| Autor(en): |
Claus Ropers |
Titel: |
Femtosecond excitations in metallic nanostructures – from ultrafast light confinement to a local electron source |
| Gutachter: |
Thomas Elsässer; Oliver Benson; Christoph Lienau |
| Erscheinungsdatum: |
05.09.2007 |
| Volltext: |
pdf
(urn:nbn:de:kobv:11-10080000)
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| Fachgebiet(e): |
Physik |
| Schlagwörter (ger): |
Oberflächenplasmon, Femtosekunde, Nahfeldoptik, Elektronenimpulse |
| Schlagwörter (eng): |
Surface Plasmon Polariton, Femtosecond, Near-Field Optics, Electron Pulses |
| Einrichtung: |
Humboldt-Universität zu Berlin, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät I |
| Zitationshinweis: |
Ropers, Claus:
Femtosecond excitations in metallic nanostructures – from ultrafast light confinement to a local electron source;
Dissertation,
Humboldt-Universität zu Berlin, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät I , publiziert am 05.09.2007, urn:nbn:de:kobv:11-10080000
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| Abstract (ger): |
| Diese Arbeit leistet einen Beitrag zum Verständnis optischer Anregungen in metallischen Nanostrukturen. Am Beispiel ausgewählter Strukturen werden experimentell die Dynamik dieser Anregungen mit Femtosekunden-Zeitauflösung und ihre elektromagnetischen Moden auf der Nanometer-Längenskala untersucht.
Anhand winkel- und zeitaufgelöster Transmissionsexperimente an metallischen Dünnfilmgittern wird gezeigt, dass resonante Oberflächenplasmon-Polaritonen (OPPen) wesentlich die optischen Eigenschaften dieser Strukturen beeinflussen. Die Lebensdauer solcher Anregungen wird ermittelt und damit nachgewiesen, dass Kopplungen zwischen OPP-Resonanzen drastische Lebensdauer-Modifikationen zur Folge haben.
In einem eigens konstruierten, spektral auflösenden optischen Nahfeldmikroskop werden die elektromagnetischen Feldverteilungen der OPPen direkt abgebildet. Derartige Experimente erlauben erstmals eine Zuordnung der räumlichen Moden zur zeitlichen Dynamik verschiedener OPP-Resonanzen.
Diese Erkenntnisse ermöglichen zudem eine Interpretation des nahfeldmikroskopischen Bildkontrasts bezüglich der Beiträge verschiedener vektorieller Komponenten des optischen Nahfeldes. Die selektive Abbildung unterschiedlicher elektrischer und magnetischer Feldkomponenten in Abhängigkeit vom Sondentyp wird demonstriert.
Darüberhinaus wird die OPP-Erzeugung in einem Gitter auf dem Schaft einer Nahfeldspitze ausgenutzt, um propagierende OPPen im Apex zu konzentrieren.
Ein weiterer Teil der Arbeit nutzt elektrische Feldüberhöhungen an scharfen Metallspitzen für die lokalisierte Erzeugung nichtlinearer optischer Signale. Die Beobachtung intensiver Multiphoton-Elektronenemission nach Femtosekundenanregung stellt ein zentrales Ergebnis dar. Dieser Prozess wird umfangreich charakterisiert und findet seine erste Anwendung in einer neuartigen Rastersondentechnik, in der die örtlich variierende Elektronenemission der Bildgebung dient.
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| Abstract (eng): |
| This thesis contributes to the understanding of optical
excitations in metallic nanostructures. In experiments on selected
model structures, the dynamics of these excitations and their
electromagnetic spatial modes are investigated with femtosecond
temporal and nanometer spatial resolution, respectively.
Angle- and time-resolved transmission experiments on metallic thin
film gratings demonstrate the dominant role resonant surface plasmon
polaritons (SPPs) play in the optical properties of such
structures. The lifetimes of these excitations are determined, and
it is shown that coherent couplings among SPP-resonances result in
drastic lifetime modifications.
The spatial SPP mode profiles are imaged using a custom-built
near-field optical microscope. The experiments reveal a direct
correlation between the spatial mode structure and the dynamics of
different SPP resonances.
These findings allow for an interpretation of the near-field optical
image contrast in terms of the contributions of different vectorial
components of the electromagnetic near-field. A selective imaging of
different electric and magnetic field components is demonstrated for
various types of near-field probes.
Furthermore, the excitation of SPPs in periodic structures is
employed in a novel type of near-field tip. The resonant excitation
of SPPs in a nanofabricated grating on the shaft of a sharp metallic
tip results in their concentration at the tip apex.
The final part of the thesis highlights the importance of optical field enhancements for the local generation of nonlinear optical signals at the apex of sharp metallic tips. Specifically, the observation of intense multiphoton electron emission after femtosecond excitation is a major result. This process is thoroughly characterized, and a novel scanning microscopy application based on this effect is presented. In this technique, an image contrast with nanometer resolution arises from spatially varying electron emission rates.
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