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Universität Karlsruhe (TH)Institut für Photonik und Quantenelektronik (IPQ)
http://www.ipq.uni-karlsruhe.de
Thu, Dec 4, 2008
Wolfgang Freude
Institute of Photonics and Quantum Electronics (IPQ), University of Karlsruhe, Germany
An Easy Introduction to Plasmonics
The 90th OSA Annual Meeting — Frontiers in Optics 2006 / Laser Science XXIIOctober 8–12, 2006, Rochester (NY), USA
Photonics BW e. V.Arbeitskreis „Optische Kommunikation“ 03. April 2009, Stuttgart
Institut für Photonik und Quantenelektronik (IHQ), Universität Karlsruhe 1Phot. BW, 02 April 09
• Maxwell´s equations• Transverse waves• Longitudinal waves
The Beginning of All
Institut für Photonik und Quantenelektronik (IHQ), Universität Karlsruhe 2Phot. BW, 02 April 09
Maxwell´s Equations
Institut für Photonik und Quantenelektronik (IHQ), Universität Karlsruhe 3Phot. BW, 02 April 09
Formal Wave Solutions without External Excitation
Institut für Photonik und Quantenelektronik (IHQ), Universität Karlsruhe 4Phot. BW, 02 April 09
Longitudinal (Compressional) Waves
Institut für Photonik und Quantenelektronik (IHQ), Universität Karlsruhe 5Phot. BW, 02 April 09
Why Does a Local Charge Perturbation Not Propagate?
Institut für Photonik und Quantenelektronik (IHQ), Universität Karlsruhe 6Phot. BW, 02 April 09
• Plasma density oscillation Electron density perturbation Plasma frequency and dispersion diagram
• Modeling the dielectric constant Bound and free charge carriers Free carriers and dielectric constant
• Dielectric-dielectric interface Boundary conditions Fresnel’s formulae. Brewster’s angle
• Dielectric-metal interface Boundary conditions. Surface plasmon polariton (SPP) Dispersion diagram. Characteristic lengths SSP excitation. SNOM visualization. Applications
• Summary
Outline
• Plasma density oscillation Electron density perturbation Plasma frequency and dispersion diagram
Institut für Photonik und Quantenelektronik (IHQ), Universität Karlsruhe 7Phot. BW, 02 April 09
Plasma Density Oscillation for Local Concentration Perturbation
Institut für Photonik und Quantenelektronik (IHQ), Universität Karlsruhe 8Phot. BW, 02 April 09
Plasma Density Oscillation (Plasmon). Dispersion Diagram
Institut für Photonik und Quantenelektronik (IHQ), Universität Karlsruhe 9Phot. BW, 02 April 09
• Plasma density oscillation Electron density perturbation Plasma frequency and dispersion diagram
• Modeling the dielectric constant Bound and free charge carriers Free carriers and dielectric constant
• Dielectric-dielectric interface Boundary conditions Fresnel’s formulae. Brewster’s angle
• Dielectric-metal interface Boundary conditions. Surface plasmon polariton (SPP) Dispersion diagram. Characteristic lengths SSP excitation. SNOM visualization. Applications
• Summary
Outline
Institut für Photonik und Quantenelektronik (IHQ), Universität Karlsruhe 10Phot. BW, 02 April 09
Medium Properties
Refractive Index and Dielectric Constant
Institut für Photonik und Quantenelektronik (IHQ), Universität Karlsruhe 11Phot. BW, 02 April 09
Free and Bound Charge Carriers
Institut für Photonik und Quantenelektronik (IHQ), Universität Karlsruhe 12Phot. BW, 02 April 09
Free Carriers and Dielectric Constant
Institut für Photonik und Quantenelektronik (IHQ), Universität Karlsruhe 13Phot. BW, 02 April 09
Free Carriers and Dielectric Constant: Yet Another Approach
Institut für Photonik und Quantenelektronik (IHQ), Universität Karlsruhe 14Phot. BW, 02 April 09
• Plasma density oscillation Electron density perturbation Plasma frequency and dispersion diagram
• Modeling the dielectric constant Bound and free charge carriers Free carriers and dielectric constant
• Dielectric-dielectric interface Boundary conditions Fresnel’s formulae. Brewster’s angle
• Dielectric-metal interface Boundary conditions. Surface plasmon polariton (SPP) Dispersion diagram. Characteristic lengths SSP excitation. SNOM visualization. Applications
• Summary
Outline
Institut für Photonik und Quantenelektronik (IHQ), Universität Karlsruhe 15Phot. BW, 02 April 09
Dielectric-Dielectric Interface — Boundary Conditions
Institut für Photonik und Quantenelektronik (IHQ), Universität Karlsruhe 16Phot. BW, 02 April 09
Dielectric-Dielectric Interface — Fresnel´s Formulae
Institut für Photonik und Quantenelektronik (IHQ), Universität Karlsruhe 17Phot. BW, 02 April 09
• Plasma density oscillation Electron density perturbation Plasma frequency and dispersion diagram
• Modeling the dielectric constant Bound and free charge carriers Free carriers and dielectric constant
• Dielectric-dielectric interface Boundary conditions Fresnel’s formulae. Brewster’s angle
• Dielectric-metal interface Boundary conditions. Surface plasmon polariton (SPP) Dispersion diagram. Characteristic lengths SSP excitation. SNOM visualization. Applications
• Summary
Outline
Institut für Photonik und Quantenelektronik (IHQ), Universität Karlsruhe 18Phot. BW, 02 April 09
Dielectric-Metal Interface
Institut für Photonik und Quantenelektronik (IHQ), Universität Karlsruhe 19Phot. BW, 02 April 09
Dielectric-Metal Interface — Plane Wave Ansatz
Institut für Photonik und Quantenelektronik (IHQ), Universität Karlsruhe 20Phot. BW, 02 April 09
Dielectric-Metal Interface — Boundary Conditions
Institut für Photonik und Quantenelektronik (IHQ), Universität Karlsruhe 21Phot. BW, 02 April 09
Surface Plasmon Polariton Condition
Institut für Photonik und Quantenelektronik (IHQ), Universität Karlsruhe 22Phot. BW, 02 April 09
Dielectric-Metal Interface — Dispersion Relation
Institut für Photonik und Quantenelektronik (IHQ), Universität Karlsruhe 23Phot. BW, 02 April 09
SPP Penetration Depths
Barnes, W. L.: J. Opt. A: Pure Appl. Opt. 8 (2006) S87S93
Institut für Photonik und Quantenelektronik (IHQ), Universität Karlsruhe 24Phot. BW, 02 April 09
SPP Wavelength and Propagation Length
Barnes, W. L.: Surface plasmon-polariton length scales: a route to sub-wavelength optics. J. Opt. A: Pure Appl. Opt. 8 (2006) S87S93
Institut für Photonik und Quantenelektronik (IHQ), Universität Karlsruhe 25Phot. BW, 02 April 09
Long-Reach Coupled Surface Plasmon Polaritons
Institut für Photonik und Quantenelektronik (IHQ), Universität Karlsruhe 26Phot. BW, 02 April 09
Long-Reach Coupled Surface Plasmon Polaritons
Institut für Photonik und Quantenelektronik (IHQ), Universität Karlsruhe 27Phot. BW, 02 April 09
Surface Plasmon Polariton Excitation
Zayats, A. V.; Smolyaninov, I. I.; Maradudin, A. A.: Nano-optics of surface plasmon polaritons. Physics Reports 408 (2005) 131314
Institut für Photonik und Quantenelektronik (IHQ), Universität Karlsruhe 28Phot. BW, 02 April 09
• Plasma density oscillation Electron density perturbation Plasma frequency and dispersion diagram
• Modeling the dielectric constant Bound and free charge carriers Free carriers and dielectric constant
• Dielectric-dielectric interface Boundary conditions Fresnel’s formulae. Brewster’s angle
• Dielectric-metal interface Boundary conditions. Surface plasmon polariton (SPP) Dispersion diagram. Characteristic lengths SSP excitation. SNOM visualization. Applications
• Summary
Outline
Institut für Photonik und Quantenelektronik (IHQ), Universität Karlsruhe 29Phot. BW, 02 April 09
Surface Plasmon Polariton Seen by SNOM
Barnes, W. L.; Dereux, A.; Ebbesen, T. W.: Surface plasmon subwavelength optics. Nature 424 (2003) 824830
Institut für Photonik und Quantenelektronik (IHQ), Universität Karlsruhe 30Phot. BW, 02 April 09
• Plasma density oscillation Electron density perturbation Plasma frequency and dispersion diagram
• Modeling the dielectric constant Bound and free charge carriers Free carriers and dielectric constant
• Dielectric-dielectric interface Boundary conditions Fresnel’s formulae. Brewster’s angle
• Dielectric-metal interface Boundary conditions. Surface plasmon polariton (SPP) Dispersion diagram. Characteristic lengths SSP excitation. SNOM visualization. Applications
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Institut für Photonik und Quantenelektronik (IHQ), Universität Karlsruhe 31Phot. BW, 02 April 09
Metamaterials with Negative Refractive Index
Martin Wegener´s group at the Institute of Applied Physics, University of Karls- ruhe http://www.aph.uni-karlsruhe.de/wegener/en/research/photonic-crystals
Gießen, H.: Öffentliche Vorlesung über Tarnkappen im Mercedes Museum am 22.7.2008. http://www.pi4.uni-stuttgart.de/
Institut für Photonik und Quantenelektronik (IHQ), Universität Karlsruhe 32Phot. BW, 02 April 09
Metamaterials in the Microwave Range — Cloaking
Schurig, D.; Mock, J. J.; Justice, B. J.; Cummer, S. A.; Pendry, J. B.; Starr, A. F.; Smith, D. R.: Metamaterial electromagnetic cloak at microwave frequencies. Sciencexpress http://www.sciencexpress.org 19 Oct 2006 10.1126/science.1133628
Liu, R.; Ji, C.; Mock, J. J.; chin, J. Y.; Cui, T. J.; Smith, D. R.: Broadband ground-plane cloak. Science 323 (2008) 366369
Institut für Photonik und Quantenelektronik (IHQ), Universität Karlsruhe 33Phot. BW, 02 April 09
Metamaterials in the Optical Range — Towards an Ideal Lens?
Linden, S.; Enkrich, C.; Wegener, M.; Zhou, J.; Koschny, T.; Soukoulis, C. M.: Magnetic Response of Metamaterials at 100 Terahertz. Science 306 (2004) 13511353
Institut für Photonik und Quantenelektronik (IHQ), Universität Karlsruhe 34Phot. BW, 02 April 09
Imaging With a Negative Refractive Index Lens or a Silver Slab
Pendry, J.: Metamaterials and negative refraction. Conf. Lasers and Electro-Optics (CLEO 2007), Baltimore (MD), May 06–11, 2007. Plenary Session
Institut für Photonik und Quantenelektronik (IHQ), Universität Karlsruhe 35Phot. BW, 02 April 09
Surface Plasmon Polaritons in a Silver Layer
Fujii, M.; Freude, W.; Leuthold, J.: Numerical prediction of minimum sub-diffraction-limit image generated by silver surface plasmon lenses. Opt. Expr. 16 (2008) 21039–21052
Fujii, M.; Freude, W.; Leuthold, J.: Dispersion relation and loss of sub-wavelength confined mode of metal-dielectric-gap optical waveguides. IEEE Photon. Technol. Lett. 21 (2009) 362-364
Institut für Photonik und Quantenelektronik (IHQ), Universität Karlsruhe 36Phot. BW, 02 April 09
Super-Resolution with Sub-Diffraction Imaging
Fujii, M.; Freude, W.; Leuthold, J.: Numerical prediction of minimum sub-diffraction-limit image generated by silver surface plasmon lenses. Opt. Expr. 16 (2008) 21039–21052
Institut für Photonik und Quantenelektronik (IHQ), Universität Karlsruhe 37Phot. BW, 02 April 09
Imaging “Letter T” With a Silver Slab
Fujii, M.; Freude, W.; Leuthold, J.: Numerical prediction of minimum sub-diffraction-limit image generated by silver surface plasmon lenses. Opt. Expr. 16 (2008) 21039–21052
Institut für Photonik und Quantenelektronik (IHQ), Universität Karlsruhe 39Phot. BW, 02 April 09
• Plasma density oscillation Electron density perturbation Plasma frequency and dispersion diagram
• Modeling the dielectric constant Bound and free charge carriers Free carriers and dielectric constant
• Dielectric-dielectric interface Boundary conditions Fresnel’s formulae. Brewster’s angle
• Dielectric-metal interface Boundary conditions. Surface plasmon polariton (SPP) Dispersion diagram. Characteristic lengths SSP excitation. SNOM visualization. Applications
• Summary
Outline
Institut für Photonik und Quantenelektronik (IHQ), Universität Karlsruhe 40Phot. BW, 02 April 09
Surface Plasmon Polariton — Overview
Institut für Photonik und Quantenelektronik (IHQ), Universität Karlsruhe 41Phot. BW, 02 April 09
Surface Plasmon Polariton — Boundary Conditions
Institut für Photonik und Quantenelektronik (IHQ), Universität Karlsruhe 42Phot. BW, 02 April 09
Surface Plasmon Polariton — Propagation Results
Institut für Photonik und Quantenelektronik (IHQ), Universität Karlsruhe 43Phot. BW, 02 April 09
Surface Plasmon Polariton — Summary
Institut für Photonik und Quantenelektronik (IHQ), Universität Karlsruhe 44Phot. BW, 02 April 09
Further Reading (1/2)
Institut für Photonik und Quantenelektronik (IHQ), Universität Karlsruhe 45Phot. BW, 02 April 09
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