Д. Вирмани, Институт физики твердого тела Института Макса Планка, Штутгарт, Германия, d.virmani@fkf.mpg.de;
Dr.Н. Ваасем, niklas.waasem@hubner-germany.com, Hübner GmbH & Co. KG, Photonics@hubner-germany.com, Кассель, Германия

Манипуляции с высоколокализованными полями поверхностных плазмон-поляритонов (ППП) создают основу для широкой области их применения. В статье представлены результаты исследования ППП, возбуждаемых на монокристаллической нанопластинке золота с мелкоструктурной плазмонной линзой. Исследования рассеянного света проводились с помощью ближнепольного сканирующего оптического микроскопа. ППП возбуждались на разных длинах волн с помощью нового непрерывно перестраиваемого в видимом диапазоне лазерного источника. Выбор волнового вектора ППП, возбужденных на поверхности золота, находится в хорошем соответствии с расчетным дисперсионным соотношением.

Введение

Поверхностные плазмон-поляритоны (ППП) представляют собой возбужденные связанные колебания электромагнитного поля световой волны и электронов проводимости металла или полупроводника, распространяющиеся вдоль границы раздела металл–диэлектрик с эванесцентным электрическим полем, перпендикулярным поверхности. Благодаря локальному усилению поля и высокой чувствительности к поверхностным неоднородностям, а также и легкости осуществления манипуляции с ними, ППП оказались превосходным инструментом для многих применений. С их помощью можно визуализировать ближнее поле [1], усилить поверхностное комбинационное рассеяние [2], провести зондирование, осуществить нанолитографию, создавать интегральные схемы на основе плазмонов, устройства памяти [3] и т. д. Одному из основных требований, необходимых для создания таких интегрированных оптических устройств и датчиков, удовлетворяет возможность фокусировки поля ППП, обеспечивающей субдиффракционное разрешение, существенно меньшее дифракционного предела. Простым методом фокусировки ППП оказалось использование периодически расположенных круговых щелей (плазмонных линз), протравленных на металлических пленках, направляющих волны ППП к геометрическим центрам структуры [4, 5]. В таких экспериментах для возбуждения ППП обычно используется лазерный источник с непрерывным спектром излучения.

Эксперимент

В проведенном эксперименте исследовалось возбуждение и фокусировка ППП на монокристаллической нанопластинке золота (Au) с нанесенной на ее поверхности структурной плазмонной линзой. На рис.1 представлены изображения в сканирующем электронном микроскопе (СЭМ) и в атомном силовом микроскопе (АСМ) такой типовой пластинки с плазмонной линзой.

Энергии возбуждения были выбраны близкими к резонансу ППП в соответствии с дисперсионным соотношением (рис.2).

Дисперсионное соотношение получено путем моделирования для 20-нм пластинки Au на подложке SiO2. Поля ППП отображались при помощи безынерционного рассеивающего сканирующего оптического микроскопа ближнего поля (s-SNOM) [6]. Экспериментальная установка представлена на рис.3.

Источник света с соответствующей поляризацией сфокусирован на кончике s-SNOM, который осуществляет растровое сканирование образца. Рассеянный свет от образца направляется обратно по тому же оптическому пути, детектор оптического отклика расположен в дальнем поле. Топографические и оптические изображения генерируются одновременно. Для возбуждения поля ППП при нескольких энергиях возбуждения, близких к резонансу ППП, требуется источник с непрерывной перестройкой длин волн в диапазоне настройки от 450 до 650 нм. Лазерное устройство C-WAVE, созданное в компании Hübner, обеспечивает настройку длины волны в этом диапазоне, позволяя проводить измерения с одним источником света с высоким спектральным разрешентем. Переключение длины волны управляется с помощью компьютера: длина волны устанавливается в настройках GUI и C-WAVE автоматически на заданные длины волн. Высокая выходная мощность, хорошее качество луча и узкая ширина линии позволяют получать изображения с высоким разрешением. Устройство C-WAVE исключает необходимость дополнительной юстировки для изменения оптического пути луча после переключения длин волн.

Результаты

С помощью лазера C-WAVE в эксперименте возбуждались и детектировались поля ППП на нескольких энергиях возбуждения в диапазоне от 530 до 650 нм длин волн. На рис.4. можно увидеть сигнал поля ППП при 630 нм, полученный на четвертой гармонике, а также профиль волн ППП. Когда кантилевер (зондовый наконечник) работает в режиме tapping mode c частотой отклонения tapping frequency, ближнее поле вблизи наконечника модулируется в соответствии с частотой отклонения. Это позволяет достичь более высокого соотношения сигнал-шум на высоких гармониках путем фильтрации немодулированного сигнала в соответствии с псевдогетеродинным режимом детектирования [7]. На рис.4 хорошо видны ППП, возбуждаемые по краям пластинки, а также влияние структуры плазмоновой линзы на направление распространения ППП. Длина волн ППП, полученных на основе экспериментальных данных, находится в хорошем согласии с численными расчетами.

Перспективы

Исследования полей ППП с одновременной возможностью манипулирования ими являются важным аспектом для проведения многих экспериментов в опытах по развитию многих нанофотонных устройств и улучшению их свойств. Из-за сильной чувствительности получаемых полей от природы среды возбуждения, ее размерности и геометрии в таких экспериментах необходимо вести исследования на разных волнах возбуждения, то есть использовать источники с разными длинами волн.

Устройство C-WAVE обеспечивает настройку в видимом (450–650 нм) и в ИК- (900–1300 нм) диапазонах, которые являются наиболее важными режимами в большинстве плазмонных экспериментов. Компактная конструкция, высокое спектральное качество луча, широкий диапазон настройки, а также легкость и скорость переключения длины волны делают устройство C-WAVE очень удобным и простым в использовании для таких экспериментов.

Литература

• W.L.Barnes, A.Dereux, T.W.Ebbesen. Surface plasmon subwavelength optics.– Nature, 2003, v. 424, p.824–830.
• K.Kneipp, M.Moskovits, H.Kneipp. Surfaceenhanced Raman scattering: physics and applications (Vol. 103). – Springer Science and Business Media, 2006.
• E.Ozbay. Plasmonics: merging photonics and electronics at nanoscale dimensions. – Science 2006, v.311, p189–193.
• Y.Fu and X.Zhou. Plasmonic lenses: a review.– Plasmonics, 2010, v.5, p. 287–310.
• Z.Liu, J.M.Steele, W.Srituravanich, Y.Pikus, C.Sun, X.Zhang. Focusing surface plasmons with a plasmonic lens. – Nano Lett.., 2005, v.5, p.1726–1729.
• S.Patane, P.G. Gucciardi, M. Labardi, M. Allegrini. Apertureless near-field optical microscopy. – Riv. Nuovo Cimento, 2004, 27, 1–46.
• N. Ocelic, A. Huber, R. Hillenbrand. Pseudoheterodyne detection for background-free near-field spectroscopy. – App. Phys. Lett., v.89, (101124).