Verstärkte Plasmonik
Forscher aus Island und Deutschland haben in einem plasmonischen Wellenleiter optische Verstärkung erreicht.
Forscher aus Island und Deutschland haben in einem plasmonischen Wellenleiter optische Verstärkung erreicht.
An der Grenzfläche zwischen einem Metall und einem Dielektrikum kann man mit Lichtwellen elektronische Plasmaschwingungen anregen, die sich dann zusammen mit dem elektromagnetischen Feld entlang der Grenzfläche ausbreiten. Diese Oberflächenplasmonen haben zwar die Frequenz des anregenden Lichts, ihre Wellenlänge ist jedoch viel kleiner als die Lichtwellenlänge. Dadurch werden nanometergroße plasmonische Antennen, Laser, elektrooptische Bauelemente und Wellenleiter möglich, die kleiner sind als die Wellenlänge des Lichts, das sie verarbeiten. Die darauf aufbauende Plasmonik nutzt THz-Frequenzen wie die Photonik – bei gleichzeitiger Nanostrukturierung wie in der Elektronik.
Abb.: Der plasmonische Wellenleiter mit Verstärkung: Das zu einem Streifen gebündelte Laserlicht fällt auf die fluoreszierende Polymerschicht, unter der sich die Goldschicht befindet. Das an der Endfläche der Schichten von den Plasmonen abgegebene Licht, wird von einem Mikroskop aufgenommen und zu einem Spektrometer geleitet. (Bild: Malte C. Gather et al., Nature Photonics)
Die Herstellung von plasmonischen Wellenleitern, die Anregungen über makroskopische Distanzen transportieren, scheiterte jedoch bislang an den großen Verlusten, die die Oberflächenplasmonen erleiden: Für Frequenzen im Bereich des sichtbaren Lichtes können die Verluste größer als 1000/cm sein. Dieses Problem ließe sich dadurch lösen, dass man den plasmonischen Wellenleiter mit einem verstärkenden Medium ausstattet, das die Verluste der Plasmonen und der mit ihnen laufendenden Lichtwelle kompensiert. Kürzlich war aus Kanada eine solche Verstärkung gemeldet worden. Jetzt berichtet ein Team von der University of Iceland, der Universität Köln und dem Fraunhofer Institut in Jena über Verstärkung mit Hilfe eines stark fluoreszierenden Polymers.
Malte Gather und seine Kollegen haben eine 4 nm dicke Goldschicht auf eine transparente Kunststoffunterlage aufgebracht und mit einer 1 µm dicken Schicht eines fluoreszierenden Polymers überzogen, das aus einem Polyphenylenvinylen-Derivat und aus Polyspirofluoren bestand. Das Ganze wurde dann mit einer transparenten Kunststoffschicht bedeckt. Die Oberflächenplasmonen wurden dadurch angeregt, dass Laserlicht mit einer optischen Faser von der Seite her auf eine Endfläche der Goldschicht gestrahlt wurde. Die Plasmonen breiteten sich dann auf der Unter- und Oberseite der Goldschicht aus, bis sie die gegenüberliegende Endfläche der Goldschicht erreichten. Dort verursachten sie die Emission von Licht, dessen frequenzabhängige Intensität gemessen wurde. Für Wellenlängen zwischen 600 nm und 700 nm lagen die ermittelten Verluste bei 50/cm.
Dann untersuchten die Forscher die plasmonenverstärkende Wirkung der fluoreszierenden Polymerschicht. Dazu wurde die Schicht von oben mit gepulstem Laserlicht von 532 nm Wellenlänge bestrahlt, das zu einem 200 µm breiten Lichtstreifen fokussiert war. Die seitliche Beleuchtung durch die Glasfaser war dabei abgeschaltet, sodass auf diese Weise keine Plasmonen erzeugt wurden. Auf der Goldschicht konnten indes spontan Oberflächenplasmonen entstehen, die aufgrund der hohen Verluste normalerweise nicht weit kamen. War das gepulste Laserlicht aber intensiv genug, so dass die Verstärkung die Verluste kompensierte, so konnten sich die Plasmonen ausbreiten und an der Endfläche der Goldschicht intensive Lichtemission in einem engen Wellenlängenbereich hervorrufen. Dass dafür die Plasmonen verantwortlich waren, zeigte sich, als das Laserlicht auf eine Stelle gerichtet wurde, an der sich keine Goldschicht unter der fluoreszierenden Polymerschicht befand und deshalb auch keine Plasmonen entstehen konnten: Jetzt strahlte die Endfläche der Goldschicht keine Licht ab.
In einem zweiten Experiment veränderten die Forscher die Länge des Lichtstreifens, der auf den Wellenleiter fiel und maßen die Intensität des vom Wellenleiter abgegebenen Lichtes in Abhängigkeit von der Streifenlänge. Es zeigte sich, dass die Lichtintensität exponentiell mit der Streifenlänge zunahm, wie man das für den Fall einer Verstärkung erwartet. Gather und seine Kollegen schließen aus ihren Messergebnissen, dass ihr plasmonischer Wellenleiter eine Nettoverstärkung von ca. 8/cm erreicht hat. Diese Verstärkung reicht nach Meinung der Forscher aus, um neue Anwendungen zu ermöglichen wie plasmonische Verstärker oder Wellenleiterlaser.
RAINER SCHARF
Weitere Infos
- Gruppe von Kristján Leósson an der University of Iceland:
http://www3.hi.is/~kleos/index.html
- Gruppe von Klaus Meerholz an der Universität zu Köln:
http://www.meerholz.uni-koeln.de/index.php?id=akmeerholz
Weitere Literatur
- Israel De Leon and Pierre Berini: Amplification of long-range surface plasmons by a dipolar gain medium. Nature Photonics 4, 382 (2010)
http://dx.doi.org/10.1038/nphoton.2010.37
- Mark L. Brongersma and Vladimir M. Shalaev: The Case for Plasmonics. Science 328, 440 (2010)
http://dx.doi.org/10.1126/science.1186905
http://cobweb.ecn.purdue.edu/~shalaev/Publication_list_files/the%20case%20for%20plasmonics.pdf (frei!)
- Paul R. West et al.: Searching for better plasmonic materials. Laser & Photon. Rev. (Published Online: 1.3.2010)
http://dx.doi.org/10.1002/lpor.200900055
http://cobweb.ecn.purdue.edu/~shalaev/Publication_list_files/lpor_200900055_a.pdf (frei!)
KP
