Поверхностные электромагнитные волны Волкова З. А., кафедра физики колебаний. Доклад 2 ноября 2005 года
|
Скачать 64.88 Kb.
|
| Поверхностные электромагнитные волны Волкова З.А., кафедра физики колебаний. Доклад 2 ноября 2005 года. Поверхностные волны – это волны, которые распространяются вдоль границы раздела двух сред и приникают в эти среды на расстояние, меньшее длины волны. В поверхностных волнах вся энергия сосредоточена в узкой окрестности границы раздела, и состояние поверхности существенно влияет на их распространения. Именно поэтому поверхностные волны являются источником информации о состоянии поверхности. Более того, взаимодействие объемных и поверхностных волн может приводить к различным поверхностным эффектам, таким как генерация гармоник, вращение плоскости поляризации при отражении и так далее. Свойства поверхностных волн для идеальных поверхностей теоретически были изучены достаточно давно, еще в начале двадцатого века. Но экспериментально получать чистые поверхности научились только в конце двадцатого века. В 1901 году Зоммерфельд нашел особые решения уравнений Максвелла – экспоненциально затухающие волны, распространяющиеся вдоль граница раздела двух сред. В то время на его работу не обратили внимания, считалось, что это совсем экзотические объекты. В 1902 году Вуд, изучая свойства металлических дифракционных решеток, обнаружил на некоторых частотах отклонения распространения света от законов дифракции. Эти отклонения были названы аномалиями Вуда. В 1941 году Фано объяснил эти аномалии – энергия переходит в поверхностные волны. В 1969 году Отто предложил схему возбуждения поверхностных волн в металлической пленке с помощью призмы. В 1971 году Кречман предложил другую геометрию того же самого. В 1988 году немецкие ученые Кноль и Ротенхойслер предложили и реализовали схему микроскопа на основе поверхностных волн. Немного теории. Уравнения Максвелла в среде   + материальные уравнения  Обычно ищем решение в виде распространяющихся плоских гармонических волн.  При подстановке такого вида решения в материальные уравнения получаем, что и зависят от частоты – временная дисперсия, и волнового вектора – пространственная дисперсия. Связь между частотой и волновым вектором через и называется дисперсионным соотношением. В данном докладе мы будем полагать, что не зависит от частоты и = 1. В оптическом диапазоне частот это условие довольно хорошо выполняется. Поскольку зависит от частоты, то оно может принимать разные значения, в том числе и отрицательные. Рассмотрим задачу о падении плоской монохроматической волны из среды с 1 на идеальную поверхность некоторого вещества 2. П  ри этом выполняются следующие граничные условия:  И  з этих граничных условий при подстановке обычного вида решений получаются известные формулы Френеля, закон Снеллиуса и т.д. Однако такие решения существуют не всегда. Рассмотрим случай, когда диэлектрическая проницаемость среды отрицательна. Этот случай реализуется в некотором диапазоне частот в металлах. Тогда решений в виде распространяющихся волн не существует. Будем искать решения в виде поверхностных волн. Подставляя такое представление в уравнения и граничные условия *, получаем, что существуют волны типа ТМ (transverse-magnetic). Это частично продольные волны, вектор электрического поля может иметь продольную компоненту. Д  ля этих волн из граничных условий можно получить и дисперсионные соотношения.  где  - волновой вектор в вакууме. Зависимость от частоты также неявно присутствует в функциях 1()и 2().Так что же такое отрицательная диэлектрическая проницаемость в металлах? Основные оптические свойства металлов определяются свойствами электронов. Электроны в металлах являются свободными, они могут двигаться под действием электрического поля. Причем двигаются они так, что создаваемое ими поле противоположно по направлению внешнему электрическому полю. Отсюда и берется отрицательный знак. Поэтому электроны в металле частично экранируют внешнее поле, и оно проникает в металл на глубину, значительно меньшую длины волны. Однако если частота внешнего поля будет настолько большой, что электроны не будут успевать реагировать, то металл становится прозрачным. Характерная частота, при которой это происходит, называется плазменной частотой [4]. Вот простая формула – формула Друде, которая показывает зависимость диэлектрической проницаемости металла от частоты.  где p – плазменная частота, – частота столкновений. Также можно на пальцах объяснить, почему поляризация поверхностных волн именно ТМ, где электрическое поле параллельно поверхности. Электроны не могут просто выйти из металла, для этого надо совершить работу (работу выхода). Поэтому если электрическое поле будет перпендикулярно поверхности, оно не приведет к возбуждению поверхностных волн – электроны будут терять энергию на потенциальном барьере – поверхности. Более того, поле переменное, и оно то отдает энергию электронам, то отнимает, поэтому электрон с поверхности не уходит. Если же поле параллельно поверхности, то оно возбуждает колебания электронов в этом же направлении, где нет никакого потенциального барьера. И  так, дисперсионная кривая для поверхностных волн в металле. На рисунке это кривая синего цвета. Красная линия – дисперсионная кривая для вакуума.Основное условие возбуждения любых волн – это условие фазового синхронизма. Фазовый синхронизм – это равенство фазовых скоростей падающей волны и поверхностной волны. Из дисперсионных кривых видно, что нельзя возбудить поверхностные волны в металлической пластинке волной, падающей из вакуума. Есть два способа возбуждения поверхностных волн – а) нарушенное полное внутреннее отражение и б) создание резонансных структур на поверхности. а) Нарушенное полное внутреннее отражение известно еще как оптический туннельный эффект. На границе диэлектрика при угле падения, большем угла полного внутреннего отражения возникают поверхностные волны, которые затем преобразуются в объемные отраженные волны. Но при выполнении условий фазового синхронизма на границе с металлом эти волны могут преобразовываться в поверхностные волны металлической пластинки. Это явление является основой призменного возбуждения поверхностных волн. б   ) Под резонансными структурами здесь понимаются периодические структуры с периодом порядка длины волны поверхностных волн. В таких периодических структурах меняется условие фазового синхронизма - , где - вектор обратной решетки. Возбуждение поверхностных волн приводит к аномалиям Вуда – изменение интенсивности света, дифрагирующего на дифракционной решетке, отличие от стандартного закона дифракции. П  оверхностные плазмоны возбуждаются при определенных углах падения света, и интенсивность света, отраженного от границы, очень сильно зависит от угла падения. Это так называемый плазмонный резонанс. При изменении свойств поверхности меняется угол падения, при котором наблюдается этот резонанс, поэтому, настроившись на определенный угол падения, можно наблюдать изменение интенсивности света. На этом эффекте основано действие микроскопа на поверхностных плазмонах [1].1 - лазер 2 - поляризатор 3 - координатный столик 4 - призма с металлической пленкой 5 - телескоп 6 - фотодетектор Лазер фокусируется на поверхность серебряной пленки, на которой находится объект наблюдения. С помощью координатного столика угол падения подбирается так, что соответствует плазмонному резонансу для чистого металла. При изменении свойств пленки интенсивность света на фотодетекторе меняется, и по этому изменению можно судить об изменении толщины пленки. -  детектирование изменения диэл. проницаемости при фиксированной толщине пленки- детектирование изменения толщины при фиксированной диэл. проницаемости Соотношение неопределенности здесь, однако, не нарушается: зато по другой координате, в плоскости пленки, разрешение довольно низкое – лазер фокусируется в пятно размерами порядка 2 мкм. И  еще одно применение поверхностных волн – перспективы применения в оптической литографии высокого разрешения. -фоторезист, на который переносится изображение оригинала. Размер изображения порядка 10 нм -перфорированная металлическая пленка. Эффективное возбуждение поверхностных волн, которые переносят информацию о структуре оригинала -оригинал – изображение с высоким разрешением, изготовленное методами электронно-лучевой литографии.  свет Электронно-лучевая литография обладает высоким разрешением, но требует последовательного нанесения изображения (по строкам, как в телевизоре), что очень долго для промышленных применений. Если такая возможность изготавливать копии будет реализована в промышленных масштабах, то это существенно уменьшит затраты на изготовление интегральных микроструктур. Список литературы: 1. С.И. Валянский. Микроскоп на поверхностных плазмонах, Соросовский образовательный журнал, №8, 1999 2. М.Н. Либенсон Поверхностные электромагнитные волны оптического диапазона, Соросовский образовательный журнал, №10, 1996 3. Rothenhäusler B., Knoll W. Surface-Plasmon Microscopy, Nature. 1988. № 6165. p. 615-617. 4. Борн, Вольф «Основы оптики», глава «Оптика металлов» 5. F. J. Garcia-Vidal, L. Martin-Moreno Transmission and focusing of light in one-dimensional periodically nanostructured metals, Phys. Rev.B 66, 155412 (2002) 6. Н.А. Гиппиус, С. Г. Тиходеев, А. Крист, Й. Куль, Х. Гиссен. Плазмонно-волноводные поляритоны в металлодиэлектрических фотонно-кристаллических слоях, Физика твердого тела, 2005, том 47, вып. 1 |
Добавить документ в свой блог или на сайт
Ваша оценка этого документа будет первой.
Ваша оценка: 
