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Verstärkung nichtlinearer optischer Effekte durch plasmonische Nanoantennen
Ort / Verlag
Paderborn
Erscheinungsjahr
2018
Verknüpfte Titel
Beschreibungen/Notizen
Tag der Verteidigung: 21.03.2018
ger: Das Ziel dieser Arbeit war es, die Effizienz der nichtlinearen optischen Wechselwirkung mit Materie durch die Verwendung plasmonischer Nanoantennen zu steigern. Dazu werden zunächst metallische Dipolantennen auf Siliziumdioxid- (SiO2) und Zinkoxid (ZnO)-Substraten hergestellt und bezüglich ihrer linearen optischen Eigenschaften charakterisiert. Dabei zeigte sich, dass sich neben dem Brechungsindex des Substrates und der Länge der Dipole auch dessen periodische Anordnung auf die spektrale Position der plasmonischen Resonanz, sowie die Intensität der lokalen Plasmon-induzierten elektrischen Felder auswirkt. Bezüglich der nichtlinearen optischen Eigenschaften konnte durch Anpassung der Periodizität der Nanoantennen auf einem SiO2-Substrat eine Verstärkung des frequenzverdoppelten (SHG) Signals erzielt werden. Wird hinge-gen ein Substrat mit hoher nichtlinearer Suszeptibilität, wie beispielsweise monokristal-lines Zinkoxid verwendet, kann diese Verstärkung nicht beobachtet werden, da das im Volumen erzeugte SHG durch die Nanoantennen absorbiert wird und somit keine effiziente Auskopplung erfolgen kann.Ein weiterer Ansatz zur Verbesserung der Licht-Materie-Wechselwirkung, der im Rahmen dieser Arbeit behandelt wurde, ist die Verwendung von doppelresonanten Nanoantennen. Diese bestanden aus zwei einzelnen Gold-Dipolen unterschiedlicher Länge, die durch einen schmalen Spalt voneinander getrennt sind. Die Struktur weist zwei separate plasmonische Resonanzen auf, mit denen zum einen eine effiziente Einkopplung von Licht in das Zinkoxid-Substrat, zum anderen eine verbesserte Reemission des fre-quenzverdoppelten Signals in das Fernfeld gewährleistet wird. Beim Einsatz der dop-pelresonanten Strukturen auf dünnen Zinkoxid-Schichten konnte die Intensität des detektierten SHG um den Faktor zwei gesteigert werden. ...
eng: This work was aimed to increase the efficiency of nonlinear optical light-matter-interaction by using plasmonic nanoantennas. First, metallic dipole antennas are fabri-cated on silicon dioxide (SiO2) and zinc oxide (ZnO) substrates and are characterized for their linear optical properties. It was found that the spectral position of the plas-monic resonance, as well as the intensity of the local plasmon-induced electric fields are strongly influenced by the refractive index of the substrate, the corresponding length of the dipoles and their periodic arrangement. Regarding the nonlinear optical proper-ties, highly amplified second harmonic generation (SHG) has been achieved by adjust-ing the periodicity of the nanoantennas on a SiO2 substrate. However, when utilizing a substrate with high nonlinear second-order susceptibilities, this enhancement cannot be observed since most of the SHG, which is generated in the volume of the ZnO, is ab-sorbed by the nanoantennas, hindering an efficient outcoupling into the far field.Another promising approach to improve the light-matter interaction discussed in this work is the utilization of double-resonant nanoantennas. These consisted of two indi-vidual gold dipoles with different lengths, which are separated by a narrow gap. The structure showed two distinctive plasmonic resonances, providing an efficient coupling of light into the zinc oxide substrate, as well as an improved re-emission of the fre-quency-doubled signal into the far field. When using the double-resonant structures on thin zinc oxide films, the intensity of the detected SHG has been increased by a factor of two.Furthermore, the integration of nanoantennas on photonic zinc oxide-based microdisk resonators, as well as their linear and nonlinear optical characterization will be dis-cussed. Photoluminescence measurements indicate that the quality factor of the ...