки диаграммы направленности излучения заряда действительно направлены назад — под углом, большем 90°, по отношению к направлению движения источника. Объёмное и поверхностное черенковское излучение нерелятивистского сгустка электронов, двигающегося над поверхностью левосторонней среды, рассчитывалось в работе [81]. Влияние анизотропии левостороннего материала на спектральное распределение энергии обращенного черенковского излучения точечного заряда изучалось в работе [82]. Также рассматривалось излучение заряда, двигающегося в волноводе, частично заполненном анизотропным левосторонним материалом [83, 84]. Существование обращенного черенковского излучения от релятивистского сгустка электронов в волноводе, заполненном левосторонним метаматериалом, было косвенно подтверждено в эксперименте [85]. Тем не менее, в работе [85] направление распространения излучения измерено не было. В работе [86] волновод с прорезями, играющий роль фазированной решётки излучателей (диполей), был использован для имитации источника, движущегося вдоль грани призмы из левостороннего метаматериала, и генерации обращённого черенковского излучения. Однако, прямое экспериментальное наблюдение обращенного эффекта Черепкова от ультрарелятивистского заряда или диполя остаётся нерешенной задачей [87].

В третьей главе диссертации предложена и теоретически исследована оригинальная схема для экспериментальной реализации обращенного эффекта Черенкова — черенковское излучение терагерцовых волн движущейся с релятивистской скоростью областью нелинейной поляризации, создаваемой при распространении фемтосекундного лазерного импульса в сэндвич-структуре с тонкой сердцевиной из электрооптического кристалла (например, ЫЫЬ03) и обкладками из метаматериала. Предполагается, что лазерный импульс заводится в сердцевину с торца путем фокусировки в линию с помощью цилиндрической линзы. Распространяясь в сердцевине в виде моды диэлектрического волновода, лазерный импульс индуцирует, за счет эффекта оптического выпрямления, нелинейную поляризацию, которая и служит источником черепковского излучения в метамагериальпых обкладках. Предлагаемый метод экспериментальной реализации обращённого эффекта Черенкова имеет ряд существенных преимуществ по сравнению с разрабатываемыми в настоящее время схемами на основе релятивистских электронных пучков. Во-первых, мощность черенковского излучения возрастает с увеличением частоты, а значит, терагерцовый режим генерации предпочтительнее микроволнового, который характерен для схем с электронными пучками. Во-вторых, фокусировка накачки в линию обеспечивает масштабируемость энергии генерируемого излучения пу1ем увеличения энергии накачки и одновременного увеличения длины фокального пятна накачки для поддержания оптической интенсивности ниже порога разрушения материала сердцевины. В-третьих, излучение от линейного источника имеет практически плоский волновой фронт, т. е. излучается черенковский клин, а не конус. При этом, как будет показано в главе 3, поляризация излучения является линейной и в оптимальном случае параллельна линейному источнику. Такая конфигурация, в отличие от осесимметричного излучения от электронного пучка, хорошо сочетается с типичной геометрией простых метаматериалов, например с метаматериалом из параллельных диэлектрических цилиндров [68],. Наконец, для реализации предлагаемой схемы оптико-терагерцового преобразования не требуется вакуум.

В целом, применение метаматериалов для целей преобразования лазерных импульсов в терагерцовое излучение является привлекательным по следующим причинам. С одной стороны, в терагерцовом диапазоне частот проще (по сравнению, с оптическим диапазоном) решить задачу практического создания метаматериалов — в связи с гораздо большим (десятки микрон вместо десятков нанометров) размером метаатома (элементарной ячейкой метаматериала) и гораздо меньшим поглощением па терагерцовых частотах. С другой стороны, на основе использования необычных электродинамических свойств метаматериалов возникает возможность разработки эффективных методов генерации и преобразования терагерцового излучения в интересах целого ряда практических приложений.

В четвёртой главе диссертации предлагается новый подход к дизайну терагерцовых метаматериалов. Этот подход основан на идее, которая была высказана Веселаго 60 лет назад [78] и заключается в использовании отрицательной магнитной проницаемости, существующей в ферромагнитных материалах вблизи ферромагнитного резонанса [88]. К сожалению, частота ферромагнитного резонанса в типичных объёмных ферромагнетиках составляет несколько гигагерц, что ограничивает применение этих материалов на более высоких частотах [89]. В тоже время, хорошо известно, что частоты спиновых волн (неоднородных волн прецессии вектора намагниченности) могут достигать нескольких терагерц в обменном режиме [90, 92]. Например, обменные спиновые волны изучались в композитных средах, содержащих цилиндрические [93, 95] или сферические [96, 100] магнитные включения. Однако, возбуждение таких волн однородным электромагнитным полем традиционно рассматривалось как очень слабое.

В четвёртой главе диссертации показано, что взаимодействие между электромагнитным полем и стоячими спиновыми волнами в тонких ферромагнитных плёнках с закреплением спинов на поверхности может быть достаточно сильным и, вследствие этого, может приводить к отрицательным значениям эффективной магнитной восприимчивости на субтерагерцовых (а в перспективе и на терагерцовых) частотах. В этом частотном диапазоне металлические ферромагнитные плёнки уже обладают отрицательной диэлектрической проницаемостью, таким образом, не требуется использовать дополнительные элементы для получения отрицательного показателя преломления. Таким образом, предлагается использовать тонкие ферромагнитные плёнки с закреплением спинов на поверхности в качестве составных элементов левостороннего мегаматериала. В диссертации проанализирована зависимость эффективной магнитной проницаемости от параметров и свойств ферромагнитных плёнок.

Таким образом, целью диссертационной работы является разработка эффективны^ методов преобразования ультракоротких лазерных импульсов в терагерцовое излучение на основе использования нелинейных и фотопроводящих слоистых (сэндвич) структур и исследование возможностей применения оптико-терагерцовых преобразований для изучения явлений сверхбыстрого оптомагнетизма и электродинамических эффектов в метаматериалах.

Научная новизна проведенных исследований заключается в следующем:

1. Предложены две оригинальные схемы оптико-терагерцовых преобразователей, обеспечивающие значительное (по порядку величины) возрастание терагерцового выхода с поверхности полупроводниковой среды под действием ультракоротких лазерных импульсов.

2. Предложен новый метод изучения сверхбыстрых оптомагнитных явлений, основанный на регистрации терагерцового черепковского излучения от релятивистки движущейся области намагниченности, создаваемой в слое магнитооптического материала ультракоротким лазерным импульсом.

3. В классической задаче о черенковском излучении магнитного диполя впервые исследован случай, когда диполь является не движущимся материальным объектом, а перемещающейся с групповой скоростью оптического импульса накачки областью намагниченности в неподвижном магнитооптическом материале.

4. Для экспериментального исследования обращенного эффекта Черенкова в левосторонних средах предложена и теоретически исследована оригинальная схема на основе сэндвич-структуры с обкладками из метаматериала и сердцевиной из электрооптического кристалла, накачиваемого сфокусированными в линию ультракороткими лазерными импульсами.

5. Впервые поставлена и решена задача о возбуждении переменным магнитным полем спиновых волн в тонких ферромагнитных плёнках с частичным закреплением спинов на поверхности. На основе полученного решения предложен новый тип метаматериала — магнонный метаматериал — в виде массива ферромагнитных пленок в диэлектрической матрице, обладающий отрицательными значениями магнитной и диэлектрической проницаемостей в субтерагерцовом диапазоне частот.

Перейдём к последовательному краткому изложению содержания диссертации. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка работа по теме диссертации и списка цитируемой литературы.

Основные результаты, вошедшие в диссертацию, опубликованы в следующих статьях в рецензируемых журналах:

Al. Bakunov M.I., Mikhaylovskiy R.V., Tani М. Strong interference enhancement of terahertz emission from a photoexcited semiconductor surface // Optics Express. 2010. Vol. 18. P. 22 406.

A2. Bakunov M.I., Mikhaylovskiy R.V., Tani M., Que C.T. A structure for enhanced terahertz emission from a photoexcited semiconductor surface // Appl. Phys. B. 2010. Vol. 100. P. 695.

A3. Bakunov M.I., Mikhaylovskiy R.V., Bodrov S.B., Luk’yanchuk B.S. Reversed Cherenkov emission of terahertz waves from an ultrashort laser pulse in a sandwich structure with nonlinear core and left-handed cladding // Optics Express. 2010. Vol. 18. P. 1684.

A4. Mikhaylovskiy R.V., Hendry E., Kruglyak V.V. Negative permeability due to exchange spin-wave resonances in thin magnetic films with surface pinning // Phys. Rev. B. 2010. Vol. 82. P. 195 446.

Также результаты диссертационной работы опубликованы в трудах и тезисах конференций:

А5. Mikhaylovskiy R.V., Dvornik М., Dmytriiev О., Kruglyak V.V. Magnonic meta-materials // Book of abstracts of Moscow International Magnetism Symposium (MISM 2011), Moscow, Russia, August 22−25, 2011. P. 590.

A6. Mikhaylovskiy R.V., Hendry E., Kruglyak V.V. Negative permeability from high frequency spin wave resonances in thin ferromagnetic films // Proceedings of the Fourth International Congress on Advanced Electromagnetic Materials in Microwaves and Optics (Metamaterials 2010), Karlsruhe, Germany, September 1316, 2010. P. 62−64.

A7. Бакунов М. И., Михайловский P.B. Обращенный эффект Черенкова в сэндвич-структуре с нелинейной сердцевиной и обкладками из метаматериала // Сборник трудов участников XII Всероссийской школы-семинара «Волновые явления в неоднородных средах», Звенигород, 24−29 мая, секция 7, с. 53−56.

Заключение

.

Сформулируем кратко основные результаты диссертации.

1. Предложена схема эффективного оптико-терагерцового преобразователя отражательного типа на основе структуры типа «диэлектрическая гиперполусферическая линза — тонкий слой полупроводникаметаллическая подложка». Фемтосекундный лазерный импульс фокусируется на поверхность полупроводникового слоя через гиперполусферическую линзу и индуцирует в полупроводнике всплеск фототока. Металлическая подложка обеспечивает конструктивную интерференцию терагерцовых волн, излученных фототоком в линзу непосредственно и после отражения от подложки. В силу тонкости полупроводникового слоя конструктивный характер интерференции сохраняется для широкого спектра терагерцовых частот. Специально рассчитанная гиперполусферическая линза обеспечивает вывод и коллимацию терагерцового излучения. Показано, что в структуре со слоем 1пАб толщиной 500 нм терагерцовый выход значительно (на порядки величин) больше, чем в предшествующих схемах оптико-терагерцового преобразования на поверхности полупроводника.

2. Предложена схема эффективного оптико-терагерцового преобразователя на основе структуры типа «металлическое покрытие с микроотверстиемтонкий слой рабочего полупроводника — кремниевая подложкагиперполусферическая линза», обеспечивающая удобное для практического использования пространственное разделение терагерцового и оптического пучков. Оптический импульс возбуждает поверхность полупроводника через отверстие в металлическом покрытии (диаметром -10−30 мкм), а генерируемое терагерцовое излучение выводится через линзу с противоположной стороны структуры. Металлическое покрытие обеспечивает конструктивную интерференцию терагерцовых волн, излученных из полупроводникового слоя в кремниевую подложку непосредственно и после отражения от покрытия. Разработан дизайн гиперполусферической линзы для вывода и коллимации терагерцового излучения.

3. Предложен метод экспериментального исследования сверхбыстрых оптомагнитных явлений, основанный на регистрации терагерцового черенковского излучения от релятивистки движущейся области намагниченности, создаваемой в слое магнитооптического материала ультракоротким лазерным импульсом. Для реализации метода предложена сэндвич-структура, состоящая из слоя магнитооптического материала и согласующей призмы. Разработана теория генерации черенковского излучения в такой структуре фемтосекундным лазерным импульсом круговой поляризации за счет обратного эффекта Фарадея. Для структуры со слоем ТЬз0а50ц и призмой из высокоомного кремния предсказана возможность генерации терагерцовых полей, сравнимых по величине с полями от стандартных фотопроводящих антенн — порядка 20 В/см (без фокусировки) при накачке импульсами титан-сапфирового лазера длительностью 100 фс и энергией 100 мкДж.

4. Предложена удобная для практической реализации схема экспериментального исследования обращенного эффекта Черенкова в левосторонних средах на основе сэндвич-структуры с обкладками из метаматериала и сердцевиной из электрооптического кристалла, накачиваемого сфокусированными в линию ультракороткими лазерными импульсами. Разработана теория черенковского излучения терагерцовых волн в сэндвич-структуре с обкладками из модельного метаматериала, диэлектрическая и магнитная проницаемости которого описываются общими формулами Друде-Лоренца. Показано, что путем изменения толщины сердцевины и длительности импульса накачки можно управлять спектром обращенного черепковского излучения. Предложена форма метаматериальных обкладок, обеспечивающая эффективный и раздельный вывод в свободное пространство обычной (прямой) и обращенной компонент черенковского излучения. Для сэндвич-структуры с сердцевиной из ниобата лития толщиной 40 мкм предсказана достаточно большая амплитуда электрического поля обращенного черенковского излучения — порядка нескольких кВ/см при накачке импульсами титан-сапфирового лазера длительностью 100 фс и умеренной пиковой л интенсивностью ~40 ГВт/см .

5. Построена теория эффективной магнитной восприимчивости многослойного метаматериала, состоящего из массива тонких ферромагнитных плёнок с закреплением намагниченности на одной из поверхностей пленки или на обеих ее поверхностях. Показано, что благодаря закреплению намагниченности в пленке при наложении однородного переменного магнитного поля могут возбуждаться стоячие спиновые волны с частотами, превышающими частоту однородного ферромагнитного резонанса. Проанализировано, как частоты неоднородных спиновых мод зависят от силы закрепления спинов, толщины плёнки и других параметров. Установлено, что взаимодействие неоднородных магнонных мод с электромагнитным полем может быть достаточно сильным и приводить к отрицательным значениям эффективной магнитной проницаемости в массиве плёнок из сплава СоРе на субтерагерцовых частотах (порядка сотен гигагерц). Указаны способы повышения частоты резонанса и величины отрицательного магнитного отклика. Отмечено, что на резонансных (субтерагерцовых) частотах спиновых волн диэлектрическая проницаемость (металлических) плёнок также отрицательна, поэтому предложенный метаматериал может обладать свойством левосторонности.

Список публикаций по диссертации.