Thermal and optical-gain effects in nanophotonics with applications to sensing and perfect absorption

Abstract

Surface plasmons, which are characteristic oscillations of induced charges at metal surfaces that can interact strongly with light, are a key topic in nanophotonics. It can tightly confine the optical electric energy in the vicinity of metallic nanostructures, resulting in a largely enhanced field intensity. Plasmons can be engineered to interact strongly with external light, which is oftentimes illustrated by a large absorption cross-section of the host structure compared with its projected physical area. When such nanostructures are arranged into a periodic array, it can even totally absorb the energy of an incident light wave, a phenomenon that is known as perfect absorption. Controlling the full width at half maximum (FWHM) of the spectrum, especially realizing perfect absorption with ultranarrow bandwidth, is desirable for sensitive photodetection among other appealing potential applications. In the first part of this thesis, we present a grating-based absorber with FWHM <1 nm. This very small bandwidth results from the low dissipation rate of the delocalized resonance supported by the structure. Commonly, ultranarrow band absorbers rely on various delocalized resonances, which require the absorber to have a relatively large spatial extension. In this context, we further propose a general method to guide a rational design of ultranarrow band absorbers that are based instead on localized resonances, which make it affordable to minimize the size of the absorbers. The basic idea is to utilize some high-order localized mode rather than the customarily used fundamental mode of a resonator to reduce the radiative decay rate. Additionally, we consider dielectric elements doped with gain impurities to compensate for the inelastic decay rate. We implemented this method in three kinds of absorbers that are based on different absorption mechanisms. All absorbers display dramatically improved performances compared with previous designs based on the use of fundamental modes. Metallodielectric coreshell nanospheres constitute a classical and thoroughly studied structure in the nanoplasmonic community. In the second part of this thesis, we investigate the use of localized plasmon resonances supported by a metal shell to enhance the emission intensity of an upconversion nanoparticle embedded in the center of the dielectric core. To this end, a theoretical model accounting for absorption and emission processes of the system is established. Based on this theory, optimized coreshell structures are found under different pump intensity regimes. In the same chapter, we extend the simple coreshell nanoparticle structure to more complex multilayers, which consist of alternate metal/dielectric shells. We reveal a cascade effect of the field enhancement in the structure. This can lead to huge intensity in the core under moderate light illumination. We further study its photothermal performance by computing the resulting temperature distribution. It is interesting to find that the temperature increase can be very spatially inhomogeneous with the highest temperature in the center. The reason lies in the high inhomogeneity of the field enhancement and considerable thermal boundary resistance provided by multiple metal/dielectric interfaces. Finally, the thermally induced internal pressure lift is also calculated. The interaction between light and particle arrays is a popular topic with great potential for practical applications. For example, a regular array of tiny nanoparticles is able to totally reflect the impinging light. Recently, it has been realized that a regular array of two-level atoms holds the same capability. In the third part of this thesis, we take a step further to explore light scattering on threelevel atom arrays. Unlike the two-level atom, which elastically interacts with light, the three-level atom can either dissipate, perfectly reflect, or amplify the probed light. Our investigations demonstrate these effects vividly.

Durante las últimas décadas la comunidad científica ha sido testigo de un rápido crecimiento del campo de la nano fotónica. Este avance ha sido principalmente motivado tanto por el rápido desarrollo en las técnicas de fabricación de dispositivos en la escala del nanómetro como por el incremento de las capacidades de simulación numérica. El objetivo prioritario de la nano fotónica es iniciar la investigación para el estudio de nuevos fenómenos que tienen lugar en la interacción de la luz con objetos de tamaño nanométrico. Se espera que los resultados de la investigación contribuyan al beneficio de la sociedad, así como para el desarrollo de un futuro sostenible. Uno de los ingredientes más importantes dentro del campo de la nano fotónica son los plasmones de superficie, siendo éstos las oscilaciones de la nube electrónica que yacen en la interfaz entre un material metálico y un dieléctrico. Los plasmones de superficie son capaces de concentrar altas cantidades de energía eléctrica produciendo así un incremento del campo eléctrico respecto al inicialmente aplicado. Estas propiedades han sido estudiadas y empleadas para sobrepasar la barrera de difracción, impulsar aplicaciones de óptica no lineal, mejorar el rendimiento de placas solaras, entre otras aplicaciones. Los plasmones pueden ser diseñados de tal manera que interaccionen fuertemente con la luz incidente, donde habitualmente la sección eficaz de la estructura, normalizada al área proyectada, presenta un máximo. Cuando estas estructuras se disponen de forma adecuada en una red periódica puede ocurrir una absorción completa de la energía electromagnética de la onda incidente, efecto que se conoce como absorción total. El control del ancho de banda a media altura (por sus siglas en ingles FWHM) del espectro es especialmente importante cuando se realiza la absorción total, donde se requiere un ancho de banda muy estrecho. Este tipo de montajes son muy útiles en foto-detección de alta precisión, así como para otras aplicaciones interesantes que empiezan a emerger. En la primera parte de la tesis presentamos una red de absorción con un FWHM menor de 1 nm. El pequeño ancho de banda conseguido es debido al bajo ritmo de dispersión de las resonancias deslocalizadas que son soportadas por la estructura. En general, para procesos de absorción, los anchos de banda extremadamente pequeños se basan en diversas resonancias deslocalizadas, lo que implica que las dimensiones de los objetos que absorben han de ser grandes. Es por eso que proponemos un modelo racional para conseguir anchos de banda muy pequeños basados en resonancias localizadas, permitiendo así disminuir el tamaño de los objetos absorbentes. La principal idea para conseguirlo es crear un diseño basado en la excitación de modos localizados de orden elevado en lugar de manipular la forma del objeto para excitar el modo fundamental, así pues, se consigue reducir la tasa de desintegración radiactiva. Además, consideramos objetitos dieléctricos dopados con elementos activos para compensar por la desintegración radiactiva inelástica. En esta tesis, aplicamos el método a tres tipos diferentes de mecanismos de absorción. En cualquiera de los tres escenarios, los resultados muestran una mejora notable comparada con el uso de métodos basados en la excitación del modo fundamental. La comunidad de la nano plasmónica ha estudiado en profundidad, y desde ya hace años, las esferas multicapa compuestas por la combinación de materiales metálicos y dieléctricos. En la segunda parte de la presente tesis, estudiamos el uso de los plasmones creados en carcasas metálicas para incrementar la señal emitida por nano partículas de conversión ascendente colocadas en el centro dieléctrico de la estructura. De esta forma, se presenta un formalismo teórico que tiene en cuenta la emisión y la absorción del sistema. Considerando este modelo teórico, se han encontrado diseños para la carcasa dieléctrica-metálica óptimos en función de las intensidades aplicadas. Más adelante, se extiende el modelo para multi-capas considerando de forma alternativa materiales metálicos y dieléctricos. En este tipo de estructuras observamos un efecto cascada en cuanto al incremento del campo se refiere. Por este motivo, las estructuras en multi-carcasa pueden crear un campo enrome en su interior con una iluminación inicialmente tenue. Además, estudiamos los efectos foto-térmicos determinando la distribución resultante de temperaturas. Es interesante mencionar que el incremento de la temperatura hacia el centro es considerablemente homogéneo hasta alcanzar la temperatura más alta en su interior Esto es debido a la gran inhomogeneidad del incremento del campo y la considerable resistencia térmica que hay en las uniones entre el metal y el dieléctrico. Finalmente, se determina el incremento de la presión inducida en la estructura. La interacción entre la luz y redes de nano partículas es de un gran interés científico con un alto potencial en aplicaciones prácticas. El comportamiento de la disposición en red de las partículas, puede ser completamente diferente al de una sola. Por ejemplo, una red cuadrada compuesta de pequeñas partículas nanométricas es capaz de reflejar por completo la luz incidente. Recientemente, se ha conseguido el mismo efecto con una red regular cuyos constituyentes son átomos de dos niveles. En la tercera parte de esta tesis, damos un paso más allá y estudiamos redes de átomos de tres niveles. A diferencia de los átomos de dos niveles, que interaccionan de forma elástica con la luz, los átomos de tres niveles pueden disipar, reflejar perfectamente o amplificar un haz de prueba. Nuestras investigaciones demuestran todos los efectos mencionados y como pueden ser éstos controlados a través de la intensidad aplicada.