Erzeugung und Ausbreitung von Oberflächenplasmonen auf periodischen Strukturen metallischer Zylinder

Oberflächenplasmonen in dünnen metallischen Schichten wurden in den vergangenen Jahren ausführlich untersucht; ihre Eigenschaften bezüglich der Materialkonstanten und Schichtdicken sind inzwischen gut verstanden. Besonderes Interesse gilt mittlerweile der verstärkten Transmission durch periodische Metallstrukturen wie Anordnungen von Löchern oder metallischen Gittern. Diese wurde der resonanten Kopplung von Oberflächenplasmonen in den Vertiefungen solcher Anordnungen zugeschrieben. Das erlaubt Transmission durch Strukturen mit Zwischenräumen, die viel kleiner als die Wellenlänge sind. Im Terahertz-Spektralbereich können Strukturen in der Größenordnung der Wellenlänge leicht hergestellt werden; die Experimente bei vergleichsweise großen Wellenlängen können auf andere Wellenlängenbereiche übertragen werden.

In einer ersten Reihe von Experimenten wurde die Erzeugung und Ausbreitung von Oberflächenplasmonen auf periodischen Strukturen metallischer Zylinder untersucht. Schon 1902 beobachtete R. W. Wood Anomalien in den Reflexionsspektren an metallischen Gittern. Diese wurden später als Oberflächenplasmonen erkannt. Seitdem wurden viele Experimente durchgeführt, um dieses Phänomen vollständig zu verstehen und nutzen zu können. Die Erzeugung und Emission wurde für verschiedene Zylinderdurchmesser, Materialien und Einfallswinkel untersucht. Um die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Oberflächenplasmonen bestimmen zu können, wurden zeitaufgelöste Messungen durchgeführt.

Es erfolgt eine Anregung von Oberflächenplasmonen, wenn

Der reziproker Gittervektor berechnet sich mit

Bei senkrechten Einfall ergibt dich die Frequenz ν_SPP des Oberflächenplasmons zu

Bei Einfall unter einem Winkel α erhält man die Frequenz ν_SPP aus

Die Frequenzen, bei denen Oberflächenplasmonen angeregt werden, "fehlen" in den Transmissionsspektren. Oberflächenplasmonen breiten sich in zwei Richtungen aus.

Die nächste Abbildung zeigt die in Transmission gemessenen Absorptions- und Emissionsspektren der Oberflächenplasmonen, die auf einer periodischen Struktur metallischer Zylinder mit 1,5 mm Durchmesser bei senkrechten Einfall erzeugt wurden. Die Minima der Transmission und die Maxima der Emission entsprechen den Frequenzen der Wood'schen Anomalien.

Die Form der Absorptionslinien wird durch Interferenz zwischen der direkten Transmission der THz-Strahlung durch die endliche Lücke zwischen den Zylindern und der Emission von propagierenden Oberflächenplasmonen an der Oberfläche der Struktur verursacht. Bei Einfall unter einem Winkel α spalten sowohl Absorptions- als auch Emissionslinien auf, da Oberflächenplasmonen mit unterschiedlichen Frequenzen erzeugt werden, die sich in entgegengesetzte Richtungen ausbreiten.

Das Transmissions- und Emissionsverhalten wurde mit klassischer Elektrodynamik numerisch simuliert:

Die Simulationen stimmen sehr gut mit den experimentellen Ergebnissen überein:

Terahertz (THz), Oberflächenplasmonen, periodische Strukturen, Materialkonstante, Wood'schen Anomalien, Schichtdicke, Transmission, Wellenlänge

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