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Main Title: Symmetric cladding thin-film waveguides
Translated Title: Symmetrische Dünnschichtwellenleitermoden
Author(s): Pufahl, Karsten Simon
Advisor(s): Woggon, Ulrike
Referee(s): Woggon, Ulrike
Busch, Kurt
Gradzielski, Michael
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
Language Code: en
Abstract: Intrinsic absorption is often considered an undesirable effect in waveguiding applications, severely limiting the propagation length. However, with appropriate design of a symmetric cladding, waveguiding can be achieved even with highly absorbing media, to the degree that increasing absorption has a positive effect on the propagation length. Here, this counterintuitive concept is developed further and put into perspective with long-range surface plasmon polaritons and TM waveguide modes. The range of accessible optical properties is discussed and the fitness of materials for symmetric cladding thin-film waveguides is calculated. The concept of waveguiding in lossy materials is transferred to thin-films of disordered nano-composites. Experimental data of waveguides made from gold nano-particle incubated polymer brush film is presented. Poly(N-isopropylacrylamide) (PNIPAM) based functionalized surfaces are able to support symmetric cladding thin-film waveguide modes in spite of their disorder and material loss. The PNIPAM surface can be made to change its thickness and permittivity depending on a variety of environmental parameters. Waveguides made from polymer brushes may bring new optical sensing devices that combine the versatility of nano-engineered functionalized films with the well- defined propagation of thin film waveguides. An attenuated total reflectance (ATR) geometry is used for k-space spectroscopy to prove the existence of modal solutions in the samples and to map out their dispersion. A white-light interferometry technique was developed to stabilize and control the evanescent coupling gap with nanometer precision. Last, the limits of ATR spectroscopy are explored. Using a quantum optical approach the ultimate sensitivity of ATR based methods such as surface plasmon resonance sensing (SPRS) is derived. Optical illumination and detection modes are shown that perform \emph{optimally} in the sense that they extract refractive index changes with unsurpassable signal-to-noise ratio. A comparison with commercial-grade SPRS devices is given, revealing the potential of using symmetric cladding thin-film waveguides and optimized sensing modes.
Intrinsische Absorption wird in Wellenleiteranwendungen oft als ein unerwünschter Effekt angesehen, der die Propagationslänge stark beschränkt. Bei Verwendung eines symmetrischen Claddings kann jedoch auch bei stark absorbierenden Medien ein Wellenleitung erreicht werden, so dass sich sogar steigende Absorption positiv auf die Propagationslänge auswirkt. Dieses kontraintuitive Konzept wird hier weiterentwickelt und mit langreichweitigen Oberflächenplasmon-Polaritonen und TM-Wellenleitermoden in Verbindung gebracht. Der Bereich zugänglicher optischer Eigenschaften wird diskutiert und die Eignung von Materialien für symmetrische Dünnschichtwellenleitung berechnet. Das Konzept der Wellenleitung in verlustbehafteten Materialien wird auf Dünnschichten von ungeordneten Nanokompositen erweitert. Experimentelle Daten von Wellenleitern aus Gold Nanopartikel inkubierten Polymer-Bürstenfilmen werden vorgestellt. Diese auf Poly(N-isopropylacrylamid) (PNIPAM) basierenden funktionalisierten Oberflächen sind in der Lage, trotz ihrer Unordnung und ihres Materialverlustes symmetrische Dünnschichtwellenleitermoden auszubilden. Die PNIPAM-Oberflächen kann so gestaltet werden, dass sie ihre Dicke und Permittivität in Abhängigkeit von einer Vielzahl von Umgebungsparametern ändert. Wellenleiter aus Polymerbürsten könnten neue optische Sensoranwendungen hervorbringen, die die Vielseitigkeit von nanotechnologisch funktionalisierten Schichten mit der wohldefinierten Ausbreitung von Dünnschichtwellenleitern kombinieren. Eine Abgeschwächte Totalreflexionsgeometrie (ATR) wird für die k-Raumspektroskopie verwendet, um die Existenz modaler Lösungen in den Proben nachzuweisen und deren Dispersion abzubilden. Eine Weißlichtinterferometrietechnik wurde entwickelt, um den evaneszenten Kopplungsabstand mit Nanometer Genauigkeit zu stabilisieren und zu kontrollieren. Schließlich werden die Grenzen der ATR Spektroskopie erforscht. Unter Verwendung eines quantenoptischen Ansatzes wird die ultimative Empfindlichkeit von ATR-basierten Methoden wie der Oberflächenplasmonresonanzspektroskopie abgeleitet. Es werden optische Beleuchtungs- und Detektionsmoden hergeleitet, die \emph{optimal} in dem Sinne funktionieren, dass sie Anderungen des Brechungsindex mit einem unübertroffenen Signal-Rausch-Verhältnis extrahieren. Ein Vergleich mit kommerziellen SPRS Geräten zeigt das Potenzial der Verwendung vonsymmetrischen Dünnschichtwellenleiter und optimierten Modenprofilen.
URI: https://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/10605
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-9531
Exam Date: 14-Nov-2019
Issue Date: 2020
Date Available: 27-Jan-2020
DDC Class: 535 Licht, Infrarot- und Ultraviolettphänomene
Subject(s): symmetric cladding thin-film waveguides
absorbing materials
polymer brush
spectral white-light interferometry
quantum noise limit of surface plasmon resonance
symmetrische Dünnschichtwellenleiter
absorbierende Materialien
Polymerbürste
spektrale Weißlichtinterferometrie
Quantenrauschlimit von Oberflächenplasmonenresonanz
SPRS
Sponsor/Funder: DFG, WO 477/35, Untersuchungen zur Nichtlinearen Plasmon-Photon Wechselwirkung mittels Zwei-Farben k-Raum Spektroskopie
License: http://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
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