Plazmonik ve opto-akışkan platformların teorik, hesaplamalı ve deneysel yöntemlerle incelenmesi
Theoretical, computational and experimental studies on plasmonic and optofluidic platforms
Yazar: YAĞIZ MOROVA
Danışman: DOÇ. DR. SELÇUK AKTÜRK
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Fizik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2015
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering

Özet:
Son yıllarda optik ve fotonik alanlarındaki teorik ve teknolojik gelişmeler yeni dalların ortaya çıkmasına zemin hazırlamıştır. Bu gelişmeler farklı disiplinlerin bir araya gelmesini ve disiplinler arası çalışmaların yapılmasını sağlamıştır. Bu alanlardan bir tanesi plazmonik bir diğeri ise opto-akışkan sistemlerdir. 
Plazmonik metallerle elektromanyetik dalgaların etkileşimini inceleyen bilim dalıdır. Metallerin serbest elektron salınımlarının kuantası ise plazmon olarak isimlendirilir. Plazmonlar elektromanyetik dalgalar tarafından uyarılarak rezonans durumu sağlanır. Bu duruma yüzey plazmon rezonansı denir. Yüzey plazmonlarının doğrudan ışıkla uyarılması mümkün olmadığı için rezonansın sağlanması için bazı koşullar gerekmektedir. Bu koşulların elde edilmesi için bir takım metotlar geliştirilmiştir. Geliştirilen metotlardan en yaygın olarak kullanılanları Kretchman konfigürasyonu ve ızgara yöntemidir. Kretchman kofigürasyonunda bir ışık kaynağı metalle rezonans açısı yapacak şekilde bir prizma içerisinden gönderilir. Metal-cam ara yüzünde meydana gelen sönümlenen dalgaların metal-hava ara yüzündeki plazmonları uyarması sağlanır. Bu rezonans açısı yansıyan ışığın şiddetinin belli bir açıda dip yapması ile belirlenmektedir. Bir diğer metot ise ızgara yöntemidir. Bu metotta ise bir dielektrik üzerinde kesikli metal yapılar oluşturulması ve bu şekilde hazırlanmış bir yapıdan elektromanyetik dalga gönderilmesiyle yüzey plazmonlarının uyarımı sağlanır. 
Yaptığımız çalışmalarda ızgara yöntemi üzerinde durulmuştur. Mevcut çalışmalardan farklı olarak plazmonik yapıları üretmek için femtosaniye lazer hüzmeleri kullanılmıştır. Öncelikle ince altın film kaplı bir cam üzerinde femtosaniye lazer ile altın nano çubuklar oluşturacak şekilde ablasyon sağlanmıştır. Plazmonik yapıların genel üretim yöntemi olan litografiyle karşılaştırıldığında, doğrudan femtosaniye lazer ablasyonu çok daha kolay ve hızlı bir yöntemdir. Elde edilen sistem karakterize edilerek plazmonik özellikleri deneysel olarak incelenmiştir. Bununla beraber elde edilen yapılar zaman bölgesinde sonlu farklar metodu (FDTD)'nu kullanan LumericalTM şirketi tarafından piyasaya sürülmüş FDTD Solutions modülü ile modellenerek elde edilen sonuçlar deneysel verilerle karşılaştırılmıştır. FDTD metot ile incelenen sistem Yee hücreleri adı verilen küçük kutulara bölünür ve bölünen kutucuklarda her bir zaman adımı için Maxwell denklemleri çözülerek sistem hakkında bilgielde edilir.Simülasyon sonucunda elde ettiğimiz veriler ile deneysel sonuçların uyumlu olduğu görülmüştür. 
Optik ve mikro-akışkan disiplinlerinin bir araya gelmesi ile ortaya çıkmış bir diğer nano fotonik dalı olan opto-akışkan platformlar gelişmekte olan bir alandır. Opto-akışkan sistemlerin en yaygın kullanım alanlarından bir tanesi opto-akışkan dalga kılavuzlarıdır. Dalga kılavuzu özelliği gösteren opto-akışkan sistemlerde tam yansıma koşulunun sağlanabilmesinde kullanılan materyallerin kırıcılık indisleri etkin rol oynamaktadır. Son zamanlarda aerojeller düşük kırma indisleriyle bu tip sistemlerde kullanılmaktadır. Ancak bu malzemeleri mekanik yöntemlerle işlemek, delmek veya şekillendirmek kırılgan yapıları nedeniyle çok zordur. Bu zorluklar aerojellerin hassas ve hasarsız bir şekilde işlenebilmesi için alternatif yontemlerin geliştirilmesi ihtiyacını doğurmuştur.Yaptığımız çalışmalarda hidrofobik silika aerojel kitlesi içerisinde üç boyutlu doğrusal mikrokanalları femtosaniye lazer ile oluşturulması amaçlanmıştır. Femtosaniye lazerler etki sürelerinin çok kısa olması sebebi ile aerojel üzerinde bu kanalların hassas bir şekilde oluşturulabilmesine olanak sağlar. Çalışmalarımızda, femtosaniye lazer hüzmesini  Galvo aynalar ile yönlendirilerek, tarama merceğiyle odaklanmış ve kitlenin hedeflenen bölgesinde ablasyon sağlanmıştır. Bu yöntemle aerojel içerisinde üç boyutlu doğrusal kanal malzemeye zarar vermeden oluşturulmuştur.
Femtosaniye lazer ile aerojel içerisinde elde edilen üç boyutlu doğrusal mikrokanala, dalga kılavuzu özelliklerini incelemek amacı ile etilen glikol sıvısı doldurulmuş ve fiber ile 632nm dalgaboyuna sahip bir diyot lazeri eşlenmiştir. Fiberin kanal içindeki konumu değiştirerek kanal çıkışındaki şiddet dağılımı CCD kamera ile görüntülenmiştir. Yaptığımız ölçümler sonucunda ilerleme kaybı 9.9 dB/cm olarak hesaplanmıştır. Bu sonuç aerojel içerisinde açılan kanalların opto-akışkan dalgakılavuzu olarak kullanılmasına elverişli olduğunu göstermektedir.
Sonuç olarak bu çalışma, hidrofobik silika aerojellerin femtosaniye lazer ile mekanik yöntemlerden daha yüksek duyarlılıkla işlenebildiğini ve elde edilen kanalların opto-akışkan dalga kılavauzu olarak kullanılabildiğini gösterir.

Abstract:
Recent years, theoretical and technological developments in the optic and photonic researches lead up to ensue new research and application areas. These developments enable to combine different disciplines and create complete new fields, and enable interdisciplinary studies. Plasmonics and optofluidics are best examples of these interdisciplinary studies. While plasmonics studies optical properties of metals, optofluidics combines microfluidic technology with optics. Each research area has specifical applications. 
Plasmonics is the study of the interaction between electromagnetic field and free electrons in a metal. There are some key terms including plasmon, polariton, surface plasmons (SPs), surface plasmon polaritons (SPPs), and surface plasmon resonance (SPR) to understand the plasmonics. Free electrons in the metal can be excited by the electric component of light to have collective oscillations. The quantization of these collective plasma oscillations is called plasmon. Also, surface plasmons are those plasmons that are confined to surfaces. SPs can be excited by electromagnetic waves resulting with a resonance situation that is called SPR. As a result of SPR, another quasiparticle called a plasma polariton is created. SPPs can be described as surface electromagnetic waves that propagate in a direction parallel to the metal/dielectric interface. 
Surface plasmon polaritons can be excited by electrons or photons. In the case of photons, it cannot be done directly, but requires a prism, or a grating. These methods are called as Kretchman configuration and grating coupling. For both method,the key fact is matching the wave vectors of the photon and SPs. In Kretchman configuration, the light is sent to the metal film through a glass prism by the angle which the resonance occurs. The evanescent wave penetrates through the metal film and excites the SPs on the metal-air interface. The excitation of surface plasmons takes place resulting in a reduced intensity of the reflected light.In the grating coupling, a coupler matches the wave vectors by increasing the parallel wave vector component by an amount related to the grating period. Simple surface gratings such as grooves, slits or corrugations can ensure the required circumstances to excite SPs.
Since plasmons are the quantization of classical plasma oscillations, most of their properties can be derived directly from Maxwell's equations. Within this theses, we derived one of the most important property of plasmons called dispersion relation using Maxwell's equations. In the experimental studies, we focused on grating coupling method. First of all, we coated the glass with a thin gold film to prepare the grating structure. Differently from the present works, we ablated the thin gold film with a femtosecond laser to form nano slits. Mostly, electron beam lithography (EPL) is used for generating nano structures but EPL systems are very expensive and it takes too much time to complete a nano structure. In our work, we showed that direct fs laser ablation is also can be used for creating nanostructures for plasmonics applications. Compare to the lithographical methods, direct fs laser ablation is cost effective, precise and easy to use. After the ablation, we obtained a nano slit array and characterized the plasmonic properties of this array by applying the transmission spectrum in the range of 400 – 1100 nm. To compare the experimental results with computational ones, we used FDTD Solutions module which is be released to the market by LumericalTM company. FDTD Solutions uses the finite difference time domain (FDTD) method for analyzing the specific structures within the context of electromagnetics. In the FDTD algorithm, first, the structure to be analyzed is divided small boxes called as Yee cells. For each cell, Maxwell's equations are solved with respect to each time step. Lastly, the program gives information like transmission, reflection, by combining the results of Maxwell's equations. To simulate our structure, we modeled a nano slit array and characterized transmission spectrum. We observed that our experimental results are well-matched with simulation results. 
Optofluidics one of the developing area of photonics that combines optics and microfluidics. Fluids have specific properties that cannot be found in solid materials, and these properties can be used to design novel devices such as optofluidic microscope (OFM), dye lasers, optical trapping and manipulation, and chemical and biological sensors. Also, one of the most important application of optofluidic platforms is waveguides. The overwhelming majority of optical waveguides operates based on total internal reflection (TIR). Waveguides based on TIR have a high refractive index core region surrounded by low index cladding materials. By reason of liquids provide a large variety of refractive index, they are used as core medium of waveguides in a widespread manner. However, the material used as cladding, mostly glass (refractive index of 1.5), restricts types of liquids act as core region. Recently, aerogels become very important materials for optofluidic waveguides with their extremly low refractive index of 1.05. Although aerogels are very attractive materials for a wide variety of applications due to their unique properties, it is very challenging to process them with traditional methods such as milling, drilling, or cutting because of their fragile structure. Therefore, there is a need to develop alternative processes for formation of complex structures within the aerogels without damaging the material.
Within this thesis, we developed a new method to form 3D optofluidic waveguides inside hydrophobic silica aerogels. We used femtosecond laser pulses which provide precise machining and good quality feature definition to ablate hydrophobic silica aerogels. During the ablation, we directed the laser beam with a Galvo mirror system and focused through a scanning lens to the surface of bulk aerogel which was placed on a translation stage. We succeeded to obtain high quality 3D linear microchannels inside aerogel monoliths with simultaneous motion of Galvo mirror and translation stage.
In order to demonstrate waveguiding and measure optical attenuation of these microchannels, we filled the channels with ethylene glycol. In an attempt to confirm the existence of liquid inside the channel, we add the fluorescein which is a synthetic organic compound with peak excitation at 494 nm and peak emission at 521 nm into ethylene glycol. After that, we coupled light with 632 nm wavelength inside the microchannel with a fiber. To observe the guided light, we placed a microscope and CCD camera focused directly to the exit of the channel. Than we moved the coupling fiber through channel and measured the intensity distribution on exit of the channel for each 100 µm. When we analyzed the results, we calculated the propagation loss as 9.9 dB/cm. This result is comparable to present optofluidic waveguide's losses. 
In conclusion, we can say forming channels inside hydrophobic silica aerogels with femtosecond laser ablation is easier and more precise than mechanical methods. Also, our results show that the microchannels formed by femtosecond laser ablation in silica aerogels can be used as optofluidic waveguides. The results of optical attenuation show that the light guiding properties of aerogels are much better than the ones produced by mechanical methods of ablation.