Optical antennas : nanoscale radiation engineering and enhanced light-matter interaction

Abstract

This thesis studies optical nanoantennas from the near-infrared to the mid-infrared region. Nanoantennas are key components in the emerging field of nanophotonics. They exhibit strong interaction with the optical radiation field because of the excitation of plasmonic resonance, which leads to high near-field intensities, deep subwavelength energy confinement, and strongly enhanced radiation. This thesis addresses the key questions of how these properties can be used to enhance light-matter interaction and how to engineer optical radiation on the nanoscale by tailoring the antenna geometries. We demonstrate that radiofrequency antenna geometries can be scaled to the optical regime by experimental realization of optical Yagi-Uda nanoantennas. A Yagi-Uda antenna has unidirectional radiation properties, which means light incident from one direction is efficiently confined to a deep subwavelength volume while that incident from the other directions is not. We assess the near-field of a planar plasmonic Yagi-Uda nanoantenna with scanning near-field optical microscopy. We record phase and amplitude in order to identify the optical modes and demonstrate directional receiving of light at a wavelength of 1064 nm. We then fabricate three-dimensional Yagi-Uda nanoantenna arrays, which exhibit very high directivities out of the substrate plane. Since the antenna array is completely embedded in a dielectric matrix, scanning near-field optical microscopy cannot be used for optical characterization. Instead, we use Fourier transform infrared spectroscopy combined with near-field simulations to study the directional antenna array, which receives out of plane radiation at a wavelength of 1500 nm. Furthermore, we show by simulation how to use our nanoantenna array for beamsteering. In order to solve the challenge of mapping the near-field intensity of three-dimensional nanoantennas, we develop a novel field-mapping technique based on surface enhanced vibrational spectroscopy. The high near-field intensities generated by plasmonic structures are used to enhance vibrational transitions in molecules, which occur in the infrared spectral region. We position molecules at specific locations close to plasmonic antennas, which are designed to be in resonance with the vibrational band around 4400 nm, and measure the extinction spectrum of the coupled antenna-molecule system. We observe that the measured vibrational signal scales with the local near-field intensity, which is applied to map the plasmonic near-field intensity. This method maps the field in the infrared region and provides subwavelength resolution. We finally demonstrate that our technique is able to assess near-field intensities of plasmonic structures with three-dimensional complexity. Furthermore, we demonstrate for the first time optical power transfer by nanoantennas. We realize in experiment a wireless point-to-point link between a transmitter and a receiver nanoantenna at a wavelength of 785 nm. By fluorescence microscopy, we measure the radiation pattern and show that the transmission of the wireless link follows the inverse square power law of free space propagation. This enables low-loss power transfer across large distances at the nanoscale. In addition, we experimentally demonstrate beamsteering over a broad angular range by adjusting the wavefront of the incident optical field on the transmitter. In our experiment we show that the transmitter can address different receivers by effective beamsteering. The low-loss power transfer combined with the beamsteering functionality comprises a significant advancement compared to state-of-the-art waveguide connections. Our reconfigurable nanoantenna link may lead to technology breakthrough in information transfer between nanoscale devices and objects.

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit optischen Nanoantennen im nahinfraroten und im mittel-infraroten Spektralbereich. Nanoantennen sind Schlüsselkomponenten im Forschungsgebiet der Nanophotonik. Aufgrund der Anregung von plasmonischen Resonanzen zeigen sie eine starke Wechselwirkung mit dem optischen Strahlungsfeld. Diese Anregung führt zu hohen Nahfeld-Intensitäten, Energiebündelung in den Subwellenlängenbereich und stark verstärkten Abstrahlungsintensitäten. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Kernfrage, wie sich diese Eigenschaften durch geeignete Antennengeometrien nutzbar machen lassen, um die Licht-Materie-Wechselwirkung zu verstärken und die Strahlungscharakteristiken auf der Nanometer-Skala zu kontrollieren. Zunächst zeigen wir anhand einer planaren optischen Yagi-Uda Nanoantenne, dass sich Antennengeometrien und deren Eigenschaften aus dem Radiofrequenzbereich in den optischen Frequenzbereich skalieren lassen. Eine Yagi-Uda Antenne hat unidirektionale Strahlungseigenschaften. Dies bedeutet, dass auf die Antenne treffende Strahlung aus einer bestimmten Vorzugsrichtung effizient in den Subwellenlängenbereich fokussiert wird, während diese Effizienz für Strahlung aus anderen Richtungen nicht erreicht wird. Wir messen die Nahfeldverteilung von planaren plasmonischen Yagi-Uda Nanoantennen mit optischer Rasternahfeldmikroskopie. Durch die Messung von Phase und Amplitude der Nahfeldverteilung werden zum einen die optischen Moden identifiziert und zum anderen wird das direktionale Empfangen bei einer Wellenlänge von 1064 nm gezeigt. Danach zeigen wir mit dreidimensionalen Yagi-Uda Nanoantennenfeldern sehr hohe direktive Empfangs- und Sendeeigenschaften entlang der Substratnormalen. Da das Antennenfeld komplett in einer dielektrischen Umgebung eingebettet ist, kann die optische Charakterisierung nicht mit optischer Rasternahfeldmikroskopie erfolgen.Wir verwenden daher Fourier-Transform-Infrarotspektroskopie in Kombination mit Nahfeld-Simulationen, um die direktionalen Empfangseigenschaften von einfallender Strahlung entlang der Substratnormalen bei einer Wellenlänge von 1500 nm nachzuweisen. Wir zeigen außerdem, wie die Abstrahlungsrichtung mit unserem Nanoantennenfeld kontrolliert werden kann. Um elektrische Nahfelder von dreidimensionalen Nanoantennen-Strukturen zu messen, entwickeln wir eine neue Methode, die auf oberflächenverstärkter Vibrationsspektroskopie beruht. Die von Nanoantennen generierten hohen Nahfeldintensitäten werden verwendet, um Vibrationsübergänge in Molekülen, die im Infraroten stattfinden, zu verstärken. Dazu positionieren wir Moleküle in der Umgebung von plasmonischen Antennen, die in Resonanz mit dem Vibrationsübergang bei 4400 nm sind, und messen das Extinktionsspektrum des gekoppelten Systems. Wir beobachten, dass das gemessene Vibrationssignal mit der lokalen Nahfeldintensität skaliert, und vermessen durch nanometergenaue Positionierung der Moleküle die plasmonische Nahfeldintensität. Diese Methode hat sub-wellenlängen Auflösung und ermöglicht es Nahfeldintensitäten im infraroten Spektralbereich zu bestimmen.Wir zeigen schließlich, dass unsere Technik es ermöglicht, Nahfeldintensitäten von dreidimensionalen plasmonischen Nanostrukturen zu vermessen. Schließlich zeigen wir zum ersten Mal Signalübertragung bei optischen Frequenzen mit plasmonischen Nanoantennen. Wir realisieren eine optische Punkt-zu-Punkt Richtfunkstrecke zwischen einer Übertragungs- und einer Empfangsantenne bei einer Wellenlänge von 785 nm. Mit Fluoreszenz-Mikroskopie messen wir die direktive Abstrahlungscharakteristik der Übertragungsantenne und zeigen im Speziellen, dass die Übertragungseffizienz zwischen beiden Nanoantennen identisch mit der Übertragungseffizienz der Wellenausbreitung im freien Raum ist. Diese verlustarme Signalübertragung ermöglicht es über große Distanzen auf der Nanometer-Skala zu kommunizieren. Außerdem zeigen wir experimentell, wie die Abstrahlungsrichtung durch Phasenkontrolle über einen großen Bereich eingestellt werden kann. Dadurch senden wir ein optisches Signal zu verschiedenen Empfangsantennen. Diese Flexibilität in Kombination mit der verlustarmen Signalübertragung ist ein entscheidender Vorteil im Vergleich zu optischen Wellenleiter Verbindungen. Unsere rekonfigurierbare Richtfunkstrecke basierend auf plasmonischen Nanoantennen eröffnet neue Möglichkeiten in der Informationsübertragung mit optischen Frequenzen zu und von nanometergroßen Objekten.