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

Photonics BW e. V.Arbeitskreis „Optische Kommunikation“ 03. April 2009, Stuttgart

Institut für Photonik und Quantenelektronik (IHQ), Universität Karlsruhe 1Phot. BW, 02 April 09

• Maxwell´s equations• Transverse waves• Longitudinal waves

The Beginning of All

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Maxwell´s Equations

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Formal Wave Solutions without External Excitation

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Longitudinal (Compressional) Waves

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Why Does a Local Charge Perturbation Not Propagate?

Institut für Photonik und Quantenelektronik (IHQ), Universität Karlsruhe 6Phot. BW, 02 April 09

• 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. Applications

• Summary

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

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Plasma Density Oscillation for Local Concentration Perturbation

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Plasma Density Oscillation (Plasmon). Dispersion Diagram

Institut für Photonik und Quantenelektronik (IHQ), Universität Karlsruhe 9Phot. BW, 02 April 09

• 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. Applications

• Summary

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Institut für Photonik und Quantenelektronik (IHQ), Universität Karlsruhe 10Phot. BW, 02 April 09

Medium Properties

Refractive Index and Dielectric Constant

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Free and Bound Charge Carriers

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Free Carriers and Dielectric Constant

Institut für Photonik und Quantenelektronik (IHQ), Universität Karlsruhe 13Phot. BW, 02 April 09

Free Carriers and Dielectric Constant: Yet Another Approach

Institut für Photonik und Quantenelektronik (IHQ), Universität Karlsruhe 14Phot. BW, 02 April 09

• 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. Applications

• Summary

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Dielectric-Dielectric Interface — Boundary Conditions

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Dielectric-Dielectric Interface — Fresnel´s Formulae

Institut für Photonik und Quantenelektronik (IHQ), Universität Karlsruhe 17Phot. BW, 02 April 09

• 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. Applications

• Summary

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Dielectric-Metal Interface

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Dielectric-Metal Interface — Plane Wave Ansatz

Institut für Photonik und Quantenelektronik (IHQ), Universität Karlsruhe 20Phot. BW, 02 April 09

Dielectric-Metal Interface — Boundary Conditions

Institut für Photonik und Quantenelektronik (IHQ), Universität Karlsruhe 21Phot. BW, 02 April 09

Surface Plasmon Polariton Condition

Institut für Photonik und Quantenelektronik (IHQ), Universität Karlsruhe 22Phot. BW, 02 April 09

Dielectric-Metal Interface — Dispersion Relation

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SPP Penetration Depths

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

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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

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Long-Reach Coupled Surface Plasmon Polaritons

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Long-Reach Coupled Surface Plasmon Polaritons

Institut für Photonik und Quantenelektronik (IHQ), Universität Karlsruhe 27Phot. BW, 02 April 09

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 28Phot. BW, 02 April 09

• 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. Applications

• Summary

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Institut für Photonik und Quantenelektronik (IHQ), Universität Karlsruhe 29Phot. BW, 02 April 09

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 30Phot. BW, 02 April 09

• 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. Applications

• Summary

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Institut für Photonik und Quantenelektronik (IHQ), Universität Karlsruhe 31Phot. BW, 02 April 09

Metamaterials with Negative Refractive Index

Martin Wegener´s group at the Institute of Applied Physics, University of Karls- ruhe http://www.aph.uni-karlsruhe.de/wegener/en/research/photonic-crystals

Gießen, H.: Öffentliche Vorlesung über Tarnkappen im Mercedes Museum am 22.7.2008. http://www.pi4.uni-stuttgart.de/

Institut für Photonik und Quantenelektronik (IHQ), Universität Karlsruhe 32Phot. BW, 02 April 09

Metamaterials in the Microwave Range — Cloaking

Schurig, D.; Mock, J. J.; Justice, B. J.; Cummer, S. A.; Pendry, J. B.; Starr, A. F.; Smith, D. R.: Metamaterial electromagnetic cloak at microwave frequencies. Sciencexpress http://www.sciencexpress.org 19 Oct 2006 10.1126/science.1133628

Liu, R.; Ji, C.; Mock, J. J.; chin, J. Y.; Cui, T. J.; Smith, D. R.: Broadband ground-plane cloak. Science 323 (2008) 366369

Institut für Photonik und Quantenelektronik (IHQ), Universität Karlsruhe 33Phot. BW, 02 April 09

Metamaterials in the Optical Range — Towards an Ideal Lens?

Linden, S.; Enkrich, C.; Wegener, M.; Zhou, J.; Koschny, T.; Soukoulis, C. M.: Magnetic Response of Metamaterials at 100 Terahertz. Science 306 (2004) 13511353

Institut für Photonik und Quantenelektronik (IHQ), Universität Karlsruhe 34Phot. BW, 02 April 09

Imaging With a Negative Refractive Index Lens or a Silver Slab

Pendry, J.: Metamaterials and negative refraction. Conf. Lasers and Electro-Optics (CLEO 2007), Baltimore (MD), May 06–11, 2007. Plenary Session

Institut für Photonik und Quantenelektronik (IHQ), Universität Karlsruhe 35Phot. BW, 02 April 09

Surface Plasmon Polaritons in a Silver Layer

Fujii, M.; Freude, W.; Leuthold, J.: Numerical prediction of minimum sub-diffraction-limit image generated by silver surface plasmon lenses. Opt. Expr. 16 (2008) 21039–21052

Fujii, M.; Freude, W.; Leuthold, J.: Dispersion relation and loss of sub-wavelength confined mode of metal-dielectric-gap optical waveguides. IEEE Photon. Technol. Lett. 21 (2009) 362-364

Institut für Photonik und Quantenelektronik (IHQ), Universität Karlsruhe 36Phot. BW, 02 April 09

Super-Resolution with Sub-Diffraction Imaging

Fujii, M.; Freude, W.; Leuthold, J.: Numerical prediction of minimum sub-diffraction-limit image generated by silver surface plasmon lenses. Opt. Expr. 16 (2008) 21039–21052

Institut für Photonik und Quantenelektronik (IHQ), Universität Karlsruhe 37Phot. BW, 02 April 09

Imaging “Letter T” With a Silver Slab

Fujii, M.; Freude, W.; Leuthold, J.: Numerical prediction of minimum sub-diffraction-limit image generated by silver surface plasmon lenses. Opt. Expr. 16 (2008) 21039–21052

Institut für Photonik und Quantenelektronik (IHQ), Universität Karlsruhe 39Phot. BW, 02 April 09

• 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. Applications

• Summary

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Institut für Photonik und Quantenelektronik (IHQ), Universität Karlsruhe 40Phot. BW, 02 April 09

Surface Plasmon Polariton — Overview

Institut für Photonik und Quantenelektronik (IHQ), Universität Karlsruhe 41Phot. BW, 02 April 09

Surface Plasmon Polariton — Boundary Conditions

Institut für Photonik und Quantenelektronik (IHQ), Universität Karlsruhe 42Phot. BW, 02 April 09

Surface Plasmon Polariton — Propagation Results

Institut für Photonik und Quantenelektronik (IHQ), Universität Karlsruhe 43Phot. BW, 02 April 09

Surface Plasmon Polariton — Summary

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