Strong and Broadband Pure Optical Activity in 3D Printed THz Chiral Metamaterials

Optical activity (polarization rotation of light) is one of the most desired features of chiral media, as it is important for many polarization related applications. However, in the THz region, chiral media with strong optical activity are not available in nature. Here, we study theoretically, and experimentally a chiral metamaterial structure composed of pairs of vertical U-shape resonators of "twisted" arms, and we reveal that it demonstrates large pure optical activity (i.e. optical activity associated with negligible transmitted wave ellipticity) in the low THz regime. The experimental data show polarization rotation up to 25 (deg) for an unmatched bandwidth of 1 THz (relative bandwidth 80 %), from a 130 um-thickness structure, while theoretical optimizations show that the rotation can reach 45 (deg). The enhanced chiral response of the structure is analyzed through an equivalent RLC circuit model, which provides also simple optimization rules for the enhancement of its chiral response. The proposed chiral structures allow easy fabrication via direct laser writing and electroless metal plating, making them suitable candidates for polarization control applications.Comment: 17 pages, 7 figure

Προσαρμοσμένα κυματοπακέτα λέιζερ για εξειδικευμένη μικρο-διαμόρφωση υλικών

In this work we experimentally tailor the laser beam wave front for producing novel beams with tunable optical characteristics, which dynamically can be employed for tailored Micro-Structuring of photosensitive materials using the Direct Laser Writing (DLW) technology by Multi-Photon Polymerization (MPP). Although the technique of DLW by MPP has been regarded as a powerful method for many applications providing high resolution structures, at the same time sets serious scaling limitations to the overall size of the fabricated structures leading to time consuming structuring. The increased demand for rapid fabrication, massive production, parallel processing, long scale structuring and high aspect ratio structures require disruptive solutions. For this reason, in the content of the present work, novel fabrication techniques, including Shaped Laser beams, Holographic lithography and Focal beam Engineering for advanced, multiscale and tunable laser material’s processing, are being developed, proposed and demonstrated. The thesis starts with the study of the novel accelerating ring-Airy beams, which due their abrupt autofocusing property, deliver high intensity contrast at the focus. Tunable-ring Airy beams are experimentally generated and employed for the fabrication of large three-dimensional structures with high resolution using multi-photon polymerization. We also demonstrate that, although paraxial, the ring-Airy beams can be used for structuring with resolution down to the wavelength limit. An important aspect in laser material processing applications is the thorough consideration of the focal volume scaling laws, which are unveiled during fabrication, especially for high aspect ratio focal volumes. For this reason, we report on the action of exposure time and peak Intensity on the growth of long-range focal volumes in Multiphoton Polymerization. Finally, in the last part of this thesis, a new versatile three-dimensional (3D) holographic focal volume engineering method is demonstrated and employed for advanced Multiphoton Polymerization. The method achieves significant fabrication time reduction (between one and two orders of magnitude) when compared to the point-by-point conventional laser polymerization technique.Σε αυτή τη διδακτορική μελέτη κυματοπακέτα φωτός διαμορφώνονται πειραματικά στο χώρο για την παραγωγή καινοτόμων δεσμών λέιζερ με ρυθμιζόμενα οπτικά χαρακτηριστικά, τα οποία δυναμικά θα μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την προσαρμοσμένη μικρο-διαμόρφωση φωτοευαίσθητων υλικών χρησιμοποιώντας την τεχνική Άμεσης Εγγραφής με Λέιζερ και του Πολυφωτονικού Πολυμερισμού. Παρόλο το γεγονός ότι η τεχνική άμεσης εγγραφής με λέιζερ έχει καθιερωθεί ως μία ισχυρή μέθοδος για πολλές εφαρμογές, επιτρέποντας την κατασκευή μίκρο- και νάνο-δομών υψηλής ευκρίνειας, ταυτόχρονα θέτει την κατασκευή δομών μεγάλης κλίμακας ως μία σημαντικά χρονοβόρα διαδικασία. Οι σύγχρονες απαιτήσεις για γρήγορη κατασκευή δομών, μαζική παραγωγή και δομές μεγάλης κλίμακας οδηγούν στην ανάγκη άμεσων λύσεων. Για αυτό στο πλάισιο αυτής της διδακτορικής μελέτης, καινοτόμες τεχνικές κατασκευής μικροδομών, συμπεριλαμβάνοντας νέες διαμορφωμένες δέσμες λέιζερ, ολογραφική λιθογραφία και κατάλληλη διαμόρφωση του εστιακού πεδίου με στόχο την εξειδικευμένη και ελεγχόμενη επεξεργασία υλικών, αναπτύσσονται και εφαρμόζονται. Η διατριβή αυτή ξεκινάει με την μελέτη των καινοτόμων επιταχυνόμενων ring-Airy δεσμών, οι οποίες λόγω της μοναδικής τους ιδιότητας να αυτοεστιάζονται, μπορούν να μεταφέρουν ισχυρές εντάσεις στο σημείο της εστίασης τους. Τέτοιες δέσμες με ελεγχόμενα χαρακτηριστικά παράχθηκαν πειραματικά και χρησιμποιήθηκαν για την κατασκευή τρισδιάστατων δομών υψηλής ευκρίνειας μέσω πολυφωτονικού πολυμερισμού. Παράλληλα, αποδεικνύεται ότι αυτές οι παραξονικές δέσμες μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την κατασκευή δομών στο όριο του μήκους κύματος. Μία σημαντική παράμετρος στην επεξεργασία υλικών με λέιζερ είναι η πλήρης αντίληψη των νόμων που διέπουν την διαμόρφωση των φυσικών διαστάσεων του όγκου της εστίας κατά τον πολυμερισμό. Για αυτό το λόγω, η διατριβή αυτή συνεχίζει με τη μελέτη της επίδρασης της έντασης και χρόνου έκθεσης κατά την δημιουργία εστιακών όγκων μεγάλου μήκους κατά των πολυφωτονικό πολυμερισμό. Τέλος, μία ευέλικτη ολογραφική μέθοδος διαμόρφωσης της εστίας στις τρεις διαστάσεις παρουσιάζεται και εφαρμόζεται στον πολυφωτονικό πολυμερισμό. Η μέθοδος αυτή επιτυγχάνει σημαντική μείωση του συνολικού χρόνου που απαιτείται για την κατασκευή δομών μέχρι και δύο τάξεις μεγέθους συγκριτικά με την κοινή τεχνική άμεσης εγγραφής με λέιζερ

3D plasmonic crystal metamaterials for ultra-sensitive biosensing

International audienceWe explore the excitation of plasmons in 3D plasmon crystal metamaterials and report the observation of a delocalized plasmon mode, which provides extremely high spectral sensitivity (> 2600 nm per refractive index unit (RIU) change), outperforming all plasmonic counterparts excited in 2D nanoscale geometries, as well as a prominent phase-sensitive response (>3*10(4) deg. of phase per RIU). Combined with a large surface for bioimmobilization provided by the 3D matrix, the proposed sensor architecture promises a new important landmark in the advancement of plasmonic biosensing technology

3D Photonic Nanostructures via Diffusion-Assisted Direct fs Laser Writing

We present our research into the fabrication of fully three-dimensional metallic nanostructures using diffusion-assisted direct laser writing, a technique which employs quencher diffusion to fabricate structures with resolution beyond the diffraction limit. We have made dielectric 3D nanostructures by multiphoton polymerization using a metal-binding organic-inorganic hybrid material, and we covered them with silver using selective electroless plating. We have used this method to make spirals and woodpiles with 600 nm intralayer periodicity. The resulting photonic nanostructures have a smooth metallic surface and exhibit well-defined diffraction spectra, indicating good fabrication quality and internal periodicity. In addition, we have made dielectric woodpile structures decorated with gold nanoparticles. Our results show that diffusion-assisted direct laser writing and selective electroless plating can be combined to form a viable route for the fabrication of 3D dielectric and metallic photonic nanostructures