Resonanssien ja paikalliskenttien merkitys nanoraken- teiden toisen asteen epälineaarisessa optisessa vasteessa

Metallic nanoparticles can be used to create artificial structures known as metamaterials. They possess unique physical properties not observed in nature and enable novel applications such as superlenses breaking the diffraction limit, nanoscale optical antennas and optical cloaking. In the study of nonlinear optics metamaterials are interesting since they can exhibit strong local fields to enhance nonlinear effects. Metamaterials can also be fabricated with broken symmetries to enable even-order nonlinear effects such as second-harmonic generation (SHG) which cannot occur in centrosymmetric media such as most natural materials. In this work arrays of L- and T-shaped gold nanoparticles are studied. The shapes have one symmetry plane and are not centrosymmetric so that SHG can occur in the samples. Linear extinction spectra were measured to find the plasmon resonances which are known to enhance nonlinear effects at resonant wavelengths. Then, a laser closely matching the resonance wavelength was used to produce SHG from the samples. The studied particles are dichroic which means that the light polarization state plays a large role in the measurements. In addition to experimental work numerical simulations were ran to back up the results. According to the results the SHG signal level cannot be predicted purely by looking at the symmetry and resonances of the samples. It was expected that any allowed SHG component with which the sample is resonant should yield a strong SHG signal. However, we measured multiple cases where these conditions were met but the signal was still weak. In addition, strong SHG signals were measured with unexpected polarization combinations. Some of these issues could be explained with the local-field simulations. Further research on the subject is required for better understanding of the properties of these types of nanoparticle arrays. Future plans include studying particle designs with nm-scale gaps between the particles, new particle shapes and passive elements fabricated within the designs.Metallisista nanohiukkasista voidaan valmistaa keinotekoisia rakenteita, joita kutsutaan metamateriaaleiksi. Niillä on ainutlaatuisia optisia ominaisuuksia, joita ei esiinny luonnossa, ja ne mahdollistavat erikoisia sovelluksia, kuten diffraktiorajan rikkova linssi, optiset antennit ja optinen häiveteknologia. Epälineaarisessa optiikassa metamateriaalit ovat mielenkiintoisia, koska niissä esiintyy voimakkaita paikalliskenttiä, jotka vahvistavat epälineaarisia ilmiöitä. Metamateriaalit voidaan valmistaa epäsymmetrisiksi, mikä mahdollistaa parillisen asteen epälineaaristen ilmiöiden, kuten taajuudenkahdennuksen, havaitsemisen. Keskeissymmetrisissä rakenteissa, kuten useimmissa luonnollisissa materiaaleissa, näitä ilmiöitä ei esiinny. Tässä työssä on tutkittu L- ja T-muotoisia kultananohiukkasia. Molemmilla muodoilla on yksi symmetriataso, joten keskeisymmetria on rikottu ja taajuudenkahdennus on mahdollista. Näytteiden lineaariset spektrit mitattiin plasmoniresonanssien selvittämiseksi. Näiden tiedetään voimistavan epälineaarisia ilmiöitä resonanssiaallonpituudella. Näytteistä mitattiin taajuudenkahdennusta laserilla, jonka aallonpituus on lähellä resonanssiaallonpituutta. Näytteet ovat kahtaistaittavia, joten mittauksissa käytetyn valon polarisaatiotilalla on suuri merkitys. Kokeellisen osuuden lisäksi tehtiin numeerisia simulaatioita tulosten tueksi. Tulosten perusteella taajuudenkahdennuksen voimakkuutta ei voi ennustaa pelkästään näytteen symmetriasta ja resonansseista. Aikaisempien tutkimusten perusteella oli odotettavaa, että voimakas taajuudenkahdennussignaali havaitaan, kun käytetään sopivaa polarisaatiotilaa ja resonanssiaallonpituutta. Joissakin tapauksissa havaittiin kuitenkin vain heikkoja signaaleja, vaikka molemmat kriteerit täyttyivät. Toisaalta voimakkaita signaaleita havaittiin myös käyttäen yllättäviä polarisaatioyhdistelmiä. Havaittuja ongelmia pystyttiin osittain selittämään paikalliskenttäsimulaatioilla. Nanorakenteiden parempi ymmärtäminen vaatii lisätutkimuksia aiheesta. Suunnitelmana on tutkia esimerkiksi rakenteita, joissa on nanometriluokan rakoja hiukkasten välillä, uusia hiukkasten muotoja ja rakenteita, joissa on mukana passiivisia hiukkasia