Generación de modos plasmónicos en metasuperficies

Abstract

The objective of the project is to design, manufacture and characterize plasmonic structures that provide improved characteristics (with respect to the existing ones) in terms of an optimal compromise between the degree of confinement, enhancement, absorption, and coupling efficiency. Both linear and non-linear methods of characterization are employed. We started with the study of both linear and nonlinear responses from randomly-positioned gold bumps on a gold thin film. It was observed that strong localization due to backscattering can provoke an intense enhancement as high as ∼ 40. The wavelength dependence of SPP resonances makes it possible to apply this structure in optical nano-sensing. We then designed and characterized arrays of gold nanoparticles with known periodicity and particle dimensions. The samples were characterized with two-photon luminescence and we evaluated the enhancement factor against the nonlinear response from a gold thin film. We obtained TPL-mediated images of surfaces with subwavelength structures, and present the wavelength and polarization dependencies. We numerically studied structures with more complexity, using FDTD and FEM numerical methods. By inserting a dielectric layer between arrays of gold bumps and a gold thin film, we formed a metal-insulator-metal structure in which we studied the reflection spectra, periodicity dependence, and gap thickness dependence of different plasmonic resonances. The co-existence of plasmonic resonances from different channels is elaborated. An even more complex structure, where MIM layers are cascaded to form a hyperbolic metamaterial is studied and applied as an optical band-pass filter. The results show that an optical waveguide with filtering functionality is obtainable.

El objetivo de este proyecto es diseñar, fabricar y caracterizar estructuras plasmónicas que aporten características mejoradas (respecto a las existentes) en términos de un compromiso óptimo entre el grado de confinamiento, absorción, y eficiencia de acoplamiento. Se emplean métodos de caracterización tanto lineales como no lineales. Comenzamos con el estudio de respuestas tanto lineales como no lineales de protuberancias de oro colocadas aleatoriamente sobre una película delgada de oro. Se observó que una fuerte localización debida a la retrodispersión puede provocar una enforsamiento intensa de hasta ∼ 40. La dependencia de la longitud de onda de las resonancias SPP hace posible aplicar esta estructura en la nanodetección óptica. Luego diseñamos y caracterizamos conjuntos de nanopartículas de oro con periodicidad y dimensiones de partículas conocidas. Las muestras se caracterizaron con luminiscencia de dos fotones y evaluamos el factor de mejora frente a la respuesta no lineal de una película fina de oro. Obtuvimos imágenes mediadas por TPL de superficies con estructuras de sublongitud de onda y presentamos las dependencias de longitud de onda y polarización. Estudiamos numéricamente estructuras de mayor complejidad, utilizando métodos numéricos FDTD y FEM. Al insertar una capa dieléctrica entre conjuntos de protuberancias de oro y una película delgada de oro, formamos una estructura de metal-aislante-metal en la que estudiamos los espectros de reflexión, la dependencia de la periodicidad y la dependencia del espesor de la brecha de diferentes resonancias plasmónicas. Se elabora la coexistencia de resonancias plasmónicas de diferentes canales. Se estudia y aplica como filtro óptico de paso de banda una estructura aún más compleja, donde las capas MIM se colocan en cascada para formar un metamaterial hiperbólico. Los resultados muestran que se puede obtener una guía de ondas óptica con funcionalidad de filtro.