Obrazowanie nadrozdzielcze za pomocą nanoukładów plazmonicznych

Abstract

Niniejsza rozprawa dotyczy nanostruktur metaliczno-dielektrycznych, w których propagacja światła możliwa jest dzięki wzbudzeniom powierzchniowych plazmonów-polarytonów. W rozpatrywanych układach warstwowych możliwe jest uzyskanie obrazowania nadrozdzielczego. Praca poświęcona jest optymalizacji nadrozdzielczych struktur cienkowarstwowych, ich opisowi przy użyciu teorii ośrodków efektywnych, zastosowaniu teorii układów liniowych do ich projektowania, a także potencjalnym możliwościom ich wykorzystania. W pracy wykazano, że cienkowarstwowe metaliczno-dielektryczne struktury nadrozdzielcze zaprojektowane przy użyciu teorii ośrodków efektywnych są suboptymalne ze względu na uzyskiwaną rozdzielczość i współczynnik transmisji. Wykazano, że w drodze optymalizacji numerycznej możliwa jest poprawa obu tych wielkości, otrzymując ponadto struktury o grubszych warstwach, które z technologicznego punktu widzenia są łatwiejsze do wykonania. Straty propagacyjne dla struktury cienkowarstwowej przewidywane przez teorię ośrodków efektywnych mogą znacznie odbiegać od wyniku obliczonego ściśle, nawet gdy warstwy z których składa się struktura są kilkukrotnie cieńsze od długości fali. W szczególności, wykazano, że w strukturze o skończonej grubości warstw można uzyskać kilkukrotnie niższe straty niż w strukturze o podobnym składzie o infinitezymalnie cienkich warstwach. Ponadto wykazano, że cienkowarstwowe struktury nadrozdzielcze można łączyć w~nanoukłady optyczne pozwalające zmieniać przestrzenny rozkład natężenia wiązki świetlnej bez zaburzania rozkładu fazy pola. Zaproponowano użycie trzech połączonych ze sobą struktur cienkowarstwowych, do utworzenia struktury, która zmienia rozkład natężenia padającej wiązki gaussowskiej, ogniskując wiązkę w obszarze o podfalowych rozmiarach, oraz pozostawia przy tym niezaburzony, płaski kształt powierzchni stałej fazy.The subject of this thesis are metal-dielectric nano-structures, in which light propagation is possible thanks to the excitation of surface plasmon-polaritons. The layered structures considered in the thesis enable imaging with superresolution. The thesis is devoted to optimization of superresolving layered structures, their description with the use of the effective medium theory, the application of the theory of linear systems to their development, and to their potential applications. It has been demonstrated that thin layered metal-dielectric superresolving structures developed with use of the effective medium theory are suboptimal with respect to the attainable resolution and transmittance. It has been proven that these two characteristics can be improved simultaneously by means of numerical optimization, and the resultant structures consist of thicker layers, more feasible from the technological point of view. Propagation losses predicted by the effective medium theory for thin layered structures may differ significantly from the precise result, even in the case of structures with very thin layers - several-fold thinner than the free-space wavelength. In particular, a structure with a finite thickness of layers may show also several-fold smaller losses than a respective one with infinitesimally thin layers. It has also been demonstrated that superresolving layered structures can be combined into optical systems that allow for changing the spatial distribution of intensity of a propagating light beam, while its phase characteristics remains not aberrated. It has been proposed to combine three thin layered stacks to obtain a system capable of focusing the energy of an incident Gaussian beam into a subwavelength area, simultaneously preserving homogeneous and planar phase fronts