Sähköisen lähikentän vahvistamiseksi suunniteltujen resonanttien nanorakenteiden simulointi

Near field enhancement is beneficial in a wide range of applications in imaging, spectroscopy and amplification of nonlinear optical processes. These often rely on using nanostructures to focus and amplify the surrounding electric field. This enhanced field is localized around the emitting feature, and requires the object it interacts with to be placed in close proximity. This thesis investigates the structural geometry and optical phenomena of different types of resonant nanostructures designed for electric near field enhancement. The goal is to design a nanostructure that can provide a strong enhancement uniformly over its surface, making it usable as a substrate for imaging applications. The types of structures investigated are gratings, metal covered distributed Bragg reflectors (DBR) and optical cavities, which support surface plasmons, Tamm plasmons and cavity modes, respectively. The main method of study in this thesis is finite element method (FEM) simulation. The simulations are performed in 2D geometry using transverse magnetic (TM) and transverse electric (TE) radiation. The gratings, metal covered DBR and cavities are first studied separately, then structures combining the grating and optical cavity are investigated, in an attempt to benefit from coupling between the different resonances. Finally, dielectric gratings on plain metal surfaces are examined. In addition to the simulations, some of the structures are fabricated for reflectance measurements. The simulations managed to provide a lot of information about the resonant behaviour of the nanostructures. Structural parameters for optimal coupling of light at wavelengths close to 500 nm were discovered for many of the structures. The combinations of structures displayed evidence of coupling between the different resonant behaviours, but this coupling was not able to significantly improve the electric field enhancement. The dielectric gratings investigated at the end proved more promising for imaging applications.Lähikentän vahvistamista hyödynnetään monissa kuvantamiseen, spektroskopiaan ja epälineaarisien prosessien tehostamiseen liittyvissä sovelluksissa. Nämä hyödyntävät usein nanorakenteita jotka keskittävät ja vahvistavat ympäröivää sähkökenttää. Vahvistettu kenttä keskittyy yleensä rakenteiden ympärille, ja vaatii tämän kanssa vuorovaikutuksessa olevan objektin sijoittamisen niiden lähelle. Tämä diplomityö tutkii erilaisten sähköisen lähikentän vahvistamiseen suunniteltujen resonoivien nanorakenteiden rakenteellisia mittoja sekä niissä tapahtuvia optisia ilmiöitä. Tavoitteena on suunnitella nanorakenne joka kykenee tehokkaasti vahvistamaan sähkökenttää tasaisesti pintansa yllä, jota voitaisiin soveltaa näytealustana kuvantamisessa. Tutkittavia rakenteita ovat hilat, metallipäällysteiset Bragg-heijastimet (DBR) sekä optiset kaviteetit, jotka tukevat pintaplasmoneja, Tamm plasmoneja sekä kaviteettimoodeja. Tämän diplomityön pääasiallinen tutkimusmenetelmä on yleiseen elementtimenetelmään (FEM) perustuva simulointi. Simuloinnit suoritetaan 2D geometriassa, käyttäen poikittaisen magneettikentän (TM) ja poikittaisen sähkökentän (TE) mukaisesti polarisoitua säteilyä. Hilaa, metallipäällysteistä DBR:ää sekä kaviteettia tutkitaan ensin erikseen, jonka jälkeen tutkitaan rakenteita, joissa yhdistyvät hila ja kaviteetti, tarkoituksena hyötyä näiden rakenteiden eri resonanssien välisestä kytkeytymisestä. Lopuksi tutkitaan sileiden metallipintojen päälle sijoitettuja dielektrisestä aineesta valmistettuja hiloja. Simulaatioiden lisäksi jotkin rakenteista valmistetaan heijastussuhteen mittaamiseksi. Simulaatiot onnistuivat tuottamaan paljon tietoa nanorakenteiden resonoivasta käyttäytymisestä. Monille rakenteista löytyivät optimaaliset rakenteelliset parametrit kytkeytymiseksi valoon 500 nm:n aallonpituudella. Yhdistetyt rakenteet osoittivat merkkejä erillisten resonanttien käytösten välisestä kytkeytymisestä, mutta tämä ei tarjonnut huomattavaa parannusta sähkökentän vahvistukseen. Lopuksi tutkitut dielektriset hilat osoittautuivat lupaavammiksi kuvantamistarkoitukseen