Резонансное усиление рамановского рассеяния в плазмонных структурах фотоники

Аннотация

В работе теоретически исследуются плазмонные решетки металл-диэлектрик с периодом микрометрового масштаба в видимом и ближнем инфракрасном диапазоне, а также дается развернутое объяснение ранее полученных экспериментальных результатов. Рассматриваются одномерные и двумерные периодические решетки с экспериментально оптимизированной геометрией и демонстрируется прямая связь между коэффициентом усиления рамановского рассеяния и вертикальными резонансами Фабри — Перо в модулированном диэлектрическом слое структуры. Предоставлен подробный анализ этих резонансных мод и предложен новый дизайн структуры, обеспечивающий повышенный коэффициент усиления ГКРС за счет одновременного возбуждения резонансных мод структуры на частоте падающего излучения и частоте рамановского рассеяния.

Полученные результаты

• Математический аппарат фурье-модального метода был применен для решения уравнений Максвелла в периодической наноструктуре металл/диэлектрик. Были изучены дисперсионные зависимости поверхностных и квазиволноводных мод заданной наноструктуры.
• Было показано, что экспериментально полученные пики усиления гигантского комбинационного рассеяния света (ГРКС), измеренные на реальных структурах, вызваны именно этими резонансными модами.
• Было обнаружено, что структуры с малой высотой решетки демонстрируют резонансные моды, которые являются обычными поверхностными плазмон-поляритонами в слабом периодическом потенциале, тогда как при больших высотах дисперсионное соотношение было сильно изменено из-за Фабри — Перо гибридизации.
• Для описания зависимости энергии резонансов в Г-точке от высоты решетки была разработана теория резонансов Фабри-Перо в промежуточном модулированном слое.
• На основе оптической теоремы взаимности были рассчитаны коэффициенты усиления ГКРС для одномерных решеток металл/ диэлектрик.
• На основе проведенного анализа резонансных мод был предложен оптимизированный дизайн наноструктуры металл/диэлектрик для повышения интенсивности сигнала ГКРС.

Публикации по результатам работы

• Gromyko D. A., Dyakov S. A., Gippius N. A. et al., Strong Local Field Enhancement of Raman Scattering Observed in Metal-Dielectric Gratings due to Vertical Fabry-Perot Modes of Surface Plasmon Polaritons // Physical Review Applied 17, 024015 (2022).