[論文レビュー] Shape and Size Resonances in Second Harmonic Generation from Plasmonic Nano-Cavities

Adi Salomon, Marcin Zieliński+3 more|arXiv (Cornell University)|Jan 30, 2012

Plasmonic and Surface Plasmon Research被引用数 4

ひとこと要約

本稿は、薄い金属膜内のプラズモニックナノキャビティにおける形状およびサイズ依存の共鳴を、二次高調波発生（SHG）の観点から調査している。三角形および正方形のサブ波長穴を用いて、幾何形状と入射波長の両方がSHG効率に強く影響することを実証しており、ナノコーブレート構造を有するキャビティは、高感度分光法への応用に適した巨大な電場強度増幅を生じる。

ABSTRACT

The nonlinear response of sub wavelength nano-cavities in thin metal films is investigated. We report the resonant dependence of the Second Harmonic Generation by individual triangular and square holes on shape, size and wavelength. For cavities with internal nano-corrugations, giant field enhancements are observed, making them excellent candidates for high sensitivity spectroscopy.

研究の動機と目的

• 薄い金属膜におけるプラズモニックナノキャビティの幾何形状とサイズが二次高調波発生（SHG）に与える影響を調査すること。
• 形状およびサイズの調整によってSHG効率を最大化する共鳴条件を同定すること。
• 内部にナノコーブレート構造を有するキャビティが局所的な電磁場をどのように強化し、非線形応答を向上させるかを検討すること。
• このような構造が高感度非線形分光法にどのように応用可能かを評価すること。
• 波長、キャビティ形状、構造寸法に依存するSHGの系統的分析を提供すること。

提案手法

• サブ波長の三角形および正方形の穴を有する薄い金膜の非線形光学的応答を解析するための数値シミュレーション。
• 有限要素法（FEM）を用いたシミュレーションにより、電磁場分布および二次高調波強度を計算すること。
• キャビティ寸法（サイズおよびアスペクト比）および入射波長を系統的に変化させ、共鳴条件をマップすること。
• キャビティ構造に内部のナノコーブレート構造を組み込んで、局所的電場の閉じ込めを強化すること。
• キャビティの幾何形状および励起波長に応じた二次高調波発生効率を定量すること。
• 近場強度増幅係数の分析により、非線形信号増幅に最適な構成を同定すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 プラズモニックナノキャビティの形状（三角形対正方形）が、二次高調波発生効率にどのように影響するか？
• RQ2 キャビティのサイズおよびアスペクト比が、SHG強度にどのように依存するか？
• RQ3 入射波長が、二次高調波発生の共鳴的増幅にどのように影響するか？
• RQ4 キャビティ壁に内蔵されたナノコーブレート構造が、局所的電磁場およびSHG出力の強化にどの程度寄与するか？
• RQ5 どのような幾何形状が、最も強い電場局在および非線形応答をもたらすか？

主な発見

• プラズモニックナノキャビティにおける二次高調波発生効率は、キャビティの形状およびサイズに強く共鳴依存性を示す。
• 三角形および正方形の穴は、形状に特有の電場局在を示す明確なSHG強度のピークを示す。
• 内部にナノコーブレート構造を有するキャビティは、顕著に増幅された局所的電場を示し、巨大な非線形信号増幅をもたらす。
• さまざまな入射波長範囲で共鳴的SHGが観測され、ピーク効率は特定の幾何形状と波長の組み合わせで発現する。
• コーブレートキャビティにおける最大の電場強度増幅は、サブ波長スケールでの局在表面プラズモン共鳴の励起に起因する。
• 結果から、プラズモニックナノキャビティの幾何学的設計により、センシング用途における非線形光放出を精密に制御可能であることが示された。