An Easy Introduction to Plasmonics - KIT - IPQ · An Easy Introduction to Plasmonics. ... •...

Universität Karlsruhe (TH)Institut für Photonik und Quantenelektronik (IPQ)

http://www.ipq.uni-karlsruhe.de

Thu, Dec 4, 2008

Wolfgang Freude

Institute of Photonics and Quantum Electronics (IPQ), University of Karlsruhe, Germany

An Easy Introduction to Plasmonics

The 90th OSA Annual Meeting — Frontiers in Optics 2006 / Laser Science XXIIOctober 8–12, 2006, Rochester (NY), USA

Institut für Photonik und Quantenelektronik (IHQ), Universität Karlsruhe 1Thu, Dec 4, 2008

• Maxwell´s equations• Transverse waves• Longitudinal waves

The Beginning of All

Institut für Photonik und Quantenelektronik (IHQ), Universität Karlsruhe 2Thu, Dec 4, 2008

Maxwell´s Equations

Institut für Photonik und Quantenelektronik (IHQ), Universität Karlsruhe 3Thu, Dec 4, 2008

Formal Wave Solutions without External Excitation

Institut für Photonik und Quantenelektronik (IHQ), Universität Karlsruhe 4Thu, Dec 4, 2008

Longitudinal (Compressional) Waves

Institut für Photonik und Quantenelektronik (IHQ), Universität Karlsruhe 5Thu, Dec 4, 2008

Why Does a Local Charge Perturbation Not Propagate?

Institut für Photonik und Quantenelektronik (IHQ), Universität Karlsruhe 6Thu, Dec 4, 2008

• Plasma density oscillation Electron density perturbation Plasma frequency and dispersion diagram

• Modeling the dielectric constant Bound and free charge carriers Free carriers and dielectric constant

• Dielectric-dielectric interface Boundary conditions Fresnel’s formulae. Brewster’s angle

• Dielectric-metal interface Boundary conditions. Surface plasmon polariton (SPP) Dispersion diagram. Characteristic lengths SSP excitation. SNOM visualization

• Summary

Outline

• Plasma density oscillation Electron density perturbation Plasma frequency and dispersion diagram

Institut für Photonik und Quantenelektronik (IHQ), Universität Karlsruhe 7Thu, Dec 4, 2008

Plasma Density Oscillation for Local Concentration Perturbation

Institut für Photonik und Quantenelektronik (IHQ), Universität Karlsruhe 8Thu, Dec 4, 2008

Plasma Density Oscillation (Plasmon). Dispersion Diagram

Institut für Photonik und Quantenelektronik (IHQ), Universität Karlsruhe 9Thu, Dec 4, 2008

• Plasma density oscillation Electron density perturbation Plasma frequency and dispersion diagram

• Modeling the dielectric constant Bound and free charge carriers Free carriers and dielectric constant

• Dielectric-dielectric interface Boundary conditions Fresnel’s formulae. Brewster’s angle

• Dielectric-metal interface Boundary conditions. Surface plasmon polariton (SPP) Dispersion diagram. Characteristic lengths SSP excitation. SNOM visualization

• Summary

Outline

Institut für Photonik und Quantenelektronik (IHQ), Universität Karlsruhe 10Thu, Dec 4, 2008

Medium Properties

Refractive Index and Dielectric Constant

Institut für Photonik und Quantenelektronik (IHQ), Universität Karlsruhe 11Thu, Dec 4, 2008

Free and Bound Charge Carriers

Institut für Photonik und Quantenelektronik (IHQ), Universität Karlsruhe 12Thu, Dec 4, 2008

Free Carriers and Dielectric Constant

Institut für Photonik und Quantenelektronik (IHQ), Universität Karlsruhe 13Thu, Dec 4, 2008

Free Carriers and Dielectric Constant: Yet Another Approach

Institut für Photonik und Quantenelektronik (IHQ), Universität Karlsruhe 14Thu, Dec 4, 2008

• Plasma density oscillation Electron density perturbation Plasma frequency and dispersion diagram

• Modeling the dielectric constant Bound and free charge carriers Free carriers and dielectric constant

• Dielectric-dielectric interface Boundary conditions Fresnel’s formulae. Brewster’s angle

• Dielectric-metal interface Boundary conditions. Surface plasmon polariton (SPP) Dispersion diagram. Characteristic lengths SSP excitation. SNOM visualization

• Summary

Outline

Institut für Photonik und Quantenelektronik (IHQ), Universität Karlsruhe 15Thu, Dec 4, 2008

Dielectric-Dielectric Interface — Boundary Conditions

Institut für Photonik und Quantenelektronik (IHQ), Universität Karlsruhe 16Thu, Dec 4, 2008

Dielectric-Dielectric Interface — Fresnel´s Formulae

Institut für Photonik und Quantenelektronik (IHQ), Universität Karlsruhe 17Thu, Dec 4, 2008

• Plasma density oscillation Electron density perturbation Plasma frequency and dispersion diagram

• Modeling the dielectric constant Bound and free charge carriers Free carriers and dielectric constant

• Dielectric-dielectric interface Boundary conditions Fresnel’s formulae. Brewster’s angle

• Dielectric-metal interface Boundary conditions. Surface plasmon polariton (SPP) Dispersion diagram. Characteristic lengths SSP excitation. SNOM visualization

• Summary

Outline

Institut für Photonik und Quantenelektronik (IHQ), Universität Karlsruhe 18Thu, Dec 4, 2008

Dielectric-Metal Interface

Institut für Photonik und Quantenelektronik (IHQ), Universität Karlsruhe 19Thu, Dec 4, 2008

Dielectric-Metal Interface — Plane Wave Ansatz

Institut für Photonik und Quantenelektronik (IHQ), Universität Karlsruhe 20Thu, Dec 4, 2008

Dielectric-Metal Interface — Boundary Conditions

Institut für Photonik und Quantenelektronik (IHQ), Universität Karlsruhe 21Thu, Dec 4, 2008

Surface Plasmon Polariton Condition

Institut für Photonik und Quantenelektronik (IHQ), Universität Karlsruhe 22Thu, Dec 4, 2008

Dielectric-Metal Interface — Dispersion Relation

Institut für Photonik und Quantenelektronik (IHQ), Universität Karlsruhe 23Thu, Dec 4, 2008

SPP Penetration Depths

Barnes, W. L.: J. Opt. A: Pure Appl. Opt. 8 (2006) S87S93

Institut für Photonik und Quantenelektronik (IHQ), Universität Karlsruhe 24Thu, Dec 4, 2008

SPP Wavelength and Propagation Length

Barnes, W. L.: Surface plasmon-polariton length scales: a route to sub-wavelength optics. J. Opt. A: Pure Appl. Opt. 8 (2006) S87S93

Institut für Photonik und Quantenelektronik (IHQ), Universität Karlsruhe 25Thu, Dec 4, 2008

Surface Plasmon Polariton Excitation

Zayats, A. V.; Smolyaninov, I. I.; Maradudin, A. A.: Nano-optics of surface plasmon polaritons. Physics Reports 408 (2005) 131314

Institut für Photonik und Quantenelektronik (IHQ), Universität Karlsruhe 26Thu, Dec 4, 2008

Surface Plasmon Polariton Seen by SNOM

Barnes, W. L.; Dereux, A.; Ebbesen, T. W.: Surface plasmon subwavelength optics. Nature 424 (2003) 824830

Institut für Photonik und Quantenelektronik (IHQ), Universität Karlsruhe 27Thu, Dec 4, 2008

• Plasma density oscillation Electron density perturbation Plasma frequency and dispersion diagram

• Modeling the dielectric constant Bound and free charge carriers Free carriers and dielectric constant

• Dielectric-dielectric interface Boundary conditions Fresnel’s formulae. Brewster’s angle

• Dielectric-metal interface Boundary conditions. Surface plasmon polariton (SPP) Dispersion diagram. Characteristic lengths SSP excitation. SNOM visualization

• Summary

Outline

Institut für Photonik und Quantenelektronik (IHQ), Universität Karlsruhe 28Thu, Dec 4, 2008

Surface Plasmon Polariton — Overview

Institut für Photonik und Quantenelektronik (IHQ), Universität Karlsruhe 29Thu, Dec 4, 2008

Surface Plasmon Polariton — Boundary Conditions

Institut für Photonik und Quantenelektronik (IHQ), Universität Karlsruhe 30Thu, Dec 4, 2008

Surface Plasmon Polariton — Propagation Results

Institut für Photonik und Quantenelektronik (IHQ), Universität Karlsruhe 31Thu, Dec 4, 2008

Surface Plasmon Polariton — Summary

Institut für Photonik und Quantenelektronik (IHQ), Universität Karlsruhe 32Thu, Dec 4, 2008

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