Optical Characterization of Plasmonic Nanostructures: Near-Field Imaging of the Magnetic Field of Light

این پایان نامه بر ابزاری برای به دست آوردن، برای اولین بار، تصویربرداری الکترومغناطیسی کامل از نانوساختارهای فوتونی تمرکز دارد. نویسنده همچنین یک چارچوب شبیه‌سازی عملی منحصر به فرد ایجاد می‌کند که برای تأیید نتایج استفاده می‌شود.

توسعه دستگاه‌های فوتونیکی نوآورانه و فرامواد با قابلیت‌های سفارشی به توانایی ما برای توصیف آن‌ها و درک تعاملات نور-ماده اساسی بستگی دارد. بنابراین، تصویربرداری از تمام اجزای میدان نور الکترومغناطیسی با وضوح نانو در این زمینه از اهمیت بالایی برخوردار است. این چالش با نشان دادن تجربی این موضوع پاسخ داده می‌شود که یک پروب با دیافراگم توخالی هرمی SNOM می‌تواند مستقیماً میدان مغناطیسی افقی نور را در آنتن‌های پلاسمونیک ساده - میله، دیسک و حلقه تصویر کند. این نتایج با شبیه‌سازی‌های عددی تأیید می‌شوند، که نشان می‌دهد که کاوشگر را می‌توان با یک منبع نقطه-دوقطبی مغناطیسی به مرتبه اول تقریب زد. این تقریب به طور قابل ملاحظه ای زمان و پیچیدگی شبیه سازی را کاهش می دهد و تفسیر بحث برانگیز تصاویر میدان نزدیک را تسهیل می کند. تکنیک تایید شده برای مطالعه آنتن‌های پلاسمونیک پیچیده و کشف فرصت‌های جدید برای مهندسی و خصوصیات آنها استفاده می‌شود.

This thesis focuses on a means of obtaining, for the first time, full electromagnetic imaging of photonic nanostructures. The author also develops a unique practical simulation framework which is used to confirm the results.

The development of innovative photonic devices and metamaterials with tailor-made functionalities depends critically on our capability to characterize them and understand the underlying light-matter interactions. Thus, imaging all components of the electromagnetic light field at nanoscale resolution is of paramount importance in this area. This challenge is answered by demonstrating experimentally that a hollow-pyramid aperture probe SNOM can directly image the horizontal magnetic field of light in simple plasmonic antennas – rod, disk and ring. These results are confirmed by numerical simulations, showing that the probe can be approximated, to first order, by a magnetic point-dipole source. This approximation substantially reduces the simulation time and complexity and facilitates the otherwise controversial interpretation of near-field images. The validated technique is used to study complex plasmonic antennas and to explore new opportunities for their engineering and characterization.