Probing the near-field optical response of plasmon nanostructures with two-photon luminescence microscopy
Authors:   , Ghenuche Petru Virgil 
Published: October 2023

Esta tesis describe el diseño, la fabricación y la caracterización óptica de sistemas plasmónicos resonantes capaces de confinar y aumentar campos de luz en la escala manométrica. En primer lugar, se utilizaron modelos numéricos 3D para diseñar diferentes geometras de nanoestructuras plasmónicas acopladas, a través del cálculo de la respuesta óptica de su campo lejano y cercano. Sobre la base de estas simulaciones se fabricaron las nanoestructuras por litografía de haz electrónico. Se puso especial énfasis en el aumento de la resolución y la optimización de la reproducibilidad de parámetros críticos como la forma de las partículas y el gap entre ellas. Por último, se empleó espectroscopía de campo lejano combinada con espectroscopía de luminiscencia inducida por dos fotones (TPL) para sondar la respuesta óptica local de las geometrías optimizadas.
Hemos centrado nuestra atención en diferentes tipos de estructuras metálicas: dímeros, antenas con gap, conjuntos finitos de partículas en cadenas y en forma de estrella. Los dímeros tienen una fuerte amplificación del campo en su gap nanométrico por el acoplamiento en campo cercano de sus resonancias plasmonicas dipolares. Análogamente, antenas con gap, formadas por dos barras de oro adyacentes que soportan resonancias multipolares, pueden acoplar de manera eficiente la luz y concentrarla en volúmenes pequeños. Se ha demostrado que cadenas finitas de partículas son buenos candidatos para guiar la luz a través de secciones transversales por debajo de la longitud de onda y aquí demostramos que también se pueden utilizar como nanolentes capaces de concentrar la luz en su extremo. La distribución del campo cercano en conjuntos de partículas de oro en forma de estrella presenta una fuerte dependencia con la polarización del campo incidente que puede ser explotada para dirigirse dinámicamente a nano-objetos.
La espectroscopía de campo lejano de conjuntos de dímeros y de cadenas finitas de partculas se comparó con la espectroscopía de TPL.
Nuestro principal resultado es mostrar que la TPL es preferentemente sensible a los campos locales, permitiendo evaluar características espectrosc ópicas que no podrían resolverse de otro modo. A fin de superar las limitaciones de las medidas de conjuntos, en una segunda etapa se dedicó un considerable esfuerzo a construir y optimizar un montaje óptico para medir la señal de TPL de estructuras únicas. El uso de la micro-espectroscopía de TPL permitió obtener mapas espectrales de los modos de antenas aisladas con resolución espacial.
Como se predijo mediante cálculos, hemos sido capaces de visualizar directamente, en la resonancia, la señal de TPL amplificada dentro del gap. Nuestros resultados muestran cómo las medidas de TPL pueden compararse directamente con la distribución de la cuarta potencia del campo local calculado. Mediante el análisis de la evolución de la señal de TPL en función de la longitud de onda incidente en el gap y en las extremidades de la antena tenemos más conocimiento sobre el mecanismo físico detrás de la resonancia de la antena. Finalmente, la microscopía de TPL se utilizó para sondar el campo cercano para diferentes orientaciones de la polarización lineal incidente sobre los conjuntos de partículas en forma de estrella. Se demuestra que, a diferencia del espectro de dispersión, la distribución de TPL en la estructura depende drásticamente del estado de polarización incidente.
Nuestro estudio aporta una contribución significativa al campo de la óptica de plasmones, proponiendo nuevas geometrías para confinar de manera eficiente los campos ópticos a la escala nanometrica, aportando un profundo conocimiento sobre el uso de micro-espectroscopa de TPL como sonda óptica local. Nuestros resultados tendrán importancia en aplicaciones tales como espectroscopía mejorada, biosensores y la interacción luz-materia, donde se necesita evaluar el campo experimentado por una pequeña cantidad de materia cercana a la nanoestructura.

This thesis describes the design, fabrication and the optical characterization of plasmon-resonant systems able to confine and enhance light fields down to the sub-wavelength scale. Extensive 3D numerical modeling was first used to design different geometries of coupled plasmonic nanostructures through the calculation of their far-field and near-field optical response. On the basis of simulations, the nanostructures were fabricated by e-beam lithography and thin film deposition.
Special efforts were devoted to increasing the resolution and optimizing the reproducibility of critical parameters such as particle shape and interparticle gaps. Finally, far-field spectroscopy combined with two-photon induced luminescence (TPL) spectroscopy was used to probe the local optical response of the optimized architectures.
We focused our attention on different families of structures: metal dimers, bar antennas, finite chains of nanoparticles and star-like particle arrangements. Particle dimers feature strong field enhancements in their sub-wavelength gap due to near-field coupling of their dipolar localized plasmon resonances. Based on the same physics, gap antennas, formed by two adjacent gold bars supporting multipolar resonances can efficiently couple to propagating light and concentrate it into tiny volumes. While finite particle chains were previously shown by other authors to be good candidates to guide light through subwavelength cross-sections, we show here that they can also be used as efficient nanolenses able to concentrate light at their extremity.
Finally, the near-field distribution in star-like arrangements of gold nanoparticles exhibits a strong dependence with the incident field polarization which can be exploited for dynamical optical addressing of nano-objects.
We have compared the far field spectroscopy of large ensembles of dimers and finite chains to TPL spectroscopy. Our main result is to show that TPL is preferentially sensitive to local fields and that it enables the assessment of spectroscopic features which cannot be resolved otherwise. In order to overcome the limitations of measurements on large ensembles a considerable effort was dedicated to mounting and optimizing an optical set-up enabling TPL measurement of single structures.
Using the developed TPL micro-spectroscopy, spatially resolved spectral mode mapping on single resonant gap-antennas was achieved. As predicted by calculations, we were able to directly visualize at resonance the strongly enhanced TPL signal within the gap. Our results show how TPL scans can be directly compared with the convoluted distribution of the fourth power of the calculated local mode field.
By monitoring the evolution with the incident wavelength of the TPL signal within the gap and at the antenna extremities we got further insight in the physical mechanism behind the buildup of the antenna’s resonance.
Finally, TPL microscopy was used to probe the local fields under different orientations of the incident linear polarization near star-like arrangement of gold disks. It is shown that, unlike the scattering spectrum, the TPL distribution over the structure is found to depend drastically on the incident polarization state.
Our study brings a significant contribution to the field of Plasmon optics by proposing novel geometries able to efficiently confine optical fields down to the nanometric scale, but also by providing deep insight into the use of TPL microspectroscopy to probe their local optical response. Our findings are foreseen to be important in applications such as enhanced spectroscopy, bio-sensing and enhanced light-matter interaction, where one needs to assess the actual field experienced by small amounts of matter.