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Effiziente Verstärkung nichtlinearer optischer Effekte durch Mikro- und Nanostrukturen : = efficient amplification of nonlinear optical effects by micro- and nanostructures
Ort / Verlag
Paderborn
Erscheinungsjahr
2023
Verknüpfte Titel
Beschreibungen/Notizen
Tag der Verteidigung: 17.04.2023
ger: In dieser Arbeit werden unterschiedliche Methoden zur effizienten Verstärkung nichtlinearer optischer Effekte durch Mikro- und Nanostrukturen untersucht und teilweise miteinander verglichen. Dies beinhaltet die elektromagnetische Vollwellensimulation der Strukturen mittels der Finite-Integral-Methode, um tiefere Einblicke in deren Funktionsweise zu geben und gleichzeitig als Optimierungsgrundlage für die Herstellung zu dienen. Hierfür wird die Nanostrukturierung von Oberflächen mittels etablierter Herstellungsverfahren wie Elektronenstrahllithografie, Lift-off-Verfahren und reaktives Ionenätzen genutzt. Durch lineare wie nichtlineare optische Spektroskopie an den hergestellten Strukturen soll die effiziente Verstärkung der nichtlinearen optischen Effekte experimentell untersucht werden. Diese Effizienz wird zunächst für plasmonische Nanoantennen aus Gold, die sich lokalisierte Oberflächenplasmonen zu Nutze machen, und für dielektrische Nanoantennen aus Zinkoxid, die Mie-Resonanzen aufweisen, miteinander verglichen. Der Vergleichbarkeit wegen werden beide Antennenarten auf Basis derselben Dünnschicht aus Zinkoxid hergestellt, die hier als nichtlinear aktives Medium dient und eine Erzeugung der zweiten Harmonischen ermöglicht. Die beiden Strukturen erreichen einen ungefähr gleichen Verstärkungsfaktor von etwa 190, normiert auf das Signal der Zinkoxid-Dünnschicht. Mit Hilfe von Vollwellensimulationen kann das spektrale, verstärkende Verhalten vorhergesagt werden, sodass dieses der Felderhöhungen und der Umverteilung von elektrischen Feldkomponenten im Zinkoxid bei den jeweiligen Resonanzen zugeschrieben werden kann. Leistungsabhängige Messungen zeigen für die plasmonischen Nanoantennen eine Zerstörungsschwelle bei 0,25 GW cm (-2), ab der eine nicht reversible Reduktion des nichtlinearen Signals auftritt und aus dem ...
eng: In this work, different methods for efficient amplification of nonlinear optical effects by micro- and nanostructures are investigated and partially compared. This includes full-wave electromagnetic simulation of the structures using the Finite Integration Technique to provide deeper insights into their operation and at the same time they serve as an optimization basis for fabrication. For this purpose, nanostructuring of surfaces using established fabrication techniques such as electron-beam lithography, lift-off process and reactive ion etching are used. By linear as well as nonlinear, optical spectroscopy on the fabricated structures, the efficient amplification of the nonlinear optical effects is investigated experimentally. This efficiency is first compared for plasmonic nanoantennas made of gold, which take advantage of localized surface plasmons, and dielectric nanoantennas made of zinc oxide, which exhibit Mie resonances. For comparability, both types of antennas are fabricated based on the same thin film of zinc oxide, which serves here as a nonlinear active medium and enables second harmonic generation. The two structures achieve an approximately equal gain factor of about 190 normalized to the signal from the zinc oxide thin film. Full-wave simulations can be used to predict the spectral amplifying behavior, so this could be attributed to field enhancements and redistribution of electric field components in the zinc oxide at the respective resonances. Power-dependent measurements show a destruction threshold for the plasmonic nanoantennas at 0.25 GW cm (-2), above which a non-reversible reduction of the nonlinear signal occurs. This results from the absorptivity of the gold and thus forms a disadvantage of the plasmonic nanoantennas compared to the dielectric nanoantennas, which do not exhibit such behavior due to their complete transparency in the ...