Описание аппаратуры и метода измерений

Оптическая спектроскопия широко применяется в химии, биологии, науках о материалах, для исследования взаимодействия света с электронной, фононной, молекулярной и другими подсистемами вещества.

В химии и биологии колебательная спектроскопия используется для получения информации о структуре молекулы, процессах релаксации энергии, для количественного и качественного анализа. В физике твердого тела исследуются электронная структура, динамика кристаллической решётки, кинетические, магнито-оптические, электро-оптические свойства, а также оптические свойства (показатель преломления, коэффициент поглощения).

Методы и задачи оптической спектроскопии наноструктур можно разделить на три группы соответственно трем группам наноструктур. К первой группе относятся упорядоченные и неупорядоченные наноструктуры с характерным размером нанообразований значительно меньшим длины волны. Методы и задачи оптической спектроскопии таких структур идентичны таковым для твердого тела. Ко второй группе относятся относятся неупорядоченные структуры с характерным размером нанообразований, совпадающим по порядку величины с длиной волны. Такие наноструктуры являются непрозрачными, даже если они изготовлены из материала, прозрачного в состоянии однородного твердого тела. Для таких структур могут применяться только методы рассеяния света. К третьей группе относятся упорядоченные структуры с характерным размером нанообразований совпадающим по порядку величины с длиной волны. Такие материалы носят название фотонно- кристаллических. Более точное определение фотонного кристалла формулируется следующим образом: это материал, структура которого характеризуется периодическим изменением коэффициента преломления в пространственных направлениях. Для фотонных кристаллов наряду с общими используются специальные методики.

В фотонных кристаллах запрещено распространение электромагнитных волн в некоторой полосе частот в одном, двух или трех пространственных измерениях. По аналогии с полупроводниками эта полоса называется запрещенной фотонной зоной (ЗФЗ). Фотонные кристаллы могут быть использованы для создания устройств управления электромагнитными волнами. Наиболее эффективное управление волнами осуществляется в режиме Брэгговской дифракции.

Первый фотонный кристалл был изготовлен Яблоновичем [1] путем сверления миллиметровых отверстий в материале с высоким показателем преломления. Этот кристалл не пропускал излучение миллиметрового диапазона и реализовывал фотонную структуру с запрещенной зоной. В настоящее время под термином «фотонный кристалл» чаще всего подразумеваю структуры, с использованием идеологии фотонных структур созданы беспороговые полупроводниковые лазеры и лазеры на основе редкоземельных ионов, высокодобротные резонаторы, оптические волноводы, спектральные фильтры и поляризаторы.

На рис. 13 приведены примеры неупорядоченной наноструктуры и фотонных кристаллов различных размерностей.

Рис.13. Неупорядоченная наноструктура (а) и фотонные кристаллы: одномерный (б), двумерный (в) и трехмерный (г).

Рис. 14. Различные типы фотонно-кристаллических волокон с воздушным ядром (производство фирмы ThorLabs)

На рис. 15 приведен типичный спектр пропускания одномерного фотонного кристалла. Зависимость коэффициента пропускания от длины волны такой структуры имеет область, в которой коэффициент отражения близок к 1. Это и есть запрещенная зона для одномерной структуры, причем следует отметить, что для одномерной структуры положение зоны смещается при изменении угла падения. Отметим, что такие структуры давно известны и хорошо изучены в когерентной и нелинейной оптике, носят название брэгговских и используются для изготовления высокоотражающих зеркал для лазерной техники.

Рис. 15. Одномерная фотонная структура и зависимость её пропускания от длины волны

Другой тип фотонных кристаллов, широко используемый в оптических приборах и производимый различными оптическими компаниями – это фотоннокристаллическое волокно.

Как правило, эти волокна включают периодическую структуру воздушных пустот в пределах кварцевой сердцевины, причем в центре находиться либо кварцевое ядро, либо ядро в виде полого воздушного волновода

Волноводный эффект в таких структурах осуществляется благодаря внутреннему отражению от периодической структуры «воздух-кварц» и созданию широкой запрещенной зоны для излучения, распространяющегося вдоль такой структуры. В отличии от обычных волокон, в фотонно-кристаллических расположение и размер воздушных полостей позволяют в широких пределах варьировать их параметры. Микроструктурные волокна сохраняют одномодовый характер распространения с минимальными потерями в широкой области спектра, могут обладают нулевой дисперсией групповых скоростей вплоть до 650 нм.

В данной работе исследуются спектры пропускания и отражения двух видов наноструктур: неупорядоченной (полученной в работе Н-1) и упорядоченной (фотонного кристалла).

Блок-схема электрических соединений установки представлена на рис. 16. Фотография установки представлена на рис. 17. Основные элементы установки: источник света, монохроматор: система фокусировки излучения и построения изображения, система регистрации:, вспомогательные элементы: программа автоматизированного и управления установкой и считывания данных.

Рис. 16. Блок-схема электрических соединений установки

Рис. 17. Фотография установки

На рис. 18 представлена фотография передней панели синхронного детектора на рис. 19 - вид панели управления монохроматором и считывания данных.

Рис. 18. Фотография передней панели синхронного детектора

Рис.19 Вид панели управления монохроматором и