Многоволновая теория возбуждения плазмонов на границе металла с фотонным кристаллом

Исследовано возбуждение поверхностных плазмонов на границе металл–фотонный кристалл с учетом многократного рассеяния исходной световой волны на периодической структуре кристалла. Анализ основан на расчете характеристик собственных волн в одномерном кристалле, содержащих набор гармоник с волновыми векторами, которые отстоят друг от друга на волновой вектор решетки кристалла. Отражение от границы кристалла с металлом устанавливает связь амплитуд распространяющихся и эванесцентных мод. Расчеты показывают, что для диэлектрических характеристик синтетического опала и подложки из реального металла при использовании в качестве задающей волны излучения лазера на рубине выполнение условия плазмонного резонанса приводит к локальному превышению амплитуды поверхностного плазмона в 6.4–9 раз над средней амплитудой задающей волны. Эффект, как правило, может быть получен только для одной из поверхностных мод, прочие моды оказываются значительно слабее основного плазмона. Особый случай имеет место, когда резонансное условие выполняется сразу для двух мод. При этом на границе возникают два противоположно направленных потока излучения одинаковой интенсивности. Нарушение резонансного условия становится существенным уже при малом отклонении угла падения θ исходной волны от нормали (|θ| ≥ 10^-4 рад), при этом картина оказывается асимметричной: для углов |θ| ≥ 5 × 10^-3 рад интенсивным остается лишь один плазмон. Локальная плотность электромагнитной энергии на границе кристалл–металл может превышать в 40–80 раз соответствующую величину в исходной волне.