Struktureret lys og nanomaterialer åbner nye måder at skræddersy lys på nanoskala

Hvad sker der, når du ophidser nye samlinger af nanomaterialer ved hjælp af struktureret lys? Fælles forskning mellem Tampere University of Technology (TUT) (Finland) og University of Tübingen (Tyskland) har vist, at omhyggeligt struktureret lys og matchende arrangementer af metalnanostrukturer (såkaldte "plasmoniske oligomerer") kan kombineres for at ændre egenskaberne af genereret lys på nanometerskalaen. I særdeleshed, holdene har vist, at effektiviteten af ​​ikke-lineære optiske felter (f.eks. anden harmoniske) genereret fra oligomererne er stærkt påvirket af, hvordan oligomerens bestanddele er arrangeret i rummet, og hvordan disse bestanddele belyses af struktureret lys.

Ikke-lineære optiske processer danner grundlag for vigtige funktionaliteter inden for fotonik, såsom frekvenskonvertering af lys, generering af ultrakorte lysimpulser, samt optisk behandling og manipulation. Yderligere fremskridt inden for dette felt forventes at blive drevet af syntesen af ​​nye nanomaterialer med skræddersyede optiske egenskaber og af nye tilgange til effektivt at koble lys til sådanne nanomaterialer. Til sidstnævnte formål, lysstråler med ukonventionelle polariseringer, såkaldt struktureret lys, forventes at være afgørende.

For at demonstrere sådanne evner, forfatterne designede og fremstillede samlinger af guld nanorods med veldefinerede dimensioner og orienteringer, således at deres samlede størrelse matcher størrelsen af ​​en fokuseret laserstråle, dvs. omkring 1 mikron. For at undersøge den ikke-lineære respons af sådanne plasmoniske oligomerer, forfatterne brugte en ny optisk mikroskopiteknik, som er udstyret med polarisationsstrukturerede stråler. Mere specifikt, forfatterne brugte radialt og azimutalt polariserede cylindriske vektorstråler, der udviser uensartede polariseringstilstande på tværs af strålens tværsnit.

"Tidligere værker om ikke-lineære optiske effekter i plasmoniske oligomerer har været baseret på brug af plane bølger eller fokuserede stråler med homogene, dvs. uniform, polarisationstilstande. Her, vi brugte et ikke-lineært optisk mikroskop udstyret med doughnut-formede polarisationsstrukturerede stråler til at studere sådanne oligomerer. Vi fandt ud af, at den samlede effektivitet af ikke-lineære optiske effekter fra disse strukturer er stærkt påvirket af strålens rumlige struktur og kollektive interaktioner understøttet af oligomeren. Vi håber, at vores arbejde yderligere vil vække interesse for at studere og manipulere ikke-lineære optiske effekter i nye nanoskalasystemer ved hjælp af ukonventionelle excitationsstråler." siger Dr. Godofredo Bautista, postdoktor ved Nonlinear Optics Group i Laboratory of Photonics ved TUT og medkorresponderende forfatter til værket.

Professor Martti Kauranen, leder af den ikke-lineære optikgruppe og laboratoriet for fotonik, der overvågede forskningen på TUT, siger, at "Ud over de ikke-lineære effekter, der er studeret i dette arbejde, Vores resultater viser generelt, hvor vigtigt det er at skræddersy den indfaldende optiske stråle for at koble lys effektivt ind i komplekse nanostrukturer."

Professor Monika Fleischer, leder af Plasmonic Nanostructures Group ved universitetet i Tübingen og medkorresponderende forfatter, der overvågede forskningen ved universitetet i Tübingen, tilføjer:"Nanoteknologi leverer højpræcisionsværktøjer, der giver os mulighed for at skræddersy arrangementer af metalliske nanostrukturer, også kaldet optiske antenner, med prædesignede egenskaber. På denne måde kan specifikke interaktioner med ikke-konventionelle laserstråler målrettes, og overordnede signalintensiteter kan maksimeres." Forskerne mener, at deres resultater vil være nyttige i design og implementering af nye slags optiske komponenter og karakteriseringsteknikker, der udnytter ukonventionelle optiske felter.