Nonlinear plasmon-photon interactions with two-colour k-space spectroscopy

• Applicant: Professorin Dr. Ulrike K. Woggon
• Subject Area: Experimental Condensed Matter Physics
• Term: from 2014 to 2018
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 262635635

• Final Report Year: 2018

Final Report Abstract

Im Rahmen des Projekts wurden Wellenmischprozesse mittels Plasmonen und Photonen untersucht. Durch die hohe Intensität der verwendeten Laser lassen sich nichtlineare Prozesse erzeugen im Rahmen derer sich Photonen und Plasmonen ineinander umwandeln können. Es zeigte sich, dass hierfür nicht nur sehr hohe Intensität, sondern auch eine äußerst sensitive und genaue Winkelmessung nötig ist. Für Anwendungen in der nichtlinearen Plasmonik wurden alternative Materialien wie Molybdän und Chrom getestet. Durch eine Änderung der Geometrie lassen sich auch hochabsorbierende Materialien für Wellenleitung an Oberflächen verwenden. Entgegen der intuitiven Vermutung stellt Absorption hier kein Hindernis dar, wenn das Material ausreichend dünn zwischen zwei anderen verlustfreien Medien angeordnet wird (symmetrisches Cladding). Größere Flexibilität bei der Wahl des Wellenleitermaterials kann genutzt werden, um ein Material mit besonders hoher Nichtlinearität einzusetzen. Typischerweise finden sich solche in der Nähe von Absorptionslinien – einem Bereich in dem rein plasmonische Effekte nicht dominierend sind. Wellenleitung in dünnen absorbierenden Schichten birgt weiterhin ein hohes Potential für die Anwendung in der Sensorik. Wir konnten zeigen, dass auch absorbierende „Polymer Brushes “, d.h. in etwa hundert Nanometer dicke Schichten gefüllt mit Goldnanoteilchen unterschiedlicher Konzentration mit einer Struktur ähnlich der von Gras, als Wellenleiter genutzt werden können. Wellenleitung in dünnen und absorbierenden Polymer Brushes war eine Überraschung für uns. Die mit Nanopartikeln versetzte Struktur hat nicht nur stark absorbierende Eigenschaften hat, sondern ist auch hochgradig ungeordnet. Ferner ist die Oberfläche verglichen mit der von plasmonischen Wellenleitern sehr rau. Die Ergebnisse stellen damit einen Gegenentwurf zur Materialverbesserung von Edelmetalloberflächen auf dem Gebiet der Plasmonik dar. Eine weitere Überraschung im Verlauf des Projektes war die nicht ausreichende Winkel- und Intensitätsauflösung unseres Setups. Aufgrund der geringen Signalintensität war ein Wellenmischexperiment mit zweifarbiger Anregung nicht möglich.

Publications

• (2018) Controlling nanoscale air-gaps for critically coupled surface polaritons by means of non-invasive white-light interferometry. Appl. Phys. Lett. (Applied Physics Letters) 113 (16) 161103
  Pufahl, Karsten; Passler, Nikolai Christian; Grosse, Nicolai B.; Wolf, Martin; Woggon, Ulrike; Paarmann, Alexander
  
• Sensing the surface plasmon resonance at the quantum noise limit. In Proceedings of META’16, pages 1266–1267, 2016
  Karsten Pufahl, Jan Heckmann, Ulrike Woggon, and Nicolai B. Grosse
  
• Low-Loss Surface-Wave Nonlinear Optics with Strongly Absorbing Materials. In Nonlinear Optics, page NF2A.3, 2017
  Philipp Franz, Jan Heckmann, Karsten Pufahl, Nicolai B. Grosse, and Ulrike K. Woggon
  
• Plasmon-enhanced nonlinear yield in the Otto and Kretschmann configurations. Phys. Rev. B, 98(11):115415, sep 2018
  Jan Heckmann, Karsten Pufahl, Philipp Franz, Nicolai B Grosse, Xiaoqin Li, and Ulrike Woggon
  
• Symmetric cladding thin film waveguides – from lossy media to disordered metasurfaces. In Frontiers in Optics / Laser Science, page FW6E.2. Optical Society of America, 2018
  Karsten Pufahl, Dikran Boyaciyan, Jan Heckmann, Philipp Franz, Nicolai B. Grosse, Regine von Klitzing, and Ulrike Woggon
  
• Utilizing strongly absorbing materials for low-loss surface-wave nonlinear optics. Phys. Rev. A, 97(4):43844, apr 2018
  Nicolai B Grosse, Philipp Franz, Jan Heckmann, Karsten Pufahl, and Ulrike Woggon