Kurzfassung
In dieser Arbeit wird das Konzept der Transformationsoptik für Oberflächenplasmonen experimentell, theoretisch und mit Hilfe von numerischen Computersimulationen untersucht. Dazu wird der Ansatz eines effektiven Brechungsindexes verwendet. Grauskalen Elektronenstrahl-Lithografie wird verwendet, um dreidimensionale Lackstrukturen auf Goldfilmen herzustellen. Diese erzeugen eine effektive Brechungsindexverteilung für propagierende Oberflächenplasmonen. Die Wechselwirkung mit verschiedenen Strukturen wird mit einem phasenauflösenden Nahfeldmikroskop untersucht.
Um das Brechungsindexprofil einer Lüneburg-Linse zu erzeugen, präparieren wir eine kuppelförmige Lackstruktur auf die Oberfläche eines Goldfilms. Mittels fokussierten Ionenstrahlen wird in unmittelbarer Nähe ein Gitterkoppler konstruiert. Über diesen werden durch eingestrahltes Licht Oberflächenplasmonen angeregt, welche dann in Richtung der Linse propagieren. Neben einem deutlichen Fokus konnten wir gebogene Wellenfronten innerhalb der Linse nachweisen und dadurch die Funktionalität der Transformationsoptik für Plasmonen im Nahfeld zeigen.
Um den Einfluss eines ansteigenden effektiven Brechungsindexes auf propagierende Oberflächenplasmonen noch detaillierter zu untersuchen, präparieren wir eine keilförmige Lackstruktur auf die Goldoberfläche. Der Lack Keil hat eine über eine Strecke von 10 μm kontinuierlich von Null bis auf 250 nm ansteigende Dicke und erzeugt so einen ansteigenden effektiven Brechungsindex. Die resultierende Nahfeldverteilung von einlaufenden, zuvor mittels frustrierter Totalreflexion angeregten Oberflächenplasmonen wird durch heterodyne Detektion phasenaufgelöst vermessen. Unsere Ergebnisse zeigen deutlich ein Tsunami-ähnliches Verhalten für Oberflächenplasmonen.
Den Ansatz eines effektiven Brechungsindexes ausnutzend, präsentieren wir ein auf Oberflächenplasmonenresonanzen basierendes, integrierbares, planares Mikrospektrometer, welches eine planare Ausdehnung von unter 200 µm × 200 μm besitzt, und die Wellenlänge von einfallendem monochromatischen Licht im sichtbaren Spektrum nanometergenau bestimmen kann.
In this thesis the effective refractive index implementation of the transformational plasmon optics concept is studied experimentally, theoretically and with numerical computer simulations. Gray scale electron beam lithography is used to prepare three dimensional resist structures that generate an effective refractive index distribution for propagating surface plasmons on top of gold films. The interaction with these structures is measured phase-resolved by use of heterodyne near field scanning optical microscopy. We prepare a dome-shaped resist structure to realize a Lüneburg lens, i.e., a lens that exhibits a focal spot at its outer perimeter, for surface plasmons that are excited by light that is incident on an adjacent grating coupler. We could clearly observe a bending of the wave fronts inside the lens as well as a weak focal spot. Thereby we could show the functionality of the transformational plasmon optics approach in the near field. To study the interaction of a propagating surface plasmon with a gradient effective refractive index in greater detail, we prepare a wedge shaped resist structure on top of a gold film. The thickness of the resist continuously increases from zero to 250 nm over a distance of 10 μm to create an ascending effective refractive index. The resulting near field pattern of an incident plasmonic wave that is excited through attenuated total reflection is measured with phase resolution using optical heterodyne detection. Our results clearly show a tsunami like behavior for propagating surface plasmons. Utilizing the effective refractive index approach, we present and realize the concept of an integrable, planar, surface plasmon resonance based micro spectrometer. Our conceptual device exhibits planar dimensions as tiny as 200 µm × 200 μm and is capable of determining the wavelength of incident monochromatic light with sub-nanometer resolution in the visible regime.