Enhancement of plasmonic nonlinear conversion and polarization lifetime via fano resonances
Doğrusal olmayan plazmonik çevirim ve polarizasyon yaşam süresinin fano rezonaslar ile güçlendirilmesi
- Tez No: 461922
- Danışmanlar: DOÇ. DR. ALPAN BEK, DOÇ. DR. MEHMET EMRE TAŞGIN
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Fizik ve Fizik Mühendisliği, Physics and Physics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2017
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Orta Doğu Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Fizik Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 100
Özet
Dielektrik-iletken arayüzlerdeki sınır koşulları ve dispersiyon, birlikte, içerisinde, ışık-madde etkileşim şiddetine göre, rezonans koşullarının sağlanmasının sonucu olarak pik noktaları elde edilen enerji veya dalgaboyu bantlarının oluşmasına yol açar. Bu rezonans enerjilerinde ışık yayılımı, dielektrik-iletken arayüzlerde meydana gelen ve yüzey plazmon polariton (YPP) adı verilerek nitelendirilen kuasi-parçacıklar ile, yani serbest yüklerin kolektif salınımı ile şiddetli bir şekilde çiftlenir. Söz konusu dielektrik ortamlardaki boyutsuz metal nanoyapılar (MNY) ise, bu YPPler yapıya bağlı olurlar ve yayılım yapamazlar, bu yüzden lokalize yüzey plazmonları (LYP) adı ile anılırlar. Rezonant LYP dalgaboyları civarında ışık, etkili bir şekilde MNYlerin yakın alanlarında, nano boyutlara hapsedilir. Bu durum nanoboyutta etkili bir ışık-manipülasyonu için ve bu yolla plazmonik kavramının nanobilim ve nanoteknoloji içerisinde uygulanabilirliğinin artması için zemin sağlar. Alan genliğin çok güçlü olmasına rağmen, MNYler üzerinde indüklenmiş polarizasyon, elektron-çekirdek etkileşimi gibi Ohmik kayıplar nedeni ile çok hızlı bir şekilde sönümlenir. Bu tezde, elverişli koşullar altında Fano rezonansların, kısa yaşam süreli aydınlık modlar ile uzun yaşam süreli karanlık modlar arasındaki çiftlenmenin sonucu olarak, plazmonik salıngaçların yaşam sürelerini uzatabileceği gösterilmiştir. Fano rezonans, kısa yaşam süreli bir salıngacın, uzun yaşam süreli salıngacın rezonans frekansında bir harmonik alan ile sürülmesi ile meydana gelen ve sürülen salıngaçın spektral tepkisinde asimetrik bir dip olarak ortaya çıkan yıkıcı bir girişim yolu etkisidir. Belli bir frekansta sürülen salıngaç, efektif olarak, zıt fazlı olmaları sebebiyle birbirini sıfırlayan iki sürücü kuvvetin etkisi altında olur. Plazmonik bir sistemin zaman tepkisi, belli bir çiftlenme şiddeti, rezonans ve sönümlenme frekansında Fano rezonans ile uzatılabilir. Bununla beraber, Fano rezonans mekanizmasının, MNYler üzerindeki plazmonlar sayesinde optik doğrusalsızlığı güçlendirmenin etkili bir yolu olduğu gösterilmiştir. Güçlü bir şekilde lokalize edilmiş alan, doğrusal olana kıyasla yüksek harmonik alanların çok daha fazla güçlenmesine yol açar. Uzatılmış yaşam sürelerine ve güçlendirilmiş ya da baskılanmış ikinci harmonik çevirime sebep olan plazmonik çiftlenme kavramını çalışmak amacıyla, harmonik salıngaç yöntemine dayanan bir analitik yaklaşım ve zaman uzayında sonlu farklar yöntemi ile 3 boyutlu Maxwell çözümlerine dayanan bir sayısal yaklaşım sunulmuştur. Sonuçları, teorideki sonuçlar ile uyumlu olan, çiftlenmiş gümüş nanoyapılardan oluşan bir sistemin çalışıldığı bir deneysel çalışma da, geliştiren teorik modelin doğrulanması olarak sunulmuştur. Plazmonik MNYlerde uzatılmış yaşam süresi ve güçlendirilmiş doğrusal olmayan tepkinin elde edilmesi olanağını kazanmak, bunların, molekül anahtarlama, güneş enerjisi, fotokataliz ve görüntüleme gibi uygulamalara başarılı bir şekilde entegre edilebilmeleri açısından önemli bir rol oynayabilir.
Özet (Çeviri)
Boundary conditions and dispersion at dielectric-conductor interfaces, together, results in bands of energies or wavelengths of light within which light-matter interaction strength displays peaks as a result of fulfilled resonance conditions. At these resonance energies light propagation is strongly coupled to collective oscillation of free charges at the dielectric-conductor interface which qualifies to be given a quasiparticle name,“the surface plasmon polariton”(SPP). When dealing with zero-dimensional metal nanostructures (MNSs) in dielectric environment, these SPPs are necessarily bound to the structure and cannot propagate, hence become localized surface plasmons (LSPs). Around resonant LSP wavelengths, light is effectively confined to nanoscale sizes in the near field of the supporting MNSs, which offers a playground for effective light-management at the nanoscale, hence applicability of concept of plasmonics arises in nanoscience and nanotechnology. Despite its high amplitude, induced polarization field at the MNS suffers from rapid decay in time due to Ohmic losses such as electron-core interactions. In this thesis, it is shown that when conditions are favorable, Fano resonances may offer lifetime enhancement in plasmonic oscillators as a result of coupling of short lifetime bright and long-lived dark plasmon oscillation modes. Fano resonance is a destructive path interference effect, which emerges as an asymmetric dip in the spectral response of a driven harmonic oscillator, when a short lifetime oscillator is driven by a harmonic field at the resonance frequency of a long lifetime oscillator. At a certain frequency, the driven oscillator becomes under the influence of two driving forces which are out-of-phase, and hence their effects cancel each other. Time response of a plasmonic system can be extended by Fano resonance at a particular coupling strength, resonance and damping frequency. In addition, it is shown that Fano resonance mechanism is an effective way to enhance optical nonlinearities owing to plasmons in MNSs. Strong localized field leads to enhancement in higher harmonic fields compared to the linear responses. An analytical approach based on harmonic oscillator and a numerical approach based on 3D finite difference time domain Maxwell solution is presented to study the plasmonic coupling which resulted in prolonged lifetimes and enhanced or suppressed optical nonlinearity, in particular second harmonic generation. An experimental study on a silver coupled nanostructure system, results of which agree with the ones obtained in theory, is also presented as a verification of the developed model. Gaining the capability to obtain prolonged lifetime and enhanced nonlinear response of plasmonic MNS may play an important role for their successful integration to molecular switching, solar energy, photocatalysis and imaging applications.
Benzer Tezler
- Fano control of plasmonic double-resonant systems
Plazmonik çift çınlamalı sistemlerde fano kontrolü
SELEN POSTACI
Doktora
İngilizce
2021
Fizik ve Fizik MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiFizik Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ALPAN BEK
DOÇ. DR. MEHMET EMRE TAŞGIN
- Grup IV nitrürlerin fotonik ve kuantum plazmonik uygulamaları
Photonic and quantum plasmonic application of group IV nitrides
ASLI GENÇASLAN
Doktora
Türkçe
2023
Fizik ve Fizik MühendisliğiAkdeniz ÜniversitesiFizik Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. RAMAZAN ŞAHİN
- Design and fabrication of resonant nanoantennas on chalcogenide glasses for nonlinear photonic applications
Doğrusal olmayan fotonik uygulamalar için kalkojen camlar üzerinde rezonant nanoanten tasarımı ve üretimi
HÜSEYİN DUMAN
Yüksek Lisans
İngilizce
2013
Fizik ve Fizik Mühendisliğiİhsan Doğramacı Bilkent ÜniversitesiMalzeme Bilimi ve Nanoteknoloji Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. MEHMET BAYINDIR
- Plasmonic enhancement of absorption efficiency of nanoparticles for photothermal therapy applications
Fototermal terapi kullanımı için nanopartikullerin plazmonik emilim veriminin arttırılması
EGE ŞÜKRÜ TAHMAZ
Yüksek Lisans
İngilizce
2022
Makine MühendisliğiBoğaziçi ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HAKAN ERTÜRK
- Development of hybrid photonic and plasmonic light management interfaces for thin film semiconductor devices
İnce film yarı iletken aygıtlar için hibrid fotonik ve plazmonik ışık yönetimi arayüzleri geliştirilmesi
HISHAM NASSER
Doktora
İngilizce
2015
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiMikro ve Nanoteknoloji Ana Bilim Dalı
PROF. DR. RAŞİT TURAN
PROF. DR. MACİT AHMET ÖZENBAŞ