VISUALIZACIÓN EXPERIMENTAL DE
PLASMONES SUPERFICIALES
Isaac Suárez1, Mahin Naserpour2,
Carlos J. Zapata Rodríguez2, Albert Ferrando2, Juan J.
Miret3, Juan Fco. Sánchez Royo1,
y Juan P. Martínez-Pastor1
1UMDO (Unidad Asociada al
CSIC-IMM), Instituto de Ciencia de los Materiales, Universidad de Valencia,
PO Box 22085, 46071 Valencia
2Departament d’Òptica i Optometria i Ciències de la Visió, Universitat de València, 46100 Burjassot
3Departamento de Óptica, Farmacología y Anatomía, Universidad de
Alicante, P.O. Box 99, Alicante
RESUMEN
En este trabajo se propone una
revisión para su uso en laboratorios docentes universitarios de la
implementación de guías de onda activas basadas en la dispersión de puntos cuánticos
coloidales (QDs) en polímeros, y así proceder a la
excitación de plasmones superficiales. Para ello, se han fabricado guías de
onda planas embebiendo nanoestructuras
semiconductoras (CdSe) con emisión en el visible en
PMMA, encontrándose las condiciones óptimas para el guiado de su
fotoluminiscencia y sus propiedades de ganancia y atenuación. Finalmente los nanocompuestos QD-PMMA fueron depositados encima de capas
de oro con el fin de estudiar el plasmón superficial propagado.
Palabras clave: PMMA, Puntos Cuánticos
Coloidales, SPP, Guías de Onda.
1. INTRODUCCIÓN
Un polaritón
de plasmón superficial o simplemente plasmón superficial (SPP del inglés “surface plasmon polariton”)
consiste en la propagación de un haz de luz entre un metal y un dieléctrico a
través de las oscilaciones de electrones en el metal [1]. Debido a su
naturaleza híbrida, este tipo de ondas tiene propiedades muy interesantes como
el confinamiento por debajo del límite de difracción o una alta sensibilidad al
medio que le rodea. Sin embargo, las altas pérdidas en el metal limitan su
longitud de propagación dificultando enormemente las técnicas de excitación y
caracterización de este tipo de ondas. Este hecho constituye un obstáculo
enorme para implementar experiencias de laboratorio en estudios universitarios,
en nuestro caso particular dentro del Grado en Física y el Máster Universitario
en Física Avanzada que se imparten actualmente en la Universitat
de València, las cuales tienen como principal
objetivo la excitación y detección de plasmones de superficie. Hasta la fecha unos
pocos intentos de presentar prácticas guiadas están basados en la técnica de la
reflexión total interna [2].
El objetivo de esta experiencia
educativa es el diseño de un experimento sencillo, en el que se emplean
elementos fáciles de encontrar en laboratorios docentes universitarios, para la
caracterización experimental de guías de onda plasmónicas
y la demostración de la excitación y propagación de SPPs
propagándose a través de ellas. La experiencia que se presenta ha sido
convenientemente adaptada de otras desarrolladas por nuestro grupo de
investigación en el ámbito de nuestra labor científica y de desarrollo
tecnológico [3]. Para ello se propone utilizar materiales con propiedades
acticas (emisores de luz) con el fin de acoplar la luminiscencia de dichos
materiales al SPP.
2. MATERIAL DE LABORATORIO
La
estructura que se ha procedido a caracterizar se muestra en la figura 1.
Consiste en una capa de 30 nm oro evaporada sobre un
substrato de SiO2/Si (2 mm de SiO2) sobre la que se ha
depositado una capa de 1 μm PMMA dopada con
puntos cuánticos coloidales de CdSe. Esta estructura
ha sido diseñada para que puedan excitar los modos plasmónicos
centrada en el oro en polarización TM y un modo confinado en el dielectrico (CdSe-PMMA) en
polarización TE a la longitud de onda de emisión del CdSe
cercana a 620 nm.
Figura 1. Estructura de la muestra.
Para caracterizar este tipo de
estructuras se propone utilizar el sistema experimental que se muestra en la
figura 2, el cual está compuesto por los siguientes elementos:
·
Láser de GaN. Con emisión a 405 nm. Provee
la excitación de las nanopartículas para que éstas emitan su fotoluminiscencia.
·
Muestra.
Guía de ondas plasmónica con la estructura dibujada en la figura 1. Se coloca
dentro de un portamuestras que permita moverla en la
dirección horizontal.
·
Lente cilíndrica. Permite transformar un punto de luz en una línea o una línea de luz en un
punto. Se utiliza para enfocar la luz del láser sobre la superficie de la
muestra o colectar toda la luminiscencia guiada dentro del detector.
·
Objetivo de microscopio. Recoge la luz a la salida de la guía de ondas y la enfoca para ser
analizada en forma de una línea en una cámara CCD o en una lente cilíndrica.
Esta dentro de un sistema que permite moverlo en las tres direcciones (XYZ).
·
Filtro paso alto. Deja pasar longitudes de onda altas (>450 nm)
y elimina las bajas (<450 nm). Es muy importante
colocarlo para eliminar luz del láser que al tener alta potencia puede dañar el
detector.
·
Polarizador. Filtro que solo deja pasar una dirección de polarización de luz. Se coloca
paralelo a la guía de ondas para analizar la polarización TE (transversal
eléctrica) o perpendicular para estudiar la polarización TM (transversal
magnética).
·
Espectrógrafo (StellarNet). Está compuesto por un monocromador y una cámara CCD y se utiliza para estudiar el
espectro de fotoluminiscencia. La luz incidente puede venir por propagación en
el espacio libre o con ayuda de una fibra óptica tal y como se muestra en el
esquema de la figura 2. La segunda opción suele resultar más flexible y
requiere colocar el otro extremo de la fibra óptica en una pieza que permite
moverla en las tres direcciones (X,Y,Z) para poder
posicionar correctamente el núcleo de la fibra óptica con la luz a la salida de
la lente cilíndrica.
·
Cámara CCD.
Permite hacer una fotografía de la luz de fotoluminiscencia guiada.
Figura 2. Sistema experimental propuesto.
3. EXPERIMENTOS
Para evitar que la absorción de
los puntos cuánticos o el oro limite la propagación de un haz de bombeo (y con
ello la generación de la fotoluminiscencia) los puntos cuánticos son bombeados
a lo largo de la longitud de toda la guía de ondas plasmónicas
enfocando la luz proveniente de un láser en una línea recta con ayuda de una
lente cilíndrica. Tal y como se ha comentado en la sección anterior, la fuente
utilizada fue un láser de GaN con emisión a 405 nm. De esta manera, al incidir sobre los puntos cuánticos
luz por debajo de su bandgap (ver absorción en la
curva azul de la figura 3) éstos emitirán su fotoluminiscencia que se acoplará
a los distintos modos guiados.
Figura 3. Espectros de absorción y emisión
de los puntos cuánticos.
La fotoluminiscencia guiada a 600
nm se puede colectar a través del canto de salida de
la muestra con ayuda de un objetivo de microscopio que enfocará dicha luz en
una línea recta que podrá ser llevada a una cámara CCD para ver su imagen o
enfocada con ayuda de otra lente cilíndrica a una fibra óptica conectada a un
espectrógrafo para analizar su espectro de emisión. A la salida del objetivo de
microscopio se coloca un filtro paso alto para eliminar la posible luz
proveniente del láser, y asimismo un polarizador que permitirá seleccionar
entre polarización TM (luz en el metal o SPP) y TE (luz en el dieléctrico o
modo fotónico).
La figura 4 muestra el espectro
de la fotoluminiscencia guiada a la salida de la estructura. El espectro no
presenta apenas dependencia con la polarización pero la distribución de luz es
claramente diferente, tal y como se ve en el panel superior para polarización
TE y TM. En el primer caso la sección cruzada es más ancha y en el segundo hay
menos intensidad (debido a las pérdidas en el metal) y la sección cruzada es
menor, debido al pequeño espesor de la capa de oro.
Figura 4. Espectro de luz guiada a la
salida de la guía de ondas en polarización TM. El panel superior muestra una
fotografía del modo en polarización TM (SPP) y TE (modo fotónico)
a la salida de la estructura.
4. CONCLUSIONES
En este trabajo hemos diseñado
una experiencia de laboratorio para la excitación de plasmones superficiales
usando un método muy sencillo, que se adapta a estudiantes universitarios y no
requiere de elementos optomecánicos y materiales
caros o difíciles de encontrar (o fabricar). Además, hemos dado constancia de
que los nanocompuestos de puntos cuánticos embebidos
en polímero son unos materiales muy interesantes, no solo para las guías de
onda dieléctricas y plasmónicas, sino para la Óptica
Integrada en general.
AGRADECIMIENTOS
Esta actividad docente ha sido
financiada por el Vicerectorat de Polítiques
de Formació i Qualitat
Educativa de la Universitat de València
(Proyecto UV-SFPIE_DINV14-222717).
REFERENCIAS
[1] S. Maier, Plasmonics.
Fundamentals and Applications, Springer (2007).
[2] O. Pluchery, R. Vayron and K.-M. Van, “Laboratory experiments for exploring
the surface plasmon resonance,” Eur. J. Phys. 32 (2011) 585–599.
[3] I. Suárez, A. Larrue, P.
J. Rodríguez-Cantó, G. Almuneau,
R. Abargues, V. S. Chirvony,
and J. P. Martínez-Pastor, “Efficient excitation of photoluminescence in a two-dimensional
waveguide consisting of a quantum dot-polymer sandwich-type structure,” Opt.
Lett. 39 (2014) 4962-4965.