여기 및 빛 방출 및 표면 플라스몬 Polaritons 사이 요금 커플링

Summary

이 프로토콜에는 여기를 확인 하 고 결합 빛 방출 및 정기적인 배열에서 발생 블로흐와 같은 표면 플라스몬 polaritons 사이 요금 계측을 설명 합니다.

Abstract

여기 고 커플링 시간 해결 기술을 사용 하지 않고도 금속 정기적인 배열에서 발생 하는 빛 방출 및 표면 플라스몬 polaritons (SPPs) 사이 속도 측정 하는 독특한 방법을 개발 했습니다. 우리가 간단한 광학 측정에 의해 측정 될 수 있는 수량에 의해 요금을 공식화 했습니다. 계측 각도 및 양극 화 해결 반사도 및 photoluminescence 분광학에 따라 여기에서 설명 합니다. 우리의 접근은 그것의 단순 일상적인 광학 및 몇몇 기계적인 단계 이며 따라서 대부분 연구 실험실의 매우 저렴 한 흥미로운.

Introduction

표면 플라스몬 중재 형광 (SPMF)는 상당한 관심을 받고 있다 최근^1,2,,34,,56. 빛이 미터 plasmonic 시스템에 근접에서 배치는, 미터 및 표면 플라스몬 polaritons (SPPs) 사이 에너지를 전송할 수 있습니다. 일반적으로, 강한 plasmonic 필드 강하게 미터²의 흥분을 높일 수 있다. 동시에 방출 속도 또한 큰 밀도-의-미국 SPPs, 잘 알려진 퍼셀 효과³항복에 의해 만들어진 때문에 증가 했다. 이 두 프로세스는 SPMF 생산에 손에 손을 작동 합니다. SPMF 솔리드 스테이트 조명^1,4,⁵및 바이오-탐지⁶, 수확 에너지에에서 다양 한 응용 프로그램을 자극 했다 집중 조사 중 현재 이다. 특히, 에너지 전송 속도 SPPs는 미터와 반대로, 즉, 에서 지식을 자극 및 요금, 커플링 이다 매우 중요. 그러나, 여기 및 방출 프로세스는 일반적으로 함께 얽혀 버린,이 부분에 대 한 연구는 아직 부족 한. 예를 들어 연구의 대부분만 방출 SPPs⁷하지 않고 단순히 비교 하는 구동 효율 비율을 결정 합니다. 여기 속도의 정확한 측정은 아직 없습니다. 다른 한편으로, 기존의 시간-해결 형광 일생 분광학 등 기법은 방출 과정의 역학을 공부 하 고 정기적으로 사용 되지만 그들은 총 감퇴 율⁸에서 연결 속도 분리 수 있습니다. 여기, 우리가 어떻게 하나 속도 방정식 모델 및 일시적인 결합된 모드 이론^9,10결합 하 여 그들을 확인할 수 있습니다 설명 합니다. 놀랍게도, 우리는 여기와 요금 커플링 나타낼 수 있다 측정 수량, 각도 및 양극 화 해결 반사도 및 photoluminescence 분광학을 수행 하 여 액세스할 수 있는 발견. 우리가 먼저 윤곽을 수립 하 고 설명 자세히 계측. 이 방식은 전적으로 주파수 도메인 기반 및 초고속 레이저 등 시간 상관 단일 광자 카운터, 비싼 어렵고 때로는^8, 를 구현 하는 모든 시간 해결 액세서리 필요 하지 않습니다. ¹¹. 우리는 여기를 확인 하 고 결합 빛 방출 및 공명 충 치 사이 요금 사용 기술에이 기술을 예상.

정기적인 시스템에 SPMF 여기 브리핑입니다. 미터 들어오는 SPPs에 의해 흥분 수 어디 블로흐 같은 SPPs 생성 될 수 있습니다, 여기 효율 η 자발적인 방출 속도 Γ_r에 의해 특징, 직접 여기 및 방출, 주기적으로 plasmonic 시스템에 대 한 고 나가는 SPPs 통해 붕괴. 즉, 공명 여기에서 들어오는 SPPs는 미터를 재충전 하는 강한 plasmonic 필드를 만드는 생성 됩니다. 방출 흥분 되 면, 나가는 SPPs, 이후에 radiatively 멀리 필드에 사라지고, 어떤 향상 된 방출에 기한에 그들 로부터 에너지를 전송할 수 있습니다. 그들은 SPMF를 정의합니다. 간단한 2 레벨 미터, 여기를 참조 전자의 증가 전환 흥분된 상태를 지상에서 방출 광자 방출 파장 정의에서 함께 그라운드 상태에 다시 전자의 부패를 정의 하는 반면 으로 흥분 하 고 접지 상태 사이의 에너지 차이입니다. 여기 및 방출은 SPMF에 대 한 조건이 일치 하는 수신 및 발신 SPPs⁹ 자극 방정식 유명한 단계를 수행 하는 데 필요한

(1)

어디 ε는_는 ε_m 하는 유 전체와 금속 유 전체 상수, θ, φ는 사건 및 방위 각, P 배열의 기간, λ는 여기 또는 방출 파장 이며 m과 n의 순서를 지정 하는 정수 SPPs입니다. 여기, 레이저 광선의 평면에 wavevector 브래그 들어오는 SPPs 기세 일치 하 고 θ 그리고 φ 함께 정의에 전자 흡수를 향상 시키기 위해 SPPs 흥분에 대 한 지정 된 사건 구성 될 것입니다는 여기 파장 λ_전. 마찬가지로, 방출, 나가는 SPPs 됩니다 반대로 브래그 빛 라인과 일치 하 고 각도 지금 방출 파장 λ_그들에 가능한 방출 채널을 나타냅니다. 그러나 그것을 지적 하는, 그는 미터와 vectorial 전파 SPPs를 그들의 에너지를 몇 수 같은 크기는 하지만 서로 다른 방향으로 SPPs 멀리 필드 다음 식 (1) (m, n)의 다양 한 조합을 통해 부패 수 있습니다.

비율 방정식 모델 및 일시적인 결합된 모드 이론 (CMT)를 사용 하 여 우리는 여기 속도 Γ_전, 즉, 방출 에너지 전송 속도 SPPs에서 찾을,^9,,1213 으로 표현 될 수 있다

(2)

여기서 η는 들어오는 SPPs의 부재는 상기 직접 구동 속도, Γ_덧셈 은 들어오는 SPPs의 총 감퇴 율 Γ_abs 와 Γ_방사선 저항 흡수 및 SPPs의 복사 감소율은 고  와 들어오는 SPPs 없이 photoluminescence 전력 비는. 다른 한편으로, 커플링 속도 Γ_c, 즉, SPPs, 미터에서 에너지 전송 속도으로 작성할 수 있습니다.

(3)

Γ_r 은 직접 방출 속도 는 photoluminescence 전력 비는 α 사이^일 SPP 중재 부패와 직접 포트, 그리고 Γ_방사선^α 와 Γ_덧셈 α^일 포트에 대 한 복사 감소율 그리고 총 감퇴 율입니다. 우리는 모든 SPP 감소율 반사 분광학에 의해 측정 될 수 있다, 하는 동안 방출 전력 비율은 photoluminescence 분광학에 의해 결정 수 있습니다 나타납니다. 세부 정보는 공식의 참조^9,10에서 찾을 수 있습니다.

Protocol

1입니다. 간섭 리소 그래피의 설치 참고: 간섭 리소 그래피 주기적 배열을12를 조작 하는 데 사용 됩니다. 도식 설치 그림 1에서 같이 구축 다음과 같습니다. 13 X UV 렌즈 및 50 μ m의 작은 구멍을 통해 그것은 청소 하는 모드에 대 한 공간 필터를 기반으로 패스 HeCd 다중 모드 레이저에서 325 nm 레이저 초점. 추가 필터링 분기 ?…

Representative Results

Au 주기적 배열의 예로 그림 4a8인세트에서 주어진 다. 평면 뷰 SEM 이미지 샘플은 510의 기간으로 2 차원 사각 격자 원형 구멍 배열 표시 nm, 280의 구멍 깊이 nm, 그리고 140의 구멍 직경 nm. Γ X 방향을 따라 촬영 p-편광 반사 매핑 그림 4a에 표시 됩니다. 대시 선 방정식 eq. (1) 나타내는 일치 하는 단계에 의해 계산 됩?…

Discussion

이 프로토콜에서 몇 가지 중요 한 단계가 있습니다. 첫째, 기계적 안정성은 시료 준비에 중요 합니다. 서 파 로이드의 설치 프로그램에 의해 생성 된 두 개의 조명 광선의 위상 차이에 민감한입니다. 따라서, 노출 시간 동안 어떤 진동 균일성과는 nanohole의 가장자리 선명도 저하 됩니다. 그것은 높은 진동 없는 환경, 예를 들면, 진동 격리 지원으로 광학 테이블에서 작동 하도록 것이 좋습니다…

Materials

SU-8	MicroChem	SU-8 2000.5
Adhesion solution	MicroChem	Omnicoat
SU-8 Thinner (Gamma-Butyrolactone)	MicroChem	SU-8 2000 Thinner
SU-8 Developer	MicroChem	SU-8 Developer
Spin Coater	Chemat Technology	KW-4A
HeCd laser	KIMMON KOHA CO., LTd	IK3552R-G
Shutter	Thorlabs	SH05
Objective for sample preparation	Newport	U-13X
Pinhole	Newport	PNH-50
Iris	Newport	M-DI47.50
Prism	Thorlabs	PS611
Rotation stage for sample preparation	Newport	481-A
Supttering Deposition System	Homemade
Rotation Stage 1	Newport	URM80ACC
Rotation Stage 2	Newport	RV120PP
Rotation Stage 3	Newport	SR50PP
Detection arm	Homemade
Quartz lamp	Newport	66884
Fiber Bundle	Newport	77578
Objective for measurement	Newport	M-5X & M-60X
Polarizer & Analyzer	Thorlabs	GT15
Multimode Fiber	Thorlabs	BFL105LS02
Spectrometer	Newport	MS260i
CCD	Andor	DV420-OE
514nm Argon Ion Laser	Spectra-Physics	177-G01
633nm HeNe Laser	Newport	R-32413
CdSeTe quantum dot	Thermo Fisher Scientific	q21061mp
Polyvinyl alcohol polymer (PVA)	SIGMA-ALDRICH	363073
Control program	National Instruments	LabVIEW