Electromagnetic fields in nanoscale structures : effects of polarization and spatial coherence

No Thumbnail Available
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Doctoral thesis (article-based)
Checking the digitized thesis and permission for publishing
Instructions for the author
Date
2007-11-09
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
58, [55]
Series
TKK dissertations, 96
Abstract
In this thesis electromagnetic near fields in nanoscale structures are investigated. The optical near field is characterized by a strong presence of evanescent (non-radiative) waves which are significant only within the distance of the wavelength of light from the surface of a light emitting or scattering object. These waves play an essential role in the design and characterization of components for nanophotonics and exhibit phenomena not encountered in the conventional far-field optics. In this thesis, specific optical systems at sub-wavelength scale are studied. In two of them the electromagnetic field is assumed to be deterministic whereas in two other systems the random nature of light is considered. One specific aim of this work is to assess the role of partial polarization and partial spatial coherence in electromagnetic near fields. This type of analysis necessitates the coherence theory of general, non-planar, three-dimensional (3D) electromagnetic fields which has not been available until very recently. The new concepts of electromagnetic coherence theory for 3D fields, such as 3D degree of polarization, electromagnetic degree of coherence, and electromagnetic theory of coherent modes, are applied to study partial polarization and partial spatial coherence of random near fields. Furthermore, the first explicit 3D coherent-mode representation is derived for a certain type of electromagnetic fields. The topics which are included in this thesis are as follows: Transmission of partially polarized light through a scanning near-field probe tip, is studied in terms of the 3D degree of polarization. The enhanced transmission of light through a single sub-wavelength slit on a metal film is investigated, and the resonance behavior of its transmission spectrum is analyzed. The electromagnetic coherence theory is applied to study surface plasmon resonances in metallic nanocylinders, and their effect on the 3D degree of polarization, the electromagnetic degree of coherence, as well as on the electromagnetic energy transfer in the optical near field is assessed. Also the fluorescence resonance energy transfer (FRET) mediated by plasmon resonant metallic nanoparticles is addressed.

Väitöskirjassa tarkastellaan sähkömagneettisia lähikenttiä nanorakenteissa. Optisille lähikentille on luonteenomaista vaimenevien (ei-säteilevien) aaltokomponenttien hallitseva vaikutus kokonaiskenttään. Vaimenevat aallot ovat merkittäviä vain alle valon aallonpituuden etäisyydellä kentän lähteestä ja niiden huomioiminen on olennaista tutkittaessa ja suunniteltaessa nano-optisia komponentteja. Lisäksi vaimenevista aalloista johtuen lähikentissä esiintyy optisia ilmiöitä, joita ei tavata kaukana lähteestä. Tässä työssä tarkastellaan sähkömagneettista kenttää tietyissä alle aallonpituuden mittakaavan rakenteissa. Kahdessa rakenteessa sähkömagneettinen kenttä oletetaan täysin deterministiseksi, kun taas kahdessa muussa rakenteessa kentän satunnainen luonne huomioidaan. Tämän työn eräs tavoite on tarkastella juuri satunnaisuuden ja erityisesti osittaisen polarisaation ja osittaisen paikkakoherenssin vaikutusta sähkömagneettisissa lähikentissä. Tämän tyyppinen tutkimus edellyttää äskettäin kehitetyn yleisten ei-tasomaisten kolmiulotteisten (3D) sähkömagneettisten kenttien koherenssiteorian soveltamista. Tämän teorian käsitteistä 3D polarisaatioastetta, sähkömagneettista koherenssiastetta ja koherenttien moodien sähkömagneettista teoriaa sovelletaan tutkittaessa osittaista polarisaatiota ja osittaista paikkakoherenssia satunnaisissa sähkömagneettisissa lähikentissä. Työssä myös esitetään tietyn tyyppisten sähkömagneettisten kenttien koherenttimoodikehitelmä, joka on ensimmäinen koskaan esitetty 3D koherenttimoodikehitelmä. Lisäksi työ kattaa seuraavat tutkimukset: 3D polarisaatioastetta sovelletaan tarkasteltaessa osittain polaroidun valon läpimenoa eräästä lähikenttämikroskopian mittakärjestä. Lisäksi tarkastellaan valon epätavallista vahvistumista sen kulkiessa yksittäisen metallissa olevan nanometrikokoluokan raon läpi, ja läpimenneen valon spektrin resonanssipiirteitä analysoidaan. Sähkömagneettista koherenssiteoriaa sovelletaan tutkittaessa 3D polarisaatioastetta, sähkömagneettista koherenssiastetta sekä energian kulkeutumista metallisista nanosylintereistä koostuvassa rakenteessa, kun siihen virittyy pintaplasmoni. Pintaplasmonien vaikutusta resonantissa energian siirrossa arvioidaan myös rakenteissa, jotka koostuvat metallisista nanometrikokoluokan palloista.
Description
Keywords
optical near field, evanescent wave, surface plasmon, polarization, electromagnetic coherence, optinen lähikenttä, vaimenevat aallot, pintaplasmoni, polarisaatio, sähkömagneettinen koherenssi
Other note
Parts
  • J. Lindberg, T. Setälä, M. Kaivola, and A. T. Friberg, Degree of polarization in light transmission through a near-field probe, Journal of Optics A: Pure and Applied Optics 6, S59-S63 (2004). [article1.pdf] © 2004 Institute of Physics Publishing. By permission.
  • J. Lindberg, K. Lindfors, T. Setälä, M. Kaivola, and A. T. Friberg, Spectral analysis of resonant transmission of light through a single sub-wavelength slit, Optics Express 12, 623-632 (2004). [article2.pdf] © 2004 Optical Society of America (OSA). By permission.
  • T. Setälä, J. Lindberg, K. Blomstedt, J. Tervo, and A. T. Friberg, Coherent-mode representation of a statistically homogeneous and isotropic electromagnetic field in spherical volume, Physical Review E 71, 036618 (2005). [article3.pdf] © 2005 American Physical Society. By permission.
  • J. Lindberg, T. Setälä, M. Kaivola, and A. T. Friberg, Spatial coherence effects in light scattering from metallic nanocylinders, Journal of the Optical Society of America A 23, 1349-1358 (2006). [article4.pdf] © 2006 Optical Society of America (OSA). By permission.
  • J. Lindberg, K. Lindfors, T. Setälä, and M. Kaivola, Dipole-dipole interaction between molecules mediated by a chain of silver nanoparticles, Journal of the Optical Society of America A 24, 3427-3431 (2007). [article5.pdf] © 2007 Optical Society of America (OSA). By permission.
Citation
Permanent link to this item
https://urn.fi/urn:nbn:fi:tkk-010646