Grating Coupling To Surface Phonon Polaritons

Abstract

Ein Kernziel der Nanophotonik ist die Lokalisation von Licht mithilfe von Strukturen, die kleiner sind als die Lichtwellenl¨ ange, um neuartige lichtbasierte Technologien zu entwickeln. Optische Polaritonen stellen einen Weg dar, das konventionelle Brechungslimit zu umgehen, Licht zu lokalisieren und die damit einhergehenden starken Feld¨ uberh¨ ohungen zu erzeugen. Zu diesem Zweck wurden in den vergangenen Jahrzehnten Oberfl¨ achenplasmon-Polaritonen(engl. Surface Plasmon Polaritons, SPPs) ausgiebig studiert. Diese SPPs k¨ onnen in Edelmetalloberfl¨ achen angeregt werden, sind durch ihre kurze Lebenszeit jedoch stark limitiert. Eine in dieser Arbeit verwendete Alternative mit deutlich l¨ angerer Lebenszeit stellen Oberfl¨ achenphononen-Polaritonen (engl. Surface Phonon Polaritons, SPhPs). SPhPs sind gekoppelte Moden aus Phononen und Photonen. Diese Moden werden an der Oberfl¨ ache von einem polaren Dielektrikum mithilfe von Infrarotstrahlung angeregt. Fokus dieser Arbeit liegt auf der Anregung solcher SPhPs in der Oberfl¨ ache eines Siliciumcarbidkristalls (SiC) mithilfe eines auf der Oberfl¨ ache installierten Gitters. Hierbei dient das Gitter dazu, der eingehenden Strahlung zus¨ atzlichen Impuls parallel zur Oberfl¨ ache zu geben. Aufgrund der Dispersion des SPhPs kann nur durch diesen Impulsstoß Licht eingekoppelt werden. In dieser Arbeit wird der Einfluss verschiedener Gitterparameter auf die Kopplungseffizienz von infrarotem Licht an das SPhP untersucht. Zu diesem Zweck wurden Simulationen f¨ ur ein Gitter aus reinem SiC und einem Goldgitter durchgef¨ uhrt. Um die Validit¨ at der Simulationsergebnisse zu untersuchen wurden im Rahmen dieser Arbeit zwei solche Gittersysteme vermessen. Das reine SiC-Gitter wurde am ZELMI-Institut der Technischen Universit¨ at Berlin mit einem fokusierten Ionenbeam hergestellt. Das Goldgitter wurde in einer Kollaboration mit der Gruppe von Prof. Dr. M¨ unzenberger an der Universit¨ at Greifswald produziert. Als infrarote Lichtquelle zur Anregung der Moden diente der Freie Elektronenlaser des Fritz-Haber Institutes. Aus den Messergebnissen lies sich schlussfolgern das es m¨ oglich war SPhPs mit beiden Gittersystemen anzuregen. Weiterhin zeigten die Messergebnisse gute ¨ Ubereinstimmung mit den Simulationensergebnissen. Im Falle des Goldgitters zeigte sich das Ausbilden einer hybriden SPP-SPhP Mode welche Gegenstand neuer Unter- suchungen werden k¨ onnte. Diese Arbeit vermittelt somit ein grundlegendes Verst¨ andnis ¨ uber den Einfluss der verschiedenen Gitterparameter auf die Kopplungseffizienz, zeigt das SPhP Anregung in der SiC-Oberfl¨ ache auch mit anderen Gittermaterialien m¨ oglich ist und erm¨ oglicht somit die Entwicklung neuartiger Gittersysteme die sich hybride SPP-SPhP Moden zunutze machen