Felületi plazmonok optikai vizsgálata

Az előadások a következő témára: "Felületi plazmonok optikai vizsgálata"— Előadás másolata:

1 Felületi plazmonok optikai vizsgálata
Előadók: Balla Péter Kocsis Vilmos Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Fizika Tanszék Optikai spektroszkópia szeminárium, 2012 április 19.

2 Tartalom Bevezetés Megoldás a Maxwell egyenletekkel
Plazmonok tulajdonságai Alkalmazások Egy Dresdeni templom rózsaablaka, Wiki J. R. Sambles, Contemporary Physics 32, 3, (1991) A. Otto, Zeitschrift für Physik 216, (1968) W. L. Barnes, Nature 424, 824 (2003)

3 Ismétlés Impulzus: R: x-irányban megmarad, z-ben előjelet vált
Új közegben: Amikor: Időben, térben oszcilláló, propagáló töltéseloszlás TH p-polarizált z-irányban lecsengő tér J. R. Sambles, Contemporary Physics 32, 3, (1991) W. L. Barnes, Nature 424, 824 (2003)

4 Részletes leírás dielektrikum:1 fém:2 TH p-polarizált
1→2: változatlan 1→2: változik Maxwell+határfeltételek+”alak”: Továbbá elhaló hullámok: ellentétes előjelűek (diel. áll. miatt) újabb feltétel: J. R. Sambles, Contemporary Physics 32, 3, (1991)

5 Van disszipáció a fémben:
dielektrikum:1 propagál végtelen úthosszal fém:2 újabb feltétel: TH p-polarizált Van disszipáció a fémben: J. R. Sambles, Contemporary Physics 32, 3, (1991)

6 Vákuum-szabad elektron gáz határfelület
1 2 x irányban harmonikus megoldás, |z|-ben elhaló: Vákuum-szabad elektron gáz határfelület Diszperziót implicit egyenlet adja meg (z=0 határfeltétel, Hy): z-irányban nincs kibocsájtott sugárzás (non-radiative SPW) felületi töltések fázissebessége: Szabad EG: nincs csatolás A. Otto, Zeitschrift für Physik 216, (1968)

7 nincs gerjesztés SPW-k max fázissebessége, ezt csak a (közvetlenül) felette levő dielektrikum határozza meg Kell egy köztes határréteg (spacer), melyre: gerjeszthető SPW-k spacer layeres eset spacer layer nélkül Gerjesztés feltétele: gyakorlatban a törésmutatók adottak, és α-t változtatják αc és 90° között 1 1 2 2 A. Otto, Zeitschrift für Physik 216, (1968)

8 Konkrét mérési elrendezés (p-polarizált):
p-p mérés hullámhossz nő => α csökken d nő rezonanciák keskenyednek ELM: csillapítások:= sugárzás + belső van egy dmax, aminél az absz. maximális: fény energiája rezonancia helye A. Otto, Zeitschrift für Physik 216, (1968)

9 Permittivitás mérhető plazmonokkal
Egyéb tulajdonságok: Anyagfüggő (zafír prizma, n=0.766) λ=632 nm Optikai Gap Kretschmann-Raether módszer 1.00 µm Permittivitás mérhető plazmonokkal 0.75 µm λ=632 nm 0.5 µm J. R. Sambles, Contemporary Physics 32, 3, (1991)

10 Egyéb tulajdonságok: mérés feldurvított felületen: lesz olyan Fourier komponense a felületnek, amely becsatolja a kívülről jövő sugárzást (különböző beesési szögek fordulnak elő) ↔ nehezen reprodukálható mérés szinuszos rácson: nincs transzláció invariancia → csak a kváziimpulzus marad meg: kis amplitúdó: a SPW-k impulzusa nem tér el a sík esethez képest: átlós irányban hozunk létre SPW-ket →az elektromos térerősség nem korlátozódik a beesés síkjára: s ↔ p ! p s J. R. Sambles, Contemporary Physics 32, 3, (1991)

11 Egyéb tulajdonságok: mérés feldurvított felületen: lesz olyan Fourier komponense a felületnek, amely becsatolja a kívülről jövő sugárzást (különböző beesési szögek fordulnak elő) ↔ nehezen reprodukálható mérés szinuszos rácson: nincs transzláció invariancia → csak a kváziimpulzus marad meg: kis amplitúdó: a SPW-k impulzusa nem tér el a sík esethez képest: átlós irányban hozunk létre SPW-ket Rpp Rpp p-pol. s-pol. Rss Rss J. R. Sambles, Contemporary Physics 32, 3, (1991)

12 Egyéb tulajdonságok: mérés feldurvított felületen: lesz olyan Fourier komponense a felületnek, amely becsatolja a kívülről jövő sugárzást (különböző beesési szögek fordulnak elő) ↔ nehezen reprodukálható mérés szinuszos rácson: nincs transzláció invariancia → csak a kváziimpulzus marad meg: kis amplitúdó: a SPW-k impulzusa nem tér el a sík esethez képest: átlós irányban hozunk létre SPW-ket →az elektromos térerősség nem korlátozódik a beesés síkjára: s ↔ p ! Rps J. R. Sambles, Contemporary Physics 32, 3, (1991)

13 Alkalmazások dielektromos állandó mérése (főleg kis változások)
kémiai szennyeződés rétegvastagság (pl. Ag rétegen növesztett szulfid) szerves rétegek növesztése során in-situ vizsgálat antigén protein filmek vizsgálata (csak bizonyos antitesteket kötnek meg) folyadékkristályok elrendeződése mikroszkópia: fém hordozóra növesztett diel. kis vastagságváltozásai → nagy reflektivitás változás magneto-optikai effektus erősítése elektro-optikai átalakítók, detektorok nm skálájú! optikai jelet fókuszálja Optikai jel Elektromos jel J. R. Sambles, Contemporary Physics 32, 3, (1991) W. L. Barnes, Nature 424, 824 (2003)

14 Felületi plazmonok által erősített magneto-optika:
Vastag Co (~6nm): easy-axis (z) Vékony Co (~1nm): easy-plane (xy) C. Hermann et al., PRB,

15 Felületi plazmonok által erősített magneto-optika:
C. Hermann et al., PRB,

16 Elektro-optikai átalakító
2.5 µm 40 nm Szabad úthossz: W. L. Barnes, Nature 424, 824 (2003)

17 Bragg-reflektor Gap a felületi plazmonok sávszerkezetében:
Általánosan: optikai vezetőkben többrétegű visszaverő közeg, hullámhossz szelektív fényvisszaverés. stopband: λo, Δλ széles sáv VCSEL (LD) W. L. Barnes, Nature 424, 824 (2003)

18 Lyuk „mátrixok” W. L. Barnes, Nature 424, 824 (2003)

19 nincs gerjesztés SPW-k max fázissebessége (ezt csak a dielektrikum határozza meg) Kell egy köztes határréteg (spacer), melyre: Momentumok nyelvén: A z-irányban elhaló tér impulzusa: Totális refelxió esetén: Gerjesztés feltétele: gyakorlatban a törésmutatók adottak, és α-t változtatják αc és 90° között A dielektrikumban terjedő tér impulzusa nagyobb, ezért az impulzust ad át a fémben elhaló térnek és a töltéseloszlásnak. A csatolás erőssége arányos az impulzuskülönbséggel: 1 1 2 2 A. Otto, Zeitschrift für Physik 216, (1968)