Arvind Nagarajan

Het onderzoek in dit proefschrift is gericht op ontwerp van nanogestructureerde oppervlakken die een buitengewone controle op de stroming van licht mogelijk maken. Nanogestructureerde oppervlakken zijn ontworpen met behulp van semi-analytische modellen en numeriek / experimenteel gedemonstreerd voor drie hoofdtoepassingen, hieronder uitgewerkt, te weten optische absorptie, optische microscopie en ultra-smalbandige spectrale filtering.

1) Ontwerp en demonstratie van een superabsorber voor optische frequenties

Het is algemeen bekend dat op plasmonische meta-oppervlakken gebaseerde superabsorbers een hoge absorptie vertonen. Over het algemeen bestaan ze uit drie lagen: een laag met nano-metaalresonatoren, een dunne diëlektrische afstandhouder en een metalen grondlaag. De absorptiepiek kan worden afgestemd door de geometrie / grootte van de sub-golflengte-resonator. Breedbandabsorptie kan worden verkregen door spectraal verschoven resonanties van meerdere resonatoren van verschillende grootte / vormen in een eenheidscel te benutten. Metaaldispersie belemmert echter sterke breedbandabsorptie bij optische frequenties en een zorgvuldig ontwerp proces is essentieel om goed werkende structuren te verkrijgen. Een nieuw analytisch raamwerk voor het ontwerpen van een metaal-diëlektrisch-metaal (MDM) superabsorber voor optische frequenties wordt gepresenteerd in hoofdstuk 2. Het ontwikkelde analytische raamwerk gebruikt bandgap-plasmondispersie om de afmetingen van de resonatoren te bepalen en behandelt vervolgens de MDM-superabsorber als gestapelde lagen door de resonatoren te homogeniseren tot een effectief medium. Het gestapelde systeem wordt vervolgens opgelost met behulp van de overdrachtsmatrixmethode. Numerieke simulaties op basis van de eindige-elementenmethode (FEM) testen de effectiviteit van het voorgestelde raamwerk. De voorgestelde MDM-superabsorber is gefabriceerd met behulp van elektronenbundellithografie en is ook experimenteel gekarakteriseerd. De ontworpen superabsorber is polarisatiegevoelig en is zwak afhankelijk van de invalshoek. Het gepresenteerde raamwerk kan worden gebruikt om snel een superabsorber te ontwerpen voor elk gewenst golflengtegebied met behulp van een enkele MDM-combinatie. Dit is vooral nuttig voor dispersieve materialen. Het kan worden uitgebreid voor grotere hoeken en hogere orde modi. Hoewel bedoeld voor loodrechte inval en voor de fundamentele modus, is dit raamwerk de eerste stap in een volledig analytische benadering voor het ontwerpen en optimaliseren van MDM-superabsorbers.

2) Beeldvorming met superresolutie in reflectiemodus met behulp van een super-oscillerende lens (SOL)

Een super-oscillerende lens (SOL) is in staat om de lichtintensiteitsverdeling te verkleinen tot foci kleiner dan de diffractiebeperkte focus van lenzen met een gelijkwaardige heldere opening. Deze eigenschap biedt de mogelijkheid om objecten af te beelden met een hogere resolutie (superresolutie) dan een conventionele optische microscoop, zoals experimenteel aangetoond in de literatuur in transmissie. Het is echter niet eenvoudig om een SOL in reflectiemodus te gebruiken, omdat deze lijdt aan aberraties bij het opvangen van het licht. Bovendien is een karakteristiek kenmerk van de SOL het naast elkaar bestaan van hoogenergetische ringen rond de centrale sub-diffractie focus. Het wordt vermoed dat deze zijbanden de beeldeigenschappen verslechteren, maar de feitelijke invloed ervan is nog niet eerder onderzocht. De eerste experimentele demonstratie van een reflecterende confocale nanoscoop met een super-oscillerende lens (SOL) gemaakt van een metalen masker wordt gerapporteerd in hoofdstuk 3. Het hoofdstuk begint met een uitleg van de experimentele opstelling en de uitlijningsvereisten. De SOL wordt dan gekarakteriseerd over een afstandsbereik, en een geschikte sub-diffractie beperkte focus wordt gekozen om een reeks objecten af te beelden. De objecten, bestaande uit dubbele balken, 1D- en 2D-arrays zijn ontworpen om de invloed van de ringen op de afbeeldingskwaliteit te bepalen. De resultaten laten zien dat de SOL kleine objecten met superresolutie kan afbeelden, maar dat SOL slechte afbeeldingseigenschappen heeft voor uitgebreide objecten vanwege de zijbandbelichting. De effecten kunnen worden verminderd met een immersielens (NA > 1).

3) Ontwerp van een ultra-smalbandig transmissiefilter

Ultra-smalbandige spectrale filtering is cruciaal voor een verscheidenheid aan toepassingen zoals LiDAR, optische satellietcommunicatie, gasdetectie en multispectrale beeldvorming. Traditioneel zijn ultra-smalbandige filters gebaseerd op lichtinterferentie in meerlaagse coatings. Het belangrijkste nadeel is de afstembaarheid van de piekgolflengte. Als alternatief kunnen ultra-smalbandige filters worden verkregen door een Fabry-Pérot-holte te creëren uit twee gedistribueerde Bragg reflectoren (DBR). De hoogte van de holte bepaalt de piekgolflengte, terwijl het aantal alternerende diëlektrische lagen in de DBR de bandbreedte bepaalt. Een typisch DBR-filter met een volledige-breedte bij half-maximum (FWHM) van 10 nm bestaat uit meer dan 10 lagen, waardoor het bewerkelijk is om deze te fabriceren. Een eenvoudiger meta-oppervlak met nanopatroon als alternatief voor een DBR-holte wordt onderzocht. Een op een meta-oppervlak gebaseerde ultra-smalbandig transmissiefilter voor de c-band wordt voorgesteld in hoofdstuk 4. Het filter bestaat uit amorfe silicium (a-Si) ringen gekoppeld in het nabije veld aan een plasmonische laag bestaande uit subgolflengte gaten in goud met een glazen afstandslaag. Het filter combineert de voordelen van een hoge Q-resonantie, gegenereerd door de a-Si-ringen, met de uitstekende out-of-band prestaties van de plasmonische laag. Een model voor twee gekoppelde oscillatoren onthult de fundamentele resonanties die interfereren om de smalbandige transmissie te produceren. Meerpolige decompositie van de stromen in het filter bevestigt de dipool-dipool interactie die wordt voorspeld door het gekoppelde oscillatoren model. De piektransmissie van het filter kan eenvoudig worden aangepast door de periodiciteit van de eenheidscel te wijzigen, waardoor het gemakkelijker wordt om de filters in beeldsensoren te integreren.