BÀI TẬ P LỚ N CÔNG NGHỆ NANO

Trong phạm vi THz, ngược lại, phương pháp tạo hình không linh hoạt và chỉ có một vài ví dụ về ánh xạ SPP được báo cáo: truyền sóng trên bề mặt cùng dây kim loại, ống dẫn sóng, và kim loạ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Viện Điện tử - Viễn thông

===== =====

BÀI TẬP LỚN CÔNG NGHỆ NANO

Đề tài: Dịch tài liệu Tiếng Anh

Paper: “Imaging of terahertz surface plasmon waves

excited on a gold surface by a focused beam”

GVHD: PGS.TS Đào Ngọc Chiến

Sinh viên:

Nguyễn Hải Trường ĐTVT09 – K55

Đỗ Thùy Trang ĐTVT04 – K55

Hà Nội, tháng 12 năm 2014

Hình ảnh sóng Plasmon bề mặt tần số terahertz (THz) tác động lên một bề mặt vàng bởi 1 chùm hội tụ

Raimund Mueckstein* and Oleg Mitrofanov

Department of Electronic & Electrical Engineering, University College London,

Torrington Place, London, WC1E

7JE, UK

Tóm tắt: Sóng phân cực plasmon bề mặt (SPP) được hình thành gần một chùm

tia THz hội tụ vào một bề mặt kim loại, được phát hiện từ bước sóng phụ kết hợp gần đầu dò khẩu độ THz Các đầu dò cho phép lập bản đồ mô hình điện trường của sóng SPP và theo dõi sự lan truyền sóng SPP từ trung tâm của các tiêu điểm Bản chất của sự quan sát sóng SPP được chứng thực bởi thời gian thực hiện các phép đo Việc phân tích các mô hình phát hiện dẫn đến một lời giải thích làm thế nào để các sóng THz SPP có thể được phát hiện bởi các tích hợp bước sóng phụ khẩu độ thăm dò

©2011 Optical Society of America

OCIS codes: (240.6680) Surface plasmons; (110.6795) Terahertz imaging;

(180.4243) Near-field microscopy; (320.7100) Ultrafast measurements

_

Tài liệu tham khảo

1 A V Zayats, I I Smolyaninov, and A A Maradudin, “Nano-optics of surface plasmon polaritons,” Phys Rep 408(3-4), 131–314 (2005)

2 S.Kawata, Near-Field Optics and Surface Plasmon Polaritons, Topics in Applied Physics, Vol 81 (Springer, Berlin, 2001)

3 A.Bouhelier, F.Ignatovich, A.Bruyant, C.Huang, G.Colas des Francs, J C.Weeber, A.Dereux, G P Wiederrecht, and L.Novotny, “Surface plasmon interference excited by tightly focused laser beams,” Opt Lett 32(17), 2535–

2537 (2007)

4 H.Ditlbacher, J R Krenn, N.Felidj, B.Lamprecht, G.Schider, M.Salerno, A.Leitner, and F R Aussenegg, “Fluorescence imaging of surface plasmon fields,” Appl Phys Lett 80(3), 404–406(2002)

5 B.Hecht, H.Bielefeldt, L.Novotny, Y.Inouye, and D W Pohl, “Local Excitation, scattering, and interference of surface plasmons,” Phys Rev Lett 77(9), 1889–1892 (1996)

6 E.Devaux, T W Ebbesen, J.-C.Weeber, and A.Dereux, “Launching and decoupling surface plasmons via micro-gratings,” Appl Phys Lett 83(24), 4936–4938 (2003)

7 A.Kubo, N.Pontius, and H.Petek, “Femtosecond microscopy of surface plasmon polariton wave packet evolution at the silver/vacuum interface,” Nano Lett 7(2), 470–475 (2007)

8 S A Maier, Plasmonics: Fundamentals and Applications(Springer, Berlin, 2007)

9 J R Knab, A J L Adam, M.Nagel, E.Shaner, M A Seo, D S Kim, and P

C M Planken, “Terahertz nearfield vectorial imaging of subwavelength apertures and aperture arrays,” Opt Express 17(17), 15072–15086 (2009)

10 M A Seo, A J L Adam, J H Kang, J W Lee, S C Jeoung, Q H Park, P

C M Planken, and D S Kim, “Fourier-transform terahertz near-field imaging of one-dimensional slit arrays: mapping of electric-field-, magnetic-field-, and

Poynting vectors,” Opt Express 15(19), 11781–11789 (2007)

11 K.Wang, and D M Mittleman, “Metal wires for terahertz wave guiding,” Nature 432(7015), 376–379 (2004)

12 H.Zhan, R.Mendis, and D M Mittleman, “Superfocusing terahertz waves below λ/250 using plasmonic parallel-plate waveguides,” Opt Express 18(9), 9643–9650 (2010)

13 M.Gong, T I Jeon, and D.Grischkowsky, “THz surface wave collapse on coated metal surfaces,” Opt Express 17(19), 17088–17101 (2009)

14 A.Bitzer, and M Walther, “Terahertz near-field imaging of metallic subwavelength holes and hole arrays,” Appl Phys Lett 92(23), 231101 (2008)

15 J.Saxler, J G Rivas, C.Janke, H P M Pellemans, P H Bolivar, and H.Kurz,

“Time-domain measurements of surface plasmon polaritons in the Terahertz frequency range,” Phys Rev B 69, 155427 (2004)

16 A J Huber, F.Keilmann, J.Wittborn, J.Aizpurua, and R.Hillenbrand,

“Terahertz near-field nanoscopy of mobile carriers in single semiconductor nanodevices,” Nano Lett 8(11), 3766–3770 (2008)

17 H.Kano, S.Mizuguchi, and S.Kawata, “Excitation of surface-plasmon polaritons by a focused laser beam,” J Opt Soc Am B 15(4), 1381–1386 (1998)

18 O.Mitrofanov, M.Lee, J W P Hsu, I.Brener, R.Harel, J F Federici, J D Wynn, L N Pfeiffer, and K W West, “Collection-mode near-field imaging with 0.5-THz pulses,” IEEE J Sel Top Quantum Electron 7(4), 600–607(2001)

19 O.Mitrofanov, I.Brener, M C Wanke, R R Ruel, J D Wynn, A J Bruce, and J.Federici, “Near-field microscope probe for far infrared time domain measurements,” Appl Phys Lett 77(4), 591–593(2000)

20 O.Mitrofanov, T.Tan, P R Mark, B.Bowden, and J A Harrington,

“Waveguide mode imaging and dispersion analysis with terahertz near–field microscopy,” Appl Phys Lett 94(17), 171104 (2009)

21 L.Novotny, and B.Hecht, Principles of Nano-Optics(Cambridge University

Press, 2006)

22 Y.Cai, I.Brener, J.Lopata, J.Wynn, L.Pfeiffer, and J.Federici, “Design and performance of singular electric field terahertz photoconducting antennas,” Appl Phys Lett 71(15), 2076–2078 (1997)

_

1 Giới thiệu

Phát hiện phân cực plasmon bề mặt (SPPs), sóng điện từ chỉ giới hạn các

bề mặt kim loại, thường là một thách thức thực nghiệm [1,2] Trong lĩnh vực quang học nhiều phương pháp tạo hình đã được phát triển để nghiên cứu hiện tượng SPP [2-7] Trong phạm vi THz, ngược lại, phương pháp tạo hình không linh hoạt và chỉ có một vài ví dụ về ánh xạ SPP được báo cáo: truyền sóng trên

bề mặt cùng dây kim loại, ống dẫn sóng, và kim loại bề mặt đã được phát hiện bởi tàu thăm dò điện quang gần trường, ăng-ten quang, và đầu dò tán xạ [8-15] SPPs trong dải THz là công nghệ quan trọng vì chúng cung cấp một khả năng để phát triển các thiết bị subwavelength-size và cung cấp cơ hội duy nhất để điều tra

hệ thống cấp độ nano ở tần số THz [16] Phương pháp hình ảnh toàn diện là cần thiết để hỗ trợ điều tra SPPs Trong nghiên cứu này, chúng tôi chứng minh khả năng phân giải không gian thời gian giải quyết cao hình ảnh của sóng THz SPP bằng cách sử dụng một tiểu bước sóng THz khẩu độ tổng hợp gần trường thăm

dò Các thiết kế tích hợp của tàu thăm dò làm cho nó nhạy cảm với một SPP sóng kích thích trực tiếp trên bề mặt kim loại của nó Tận dụng lợi thế của khách sạn này, chúng tôi đã lập bản đồ sóng SPP gần một chum THz tập trung vào một bề mặt kim loại, một hiện tượng chưa từng được quan sát thấy ở tần số THz Sử dụng các phép đo về thời gian giải quyết, chúng tôi có thể theo dõi các sóng SPP truyền đi từ sự tập trung chùm tia Phân tích các mô hình quan sát và so sánh SPP với các cân nhắc về mặt lý thuyết cho phép chúng tôi để giải thích cơ chế của

SPP khớp vào các trường gần dò và tương quan của tín hiệu phát hiện một hàm vùng không gian của điện trường của sóng SPP Những hiểu biết về cơ chế SPP khớp nối là cần thiết cho việc giải thích hình ảnh trong kính hiển vi gần trường và

nó sẽ cho phép áp dụng phương pháp này để nghiên cứu các hiệu ứng plasmon trong các ăng ten THz, ống dẫn sóng, siêu vật liệu, và các cảm biến SPP-based Ngoài ra,khả năng phát hiện điện trường của sóng SPP, ESPP, chứ không phải là cường độ, có thể cải thiện một sự hiểu biết về các hiện tượng SPP bằng cách cung cấp các biên độ và giai đoạn thông tin,đó là khó khăn để có được trong lĩnh vực quang học

2 Kết quả thí nghiệm

Trong thí nghiệm, các sóng SPP được kích thích bằng cách tập trung một chùm THz trên bề mặt kim loại của đầu dò Bất kỳ chùm chặt chẽ tập trung nào cũng sở hữu một điện trường nhỏ Ez - thành phần đó có thể tạo ra một làn sóng SPP [17] Trong phạm vi THz, kích thích này có thể được thực hiện một cách hiệu quả với một chùm tập trung trực tiếp trên bề mặt kim loại do không phù hợp rất nhỏ giữa SPP và vectơ sóng kspp và vector không gian tự do k0 Ngược lại với hầu hết phương pháp thực nghiệm tại tần số quang học, cấu hình này không đòi hỏi các lĩnh vực ghép phù du của SPP sóng giữa hai phương tiện truyền thông [17]; thay vào đó, làn sóng SPP được hình thành trực tiếp trên kim loại / không khí giao diện của các địa phương hóa E theo chiều dọc z- thành phần của sự cố

Để phát hiện các sóng SPP chúng tôi sử dụng một tích hợp phụ bước sóng khẩu độ gần trường thăm dò Để phát hiện các sóng SPP chúng tôi sử dụng một tích hợp phụ bước sóng khẩu độ gần trường thăm dò Nó có một bề mặt vàng phẳng (độ dày = 600 nm) với khẩu độ nhỏ vuông hình (chiều dài cạnh một = 20 mm) và một ăng ten quang nằm ~ 5 mm phía sau độ mở ống kính (Hình 1 (a)) Các chi tiết của thiết kế và chế tạo tàu thăm dò này của nó có thể được tìm thấy trong Ref 18and 19 xung THz với một tần số trung tâm của 2 THz được tạo ra trong một tinh thể ZnTe của dải quang 100 fs xung từ một Ti: sapphire laser Các tia THz được ghép vào một điện môi rỗng lót ống dẫn sóng hình trụ bằng kim loại, trong đó nó lan truyền như HE phân cực tuyến tính chế độ 11[20] Tại đầu

ra cuối ống dẫn sóng, một - NA cao ống kính Si hyperhemispherical (bán kính =

1 mm) tập trung các chùm THz trên bề mặt kim loại của các trường gần đầu dò (Fig 1 (a)) Các thăm dò bởi Ti: xung laser như trong một thời gian THz thiết lập tiêu chuẩn và phổ miền được định hướng để phát hiện các trường THz thành phần x-phân cực [18] Công suất laser trung bình cho THz hệ xung là 200 mW và

5 mW cho gating các ăng-ten phát hiện Miền thời gian dạng sóng được lấy mẫu với khoảng 67 fs sử dụng một giai đoạn trễ quang Để bản đồ Sóng SPP, dịch do máy tính kiểm soát giai đoạn raster quét các ống kính ống dẫn sóng

Hình 1 (a) Sơ đồ của các thiết lập thử nghiệm với tất cả các yếu tố của sự tích

hợp phụ bước sóng khẩu độ thăm dò thể hiện trong một hộp lúp Hình nhỏ ở phía dưới cho thấy các E của chùm THz ở đầu ra của ống dẫn sóng Mẫu điện trường được phát hiện gần chum tập trung cho hai trường hợp: các chùm THz là phân cực song song (b) và vuông góc với (c) để dò ăng-ten Các giá trị điện trường trong (b) và (c) được chuẩn hóa với giá trị tối đa trong (b)

Một bản đồ của điện trường tức thời phát hiện bởi các đầu dò độ mở trong khu vực sự tập trung x-phân cực chùm THz được hiển thị trong hình 1 (b) Các đầu dò được đặt trong tiêu cự máy bay, ở khoảng cách z = 40 mm ra khỏi bề mặt phẳng của ống kính Si Hình ảnh cho thấy một thời điểm trong thời gian, t0, tương ứng với mức đỉnh của xung cố THz Các điểm trọng tâm là có thể nhìn

thấy ở trung tâm của hình ảnh như một vùng sáng Ngoài ra, tua tâm mở rộng trong các x-hướng có mặt xung quanh vị trí đầu mối Vì nó sẽ được hiển thị sau

đó, các rìa tương ứng với sóng SPP phát ra từ các khu vực trọng điểm Các tua SPP có thể được nhìn thấy nhiều hơn rõ ràng trong hình 1 (c), trong đó cho thấy

sự phân bố phát hiện cho chùm tia tới THz phân cực trong y-hướng Các hình ảnh cho thấy rìa trong một hình dạng của một mô hình xoắn ốc Kể từ khi trường

vụ việc được phân cực trực giao đối với các ăng-ten với, các lĩnh vực không phải

là sự cố phát hiện và rìa không thể được gây ra bởi sự nhiễu xạ của sóng tới.Nguồn gốc của các tua được xác định với sự giúp đỡ của các dữ liệu trong miền thời gian thu được bằng trì hoãn việc xung quang thăm dò rằng cổng dò anten Trong thí nghiệm này,lắp ráp ống dẫn sóng, ống kính được quét dọc theo một đường hoặc trong hoặc x- y-hướng trong khi dạng sóng miền thời gian của xung THz được ghi nhận (Hình 2 (a)) Các lĩnh vực được phát hiện là trình bày như là một bản đồ không gian-thời gian trong hình 2 (b) Ở trung tâm của bản đồ các chùm hội tụ có thể được xác định là một loạt các đường ngang sáng ngắn tương ứng với đỉnh sóng của cố xung THz Đi từ trung tâm, các đường ngang biến thành một loạt các thẳng sọc nghiêng sắp xếp đối xứng trong một mô hình Λ viết tháu Dốc của những sọc chỉ rằng làn sóng này truyền đi từ vị trí đầu mối cùng các bề mặt kim loại với một tốc độ gần với tốc độ ánh sáng, vexp = (3,0 ± 0,1) ∙ 10 8 m / s Làn sóng chỉ có thể truyền dọc các bề mặt kim loại là làn sóng SPP Xét một phần ngang của bản đồ không gian-thời gian thể hiện bằng một đường đứt đoạn ở t = t0in hình 2 (b), nó trở nên rõ ràng rằng làn sóng SPP này xuất hiện như một loạt các rìa trong những hình ảnh xy-plane tức thời như trong hình 1 (b).Làn sóng SPP mạnh dự kiến sẽ hình thành khi các tia được tập trung với kích thước tối thiểu và thành phần Ez của chùm tia nào tạo ra làn sóng SPP là tối đa đến xác định vị trí máy bay đầu mối, các bản đồ không gian-thời gian được ghi nhận cho các vị trí khác nhau của đầu dò đối với các ống kính với, z (Fig 2 (c)) Đối với các vị trí z = 200 mm và 100 mm, ở cả các bản đồ xt- và trong yt-, người ta có thể nhìn thấy một đầu sóng rộng hình cầu phân tách, mà tương ứng với chùm tia tới THz tập trung Đối với z-khoảng cách tiếp cận bề mặt ống kính,sóng hình cầu phân kỳ được thay thế bởi mô hình Λ-hình dạng của sóng SPP Lưu ý rằng các sọc SPP chỉ xuất hiện trong xt-map, không phải trong

yt-map Nó phù hợp với thực tế là sóng SPP hình thành bởi các chùm hội tụ không tuyên truyền theo hướng vuông góc đến lĩnh vực sự cố phân cực [3,17] Một loạt các không gian-thời gian đồ trong hình 2 (c) xác định rằng mặt phẳng tiêu cự nằm tại z = 40 mm và xác nhận rằng làn sóng SPP được tạo nhất hiệu quả khi các

bề mặt kim loại trùng với mặt phẳng tiêu cự

Hình 2 (a) Sơ đồ thiết lập thí nghiệm, nơi mà tất cả các yếu tố được rút ra quy

mô Hình dạng của chùm tia tới THz thu được bằng cách đo FWHM tại z-vị trí tương ứng (b) Các bản đồ xt- bình thường của trường được phát hiện cho các khẩu độ ống kính khoảng cách zof 40 micromet Các không gian-thời gian trong bản đồ (c) cho thấy điện trường đo dọc x-và trục y tương ứng cho các vị trí khác nhau của bề mặt kim loại đối với các ống kính.Dữ liệu trong tất cả các bản đồ (c) được chuẩn hóa với giá trị tối đa trong bản đồ xt- cho z = 70μm

Làn sóng SPP cũng có thể được phân biệt với các chùm tia tới THz trong hình 2 (b) bằng phân tích biên độ điện trường Hình 3 (a) cho thấy biên độ bình thường như một hàm của khoảng cách từ trung tâm chùm THz tập trung trong x

và y hướng cho một tách probelens của z = 40 mm Các giá trị trường điện đã được đưa dọc theo sườn núi của một trong những sóng mào, như được mô tả bằng đường nét đứt trong hình 3 (b) Kể từ khi làn sóng SPP không tuyên truyền dọc theo trục y, các giá trị điện trường dọc theo một dấu vết tương tự đã được thực hiện để hiển thị sự phân rã biên độ trong y-hướng Người ta có thể thấy rằng đối với khoảng cách gần đến trung tâm (0 <x<80 mm), các phân rã trong cả x và

y hướng theo một hình dạng Gaussian, đó là đặc điểm của chùm tia tới THz Tuy nhiên, bắt đầu từ một điểm nhất định (x ~ 100 micromet), một thành phần bổ sung có mặt dọc theo trục x Thành phần này có thể được mô tả bởi một làn sóng SPP trụ phân kỳ theo [3,5] (cho x> 0):

ESPP (x, y = 0) = 1

√|𝑥−𝑥 0 | 𝑒− 2.𝐿𝑆𝑃𝑃|𝑥−𝑥0|

Các trung tâm của làn sóng SPP trụ tại x0 = 45 mm tương ứng với giá trị tối đa của thành phần Ez trong THz chỗ tập trung [21] Chiều dài sâu SPP Lspp ước tính là 200 ± 100 mm, nhỏ hơn chiều dài sâu lý thuyết dự kiến vài mm [2,8,21] Chiều dài phân rã giảm có thể do sự hiện diện của ống kính Si, trong đó

đã kiềm chế các năng lượng điện từ gần gũi hơn với các bề mặt kim loại và do đó làm tăng hấp thu Phân tích này về lĩnh vực phân rã biên độ điện trong x, y-hướng khẳng định rằng các mô hình sóng quan sát được là sự chồng chất của một chùm Gauss, tương ứng với các lĩnh vực sự cố THz, và một làn sóng SPP trụ khác nhau

Hình 3 (a) Chuẩn hóa phát hiện biên độ điện trường dọc theo x và trục y là hàm

của khoảng cách từ trục chính Để theo dõi các biên độ sóng SPP, các giá trị điện trường mang theo một dấu vết đánh dấu trong bản đồ xt- (b) với một đường chấm chấm Một phù hợp Gaussian và phù hợp với SPP theo phương trình (1) được thêm vào kịch bản (a) để so sánh