Аннотация
Рассматриваются нелинейные дискретные моды в двумерной решетке металлических наночастиц, возбуждаемой оптическим излучением на частоте, близкой к частоте поверхностного плазмонного резонанса уединенной частицы. Предполагается, что размер частиц много меньше оптической длины волны, а межчастичное расстояние достаточно велико, чтобы отклик частиц можно было рассматривать в рамках дипольного приближения. Мы также считаем, что наночастицы сделаны из серебра и обладают нелинейным откликом керровского типа.
В силу того, что каждая частица представляет собой резонансно возбуждаемый нелинейный осциллятор с относительно медленным инерционным откликом по сравнению с периодом колебаний света, динамический отклик системы описывается в терминах медленных амплитуд поляризаций каждого шарика. Стандартная процедура линеализации дает возможность получить зоны модуляционной неустойчивости и бистабильности однородного стационарного решения соответствующих динамических уравнений на плоскости параметров внешнего поля «интенсивность–частота». Используя эти данные, мы представляем и анализируем примеры генерации плазмонного аналога волн Фарадея, устойчивых двумерных солитонов, осциллонов и кинков (волн переключения), фронт которых представляет собой переход при изменении номера частицы от одного однородного распределения поляризаций частиц к другому при однородном внешнем возбуждении. Также обсуждается реалистичная длительность лазерного импульса, которая должна быть достаточно большой для формирования рассмотренных нелинейных дискретных мод, но в то же время достаточно малой для предотвращения теплового разрушения наночастиц.
Ключевые слова: плазмоника, нанофотоника, металлическая наночастица, кубическая восприимчивость серебряной наночастицы, поверхностный плазменный резонанс, дискретная локализованная мода, модуляционная неустойчивость, волны Фарадея, солитон, осциллон, кинк
Список литературы
1. Kauranen M., Zayats A.V. Nonlinear plasmonics // Nature Photonics. 2012. V. 6. N 11. P. 737–748.
2. Кившарь Ю.С., Орлов А.А. Перестраиваемые и нелинейные метаматериалы // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2012. № 3 (79). С. 1–10.
3. Розанов Н.Н., Высотина Н.В., Шацев А.Н., Десятников А.С., Шадривов И.В., Носков Р.Е., Кившарь Ю.С. Дискретные волны переключения и диссипативные солитоны в когерентно возбуждаемых наноструктурах и метаматериалах // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2012. № 4 (80). С. 1–12.
4. Utikal T., Hentschel M., Giessen H. Nonlinear photonics with metallic nanostructures on top of dielectrics and waveguides // Appl. Phys. B. 2011. V. 105. N 1. P. 51–65.
5. Schumacher T., Kratzer K., Molnar D., Hentschel M., Giessen H., Lippitz M. Nanoantenna-enhanced ultrafast nonlinear spectroscopy of a single gold nanoparticle // Nature Commun. 2011. V. 2. P. 333-1–333-6.
6. Ginzburg P., Krasavin A.V., Zayats A.V. Cascaded second-order surface plasmon solitons due to intrinsic metal nonlinearity // New J. Phys. 2013. V. 15. P. 013031-1–013031-13.
7. Zharov A.A., Noskov R.E., Tsarev M.V. Plasmon-induced terahertz radiation generation due to symmetry breaking in a nonlinear metallic nanodimer // J. Appl. Phys. 2009. V. 106. N 7. P. 073104-1–073104-5.
8. Noskov R.E., Zharov A.A., Tsarev M.V. Generation of widely tunable continuous-wave terahertz radiation using a two-dimensional lattice of nonlinear metallic nanodimers // Phys. Rev. B. 2010. V. 82. N 7. P. 073404-1–073404-4.
9. Wang H., Shi L., Lukyanchuk B., Sheppard C.J.R., Chong C.T. Creation of a needle of longitudinally polarized light in vacuum using binary optics // Nature Photonics. 2008. V. 2. N 8. P. 501–505.
.
10.Palpant B. Third-order nonlinear optical response of metal nanoparticles // Non-Linear Optical Properties of Matter / Eds M. G. Papadopoulos, A. J. Sadlej, J. Leszczynski. Dordrecht: Springer, 2006. V. 1. P. 461–508.
11.Раутиян С.Г. Нелинейная спектроскопия насыщения вырожденного электронного газа в сферических металлических наночастицах // ЖЭТФ. 1997. Т. 112. № 3 (9). С. 836–855.
12.Drachev P., Buin A.K., Nakotte H., Shalaev V.M. Size dependent
for conduction electrons in Ag nanoparticles // Nano Lett. 2004. V. 4. N 8. P. 1535–1539.
13.Govyadinov A.A., Panasyuk G.Y., Schotland J.C., Markel V.A. Theoretical and numerical investigation of the size-dependent optical effects in metal nanoparticles // Phys. Rev. B. 2011. V. 84. N 15. P. 155461-1–155461-12.
14.Noskov R.E., Belov P.A., Kivshar Yu.S. Subwavelength modulational instability and рlasmon oscillons in nanoparticle arrays // Phys. Rev. Lett. 2012. V. 108. N 9. P. 093901-1–093901-5.
15.Noskov R.E., Belov P.A., Kivshar Yu.S. Subwavelength plasmonic kinks in arrays of metallic nanoparticles // Optics Express. 2012. V. 20. N 3. P. 2733–2739.
16.Noskov R.E., Belov P.A., Kivshar Yu.S. Oscillons, solitons, and domain walls in arrays of nonlinear plasmonic nanoparticles // Scientific Reports. 2012. V. 2. P. 873-1–873-8.
17.Miles J. On Faraday waves // J. Fluid Mech. 1993. V. 248. P. 671–683.
18.Braun O.M., Kivshar Yu.S. The Frenkel-Kontorova Model: Concepts, Methods, and Applications. Heidelberg: Springer, 2004. 498 p.
19.Rosanov N.N., Shadrivov I.V., Kivshar Y.S., Vysotina N.V., Shatsev A.N., Powell D.A. Discrete dissipative localized modes in nonlinear magnetic metamaterials // Optics Express. 2011. V. 19. N 27. P. 26500–26506.
20.Torres-Torres C., Peréa-López N., Reyes-Esqueda J.A., Rodríguez-Fernández L., Crespo-Sosa A., Cheang-Wong J.C., Oliver A. Ablation and optical third-order nonlinearities in Ag nanoparticles // Int. J. Nanomedicine. 2010. V. 5. P. 925–932.
