Ultrafast nonlinear plasmonics : from dipole nanoantennas to hybrid complex plasmonic structures

Abstract

The aim of this thesis is to study and investigate the nonlinear optical response of complex plasmonic nanostructures under illumination with high intensity ultrashort laser pulses. In order to perform nonlinear spectroscopy experiments we develop a new laser source for the generation of widely tunable ultrashort laser pulses. The experimental setup consists of a high-power Yb:KGW solitary mode-locked oscillator, of a nonlinear photonic crystal fiber for spectral broadening, of a prism sequence for pulse compression and a 4f Fourier transform pulse shaper for amplitude and phase modulation. This setup allows for the generation of Fourier-limited widely tunable sub-20 fs laser pulses and constitutes and ideal light source for the nonlinear optical experiments of plasmonic nanostructures. In contrast to most previous studies of the nonlinear optical response of plasmonic nanostructures here we perform spectrally-resolved nonlinear optical spectroscopy, which means that we tune the fundamental narrow-band laser over a broad spectral range and are therefore able to measure the frequency-dependence of the nonlinear optical response of complex plasmonic nanostructure arrays. In the nonlinear spectroscopy experiments we find that the spectral position of highest conversion efficiency for third harmonic generation in rod-type gold nanoantenna arrays is equivalent with the spectral peak position of the plasmonic near-field amplitude. The absolute conversion efficiency of nonlinear optical effects strongly depends on the linear optical response and the properties of the plasmonic modes. In particular, the resonance frequency, the linewidth and the absolute oscillator strength critically influence and determine the overall nonlinear optical response. By comparing measured linear and nonlinear spectra of complex coupled plasmonic nanostructure arrays to results of a classical coupled oscillator model we find excellent agreement, which shows that the highly complex electrodynamic processes can even be understood in a classical intuitive fashion. Furthermore, we investigate the enhancement of third harmonic generation in complex plasmonic nanostructure arrays, which exhibit plasmonic Fano resonances. The plasmonic Fano resonance is the result of the interference of a bright and a dark mode and due to the long lifetime of the latter it exhibits the potential to further enhance the conversion efficiency of nonlinear optical effects. In particular we find that a nonlinear near-field polarization which is generated in a dark mode does not radiate to the far-field due to destructive interference. Beyond pure plasmonic nanostructures we study the enhancement of third harmonic generation in highly nonlinear indium tin oxide nanocrystals boosted by the intense electric near-field of plasmonic gap-antennas. When comparing corresponding hybrid and bare plasmonic gap-antenna arrays we find an enhancement in the third harmonic response by a about a factor of two. However, the origin of the higher third harmonic signal strength can be attributed to an enhanced plasmonic near-field and to the high optical nonlinearity of gold, rather than to the optical nonlinearity of the indium tin oxide. Finally, we introduce a spectroscopic method for measuring the frequency-dependent second-order response using ultrabroadband strongly chirped laser pulses. The dispersion suppresses nonlinear frequency mixing, hence the second-order response of a material can be unambiguously retrieved. We demonstrate this method by measuring the frequency-dependent second harmonic response of the metals gold, aluminium, silver and copper in the wavelength range of about 900 to 1150 nm and compare the results to classical second harmonic spectroscopy. The second harmonic spectra indicate that interband transitions in the metals influence the overall nonlinear optical response.

Das Ziel dieser Doktorarbeit ist das Studium und die Erforschung der nichtlinearen optischen Eigenschaften komplexer plasmonischer Nanostrukturen durch die Beleuchtung mit ultrakurzen Laserpulsen sehr hoher Lichtintensität. Für die Experimente der nichtlinearen optischen Spektroskopie wurde eine neue Laserquelle entwickelt, welche es erlaubt weit durchstimmbare ultrakurze Laserpulse zu erzeugen. Dieses System besteht aus einem Hochleistungs-Yb:KGW-Laseroszillator, einer nichtlinearen photonischen Kristallfaser für die spektrale Verbreiterung, einer Prismenstrecke zur Kompression der Laserpulse, sowie einem 4f Pulsformer, der die Modulation von Amplitude und Phase der Laserpulse ermöglicht. Mit dem Aufbau können weit durchstimmbare Fourier-limitierte sub-20 fs Laserpulse erzeugt werden, welche eine ideale Lichtquelle für die nichtlinearen spektroskopischen Experimente der plasmonischen Nanostrukturen darstellen. Im Gegensatz zu den meisten vorherigen Untersuchungen werden in dieser Arbeit spektral aufgelöste Messungen der nichtlinearen optischen Eigenschaften von plasmonischen Nanostrukturen durchgeführt. Explizit bedeutet dies, dass ein schmalbandiger Laser über einen weiten Spektralbereich durchgestimmt wird und so die spektrale Abhängigkeit der nichtlinearen optischen Antwort der plasmonischen Nanostrukturen gemessen werden kann. In den nichtlinearen spektroskopischen Experimenten an Nanoantennenfeldern, welche aus goldenen Dipolantennen bestehen, zeigt sich, dass die höchste Konversionseffizienz für die Erzeugung der dritten Harmonischen bei der spektralen Position zu finden ist, an der das plasmonische Nahfeld seinen höchsten Wert erreicht. Die absolute Konversionseffizienz von nichtlinearen optischen Effekten hängt stark von der linearen optischen Antwort und den Eigenschaften der plasmonischen Moden ab. Insbesondere beeinflussen und bestimmen die spektrale Position der Resonanzfrequenz, die Linienbreite und die absolute Oszillatorstärke die nichtlineare optische Antwort. Bei dem Vergleich von gemessenen linearen und nichtlinearen Spektren von komplexen gekoppelten plasmonischen Nanostrukturen mit einem klassischen Modell von gekoppelten harmonischen Oszillatoren finden wir eine hervorragende Übereinstimmung. Diese Tatsache zeigt, dass die komplizierten elektrodynamischen Prozesse auf eine einfache und intuitive Weiße verstanden und erklärt werden können. Desweiteren untersuchen wir die Verstärkung der dritten Harmonischen in komplexen plasmonischen Nanostrukturen, die plasmonische Fano-Resonanzen aufweisen. Die Fano-Resonanz resultiert aus der Kopplung oder der Interferenz einer hellen und einer dunklen Mode und wegen der längeren Lebensdauer der Letzteren haben diese Nanostrukturen das Potential die Konversionseffizienz von nichtlinearen optischen Effekten weiter zu erhöhen. Insbesondere finden wir, dass eine nichtlineare Nahfeldpolarisation, die ihren Ursprung in der dunklen Mode hat, wegen destruktiver Interferenz nicht ins Fernfeld abstrahlen kann. Darüber hinaus untersuchen wir die Verstärkung der Erzeugung der dritten Harmonischen in hoch nichtlinearen Indiumzinnoxidnanokristallen verstärkt durch das überhöhte elektrische Nahfeld von plasmonischen Nanogapantennen. Dabei finden wir eine Verstärkung der dritten Harmonischen um ungefähr einen Faktor von zwei, wenn wir entsprechende Hybrid-Nanoantennen mit reinen Gold-Nanoantennen vergleichen. Allerdings zeigt sich, dass der Ursprung des verstärkten dritten harmonischen Signals in einem erhöhten plasmonischen Nahfeld und in der hohen Nichtlinearität des Goldes selbst zu finden ist, und nicht von der Nichtlinearität der Indiumzinnoxidnanokristalle herrührt. Zuletzt stellen wir eine spektroskopische Technik vor, welche es ermöglicht, die frequenzabhängige optische Antwort zweiter Ordnung zu messen, wobei ultrabreitbandige stark gechirpte Laserpulse zum Einsatz kommen. Durch die Dispersion wird die Summenfrequenzerzeugung unterdrückt, wodurch die nichtlineare Antwort zweiter Ordnung eines Materials eindeutig bestimmt werden kann. Wir demonstrieren diese Messmethode durch die Messung der frequenzabhängigen optischen Antwort zweiter Ordnung von den Metallen Gold, Aluminium, Silber und Kupfer im Wellenlängenbereich von 900 bis 1150 nm und vergleichen die Messergebnisse mit klassischer Spektroskopie der zweiten Harmonischen. Die Spektren der zweiten Harmonischen deuten darauf hin, dass Interbandübergänge in den Metallen einen Einfluss auf die nichtlineare optische Antwort haben.