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Doctoral Thesis
DOI
10.11606/T.18.2016.tde-19092016-155714
Document
Author
Full name
Daniel Baladelli Mazulquim
Institute/School/College
Knowledge Area
Date of Defense
Published
São Carlos, 2016
Supervisor
Committee
Gonçalves Neto, Luiz (President)
Barêa, Luís Alberto Mijam
Mansano, Ronaldo Domingues
Marega Junior, Euclydes
Martins, Emiliano Rezende
Title in Portuguese
Projeto e fabricação de nanoestruturas plasmônicas para aplicações em óptica difrativa
Keywords in Portuguese
Nanoestruturas
Nanofabricação
Plasmônica
Abstract in Portuguese
A plasmônica é a área que faz a junção entre fotônica e nanoestruturas. As implicações tecnológicas resultantes do acoplamento entre campos eletromagnéticos e oscilações eletrônicas em um material condutor fazem desta área uma das mais excitantes da óptica atualmente. Neste contexto, o objetivo deste trabalho é o projeto, fabricação e caracterização de nanoestruturas metálicas visando aplicações em óptica difrativa, incluindo filtros e lentes. Inicialmente, uma extensa revisão bibliográfica permitiu definir quais tipos de estruturas seriam abordadas, levando em conta tanto a capacidade computacional para fazer a modelagem numérica quanto a infraestrutura necessária na fabricação dos elementos. A primeira estrutura analisada foi um filtro óptico baseado em ressonância de modo guiado e ressonância plasmônica. Foram projetados e fabricados três filtros operando no azul, verde e vermelho. Resultados experimentais mostraram eficiência acima de 80% e largura de banda em torno de 20 nm, consideravelmente menor que os ~60 nm obtidos previamente na literatura considerando estrutura semelhante. Foi possível verificar as cores puras associadas à ressonância de modo guiado. Além disso, foi demonstrado como gerar as três cores primárias - azul, verde e vermelho - usando apenas o filtro vermelho. A segunda estrutura proposta consiste em uma lente tipo zonas de Fresnel integrada com um filme metálico. Resultados numéricos identificaram uma estrutura ressonante do tipo Fabry-Perot que possibilita uma redução dos lóbulos laterais gerada pela lente por um fator 3.0 na polarização TM e 4.8 na polarização TE. A estrutura foi fabricada usando litografia por nanoimpressão. Por fim, a terceira estrutura analisada foi um holograma binário baseado em metassuperfície, cuja célula básica é composta de um ressoador tipo nanorod. Foi proposta uma geometria na qual a diferença de fase entre os elementos é igual a π independente do comprimento de onda. Assim, o holograma pode operar em uma faixa espectral definida pela largura de banda transmitida. É descrito o inicio da fabricação do elemento usando litografia por feixe de elétrons.
Title in English
Design and fabrication of plasmonic nanostructures for applications in diffractive optics
Keywords in English
Nanofabrication
Nanostructures
Plasmonics
Abstract in English
Plasmonics is a field of study that merge photonics and nanostructures. The advanced technological implications makes it one of the most exciting field in Optics in current days. Therefore the objective of this study is the design and fabrication of metallic nanostructures aiming at applications in diffractive optics. Firstly, an extensive literature review allowed to define what types of structures would be addressed, taking into account both software simulations and the require infrastructure for the elements' fabrication. The first analyzed structure was an optical color filter based on guided mode resonance and surface plasmon resonance. Three filters, operating in blue, green and red, were designed and fabricated using interferometric lithography. Experimental results show above 80% efficiency and ~20 nm bandwidth, which is significantly smaller than ~60 nm previously obtained in the literature with similar structures. It was possible to show the pure colors associated with the modal resonance. Furthermore, it was shown how to obtain the primary red, blue, and green colors using only the red filter. The second structure proposed consists of Fresnel zones plates integrated with a metallic film. Numerical results show a resonant structure which enables side lobe reduction by a factor 3.0 in the TM polarization and 4.8 in the TE polarization. This structure was fabricated using nanoimprint lithography. The third analyzed structure was a binary hologram based on metasurface whose basic cell is composed of a nanorod metallic resonator. The phase difference between two elements is equal to π, regardless of the wavelength; thus, the hologram operates in a spectral band defined by transmitted bandwidth. The first steps of its fabrication process using electron beam lithography are presented and described.
 
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Daniel.pdf (4.76 Mbytes)
Publishing Date
2016-09-22
 
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