Mooddispersioon lähivälja mikroskoobi otsikus võimaldab uurida sidestust footonite ja pinnaplasmonite vahel

V. Palm

Metall-dielektrik piirpinnal levivate laengutiheduse pikivõnkumiste kvante nimetatakse pinnaplasmoniteks; nende sidestumisel elektromagnetvälja kvantidega (footonitega) kujunevad aga pinnaplasmon-polaritonid (SPP). Selliste kvaasiosakestega seotud uuringud on viimastel aastatel väga kiiresti laienenud seoses suurte rakendusperspektiividega, seda nii sensoorikas kui nanotehnoloogias, ja eriti opto-elektroonika miniaturiseerimise vallas. Siiani on interaktsiooni pinnaplasmonite ja footonite vahel eksperimentaalselt uuritud põhiliselt kas valguse neeldumise või kiirguse kaudu. TÜ Füüsika Instituudi töörühma poolt 2012. aastal avaldatud töös [32] on näidatud et seda on võimalik teha ka kasutades optilises fiibris levivate fotoonsete moodide vahelist interferentsi, kui kasutada kindla moodidepaari väljafiltreerimiseks lähivälja mikroskoobi (SNOM) otsikuks formeeritud fiibriotsa ja genereerida uuritavad SPP sama otsiku metallkattes. Interferentsmeetodile omasest kõrgest tundlikkusest annab aimu asjaolu, et kasutatud otsiku kattematerjaliks on Al, kus plasmonefektid on (erinevalt sellistest metallidest nagu Au või Ag) nähtava valguse puhul väga nõrgad.

Joonis 1. Kolm näidet erineva fiibripikkusega l registreeritud väljundvalguse (mis väljub fiibrist 200 nm SNOM otsiku kaudu) spektraalmodulatsioonist [32]:

(A) l = 769 mm

(B) l = 479 mm

(C) l = 240 mm

Nagu oli näidatud meie töörühma varasemas töös [30], sellises konfiguratsioonis võib registreerida väljundvalguse spektraalmodulatsiooni, mille periood sõltub kasutatava fiibri pikkusest l (joonis 1). See periood on otseselt seotud kahe moodi optilise teepikkuse vahega (OPD), mis tänu fiibri mooddispersioonile sõltub fiibri pikkusest lineaarselt. Selgub et, ekstrapoleerides sellist eksperimendist saadud lineaarset OPD(l) sõltuvust l = 0 juurde, erineb OPD(0) väärtus oluliselt nullist, olles seejuures negatiivne (joonis 2). Kuigi metalliga kaetud otsik on väga lühike, annab selles tekkiv vastasmärgiline mooddispersioon märgatava panuse kogu fiibri summaarse OPD väärtusesse. Selline mooddispersioon on seletatav mood-selektiivse sidestumisega footonite ja metallkatte pinnaplasmonite vahel.

Joonis 2. Lineaarne lähendus (pidev joon) kümnele OPD(l) katsepunktile koos ekstrapolatsiooniga l = 0 juurde (katkendlik joon), millest on tuletatav hinnang:

OPD(0) = –23(3) fs.

See tulemus näitab mooddispersiooni suurt erinevust fiibris ja SNOM otsikus (hinnanguliselt vastavalt 0.57 ps/m ja –38 ps/m).

TÜ FI, Tartu, november 2012.a.