Crossover from Bose-Einstein condensation to lasing in plasmonic nanoparticle lattices

Abstract

Plasmonic nanoparticle lattices have recently been shown to support both lasing and Bose-Einstein condensation in the near infrared region of light. The basis for both phenomena is provided by plasmonic modes called surface lattice resonances, which are combinations of array diffractions and individual plasmonic resonances in the nanoparticles. Both phenomena are easily produced in the same system by changing the periodicity of the lattice.

In this thesis the crossover from Bose-Einstein condensation to lasing is investigated by scanning the lattice periodicity from the condensation region to the lasing region and by varying spatially the pumping scheme. Both phenomena require the use of a fluorescent dye layer around the particle array and the effects of this layer are investigated by varying its thickness. The results suggest that achieving the lasing case with any periodicity requires the optical pumping to occur partially on top of the array where the feedback from the surface lattice resonance modes is present. The condensation of the plasmonic excitations can, however occur even with the pump outside the array.

Plasmonisten nanopartikkelihilojen on viime aikoina osoitettu tukevan sekä laserointia että Bose-Einstein kondensaatiota lähellä valon infrapunataajuuksia. Ilmiöiden perustana ovat pintahilamoodit, jotka ovat metallisten partikkeleiden plasmonisten resonanssien sekä hilan aiheuttaman diffraktion yhdistelmiä. Molemmat ilmiöt voidaan toteuttaa samanlaisilla 2D-hilarakenteilla ja ainoa vaadittava muutos rakenteeseen on hilan jaksollisuuden muuttaminen.

Tässä työssä tutkitaan jo aiemmin havaittua muutosta laseroinnista kondensaatioon muuttamalla sekä partikkelihilan jaksollisuutta että systeemin pumppugeometriaa. Lisäksi tutkitaan molemmissa prosesseissa tarvittavan fluoresoivan väliainekerroksen paksuuden vaikutusta hilassa esiintyviin tiloihin. Tulokset viittaavat siihen, että laserointitapauksen saavuttamiseksi optisen pumppauksen täytyy tapahtua ainakin osittain plasmonisen hilan päällä, missä pintahilamoodit ovat läsnä. Plasmonisten kvasipartikkeleiden kondensaatio voidaan kuitenkin havaita, vaikka pumppaus tapahtuisi hilan ulkopuolella.