Surface plasmon enhanced optical forces in nanostructures and waveguides

Abstract

Mikro ölçekteki parçacıkların optik tuzak ve cımbızlarla başarılı bir şekilde kontrolünü takiben, optik kuvvetlerin nano ölcekte kullanımı da hızla gelişmektedir. Mikro ölçeğin aksine, nano-ölçek dalgaboyu-altı limitinde yer aldığından, geometrik optiğe dayalı formülasyondan yararlanamamaktadır. Buna ek olarak, ışığın dalgaboyu altı yapılarla etkileşimi genelde zayıftır, ancak yüzey plazmonlarının uyarılabildiği metalik özellikleri taşıdığı taktirde bu etkileşim güçlenebilir. Böylece yüzey plazmonlarının uyarılmalarını dikkate alarak yakın alan elektrodinamiği formülasyonu gerekmektedir. Bu başlıca noktalar, nano ölçekte optik kuvvetlerin biyomedikal, kimyasal ve tümleşik fotonik uygulamalarda kullanılmak üzere temel bilimsel ara ?stırmalarına gereksinim oluş.Bu tez calışmasında, iki farklı sistemde optik kuvvetleri araştırıyoruz: (i) Yüzey plazmon ile kuvvetlendirilmiş nano çubuk çifti üzerinde optik kuvvetler, ve (ii) çift dielektrik ve metal şerit dalga kılavuzları arasındaki optik kuvvetler. Maxwell denklemlerinden başlayarak ve Maxwell stress tensöründen yararlanarak optik kuvvetlerin elektrodinamiğini çalışmak için teorik ve numerik yaklaşım kullandık. İlk sistemde, metalin yüzey plazmon resonansının bulunduğu bir aralıkta optik kuvvetin frekans spektrumu belirlendi. Özellikle, oluşan optik kuvvetin ayarlanabilmesi problemi üzerinde duruldu ve değişken kırılma indisine sahip (likit kristal) bir dielektrik ara katman koyarak yapılabileceği gösterildi. Yalıtkanlık sabitinin ve dieletrik katmanın kalınlığının ortak ve relatif kuvvetler üzerindeki etkileri detaylı olarak incelendi.İkincil olarak, çift dielektrik dalga kılavuzlarının modlarını elde ettik. Mod pro- fillerine bağlı dalga kılavuzları üzerindeki yanal stresi belirleyerek dalga kılavuzlarının yapısal deformasyonunu elde ettik. Sonrasında, yüzey plazmonlarının etkilerini araştırmak için plazmonik metal şerit dalgakılavuzları modelini oluşturduk.

The utilization of optical forces at the nano-scale is progressing rapidly followingtheir successful employment in controlling micro-scale particles through optical trapsand tweezers. Unlike the micro-scale, the nano-scale resides in the deep subwavelengthlimit, and thus, cannot benefit from the simple ray-optics based formulations.Furthermore, the interaction of light with subwavelength structures is in general poor,unless the structure possesses metallic behavior to harness surface-plasmons for efficient coupling to light. This, in turn, requires the formulation of near field electrodynamicsby taking the surface-plasmon excitations into account. These major pointsdrive the basic research on the physics of optical forces at nanoscale for demandingbiomedical, chemical and integrated photonic applications.In this thesis work, we investigate the optical forces in two different systems:(i) The surface-plasmon enhanced optical forces on illuminated nanorod pairs, and(ii) the optical forces between coupled dielectric and metal-strip waveguides. Weuse a theoretical/numerical framework to study the electrodynamics of optical forcesstarting from Maxwells equations and the Maxwell Stress Tensor. In the first system,we determine the frequency spectrum of the optical force in a range where the surface plasmon resonance of the metal is present. In particular, we address the problemof tunability of the generated optical force and demonstrate that this is possibleby incorporating a dielectric interlayer with tunable index of refraction (e.g. liquidcrystal). The effect of permittivity and dielectric layer thickness on the common andrelative forces are investigated in detail.For the coupled waveguides, we start with the coupled mode theory and obtainthe modes of parallel dielectric waveguides. The mode profiles are used to determinethe lateral stress on the waveguides. By incorporating a simple mechanical model, the structural deformation of the waveguide is obtained. Next, we set-up the model of plasmonic metal-strip waveguides in order to investigate the effect ofsurface-plasmons.