Tunable and multiwavelength superlenses for infrared-optical subwavelength imaging

  • Durchstimmbare und Mehrwellenlängen- Superlinsen für infrarot-optische Abbildungen unterhalb des Beugungslimits

Li, Peining; Taubner, Thomas Günter (Thesis advisor); von Plessen, Gero (Thesis advisor)

Aachen (2016)
Doktorarbeit

Dissertation, RWTH Aachen, 2016

Kurzfassung

Neue optische Abbildungskonzepte, wie etwa die Perfekte Linse, die Superlinse oder die Hyperlinse, bieten das große Potential, räumliche Auflösungen unterhalb des Beugungslimits zu realisieren. Ein Großteil der Errungenschaften konzentriert sich dabei jedoch auf den sichtbaren Spektralbereich. Das Ziel dieser Arbeit ist es neue Konzepte für eine infrarote Superlinse zu entwickeln, um so zukünftige Anwendungen in der Infrarot-Mikroskopie und -Spektroskopie zu ermöglichen.Grundlegend habe ich zuerst die elementaren Abbildungs-Mechanismen einer infraroten Siliziumkarbid (SiC) Superlinse experimentell untersucht. Hierzu wurde die Dispersions-Relation einer 500 nm dicken SiC Superlinse vermessen, indem die an der Oberfläche auftretenden Surface Phonon Polariton (SPhP) Moden im Realraum abgebildet wurden. Die experimentell bestimmte Dispersions-Relation zeigt deutlich, dass der so genannte Superlinsen-Effekt (die Abbildung unterhalb des Beugungslimits mit einer Superlinse) aus der evaneszenten Feldverstärkung durch Oberflächen Polaritonen Moden resultiert. Des weiteren konnte in demselben Experiment eine räumliche Auflösung von bis zu λ/30 realisiert werden. Dieser Wert bedeutet eine Verbesserung um einen Faktor Zwei im Vergleich zu vorherigen Superlinsen Experimenten.Ich konnte in einem zweiten Schritt auch dielektrische Objekte durch eine Superlinse mit einer räumlichen Auflösung von λ/18 abbilden. Dieses Ergebnis stellt einen signifikanten experimentellen Fortschritt dar, da in bisher allen Veröffentlich-ungen zur Superlinse nur metallische oder stark reflektierende Objekte, mit einem deutlich stärkeren Materialkontrast abgebildet wurden. Außerdem zeigen die gewonnen spektroskopischen Bild-Daten, dass eine Identifizierung verschiedener Materialeigenschaften mit Hilfe der Superlinse möglich ist. Dies ist der erste experimentelle Beweis dafür, dass Superlinsen für infrarote spektroskopische Anwendungen, oder für die Detektion unterschiedlicher Brechungsindizes im Infraroten genutzt werden können.Die SiC Superlinse ist jedoch durch ihren sehr enge spektrale Bandbreite nicht für einen breiten Anwendungsbereich einsetzbar. Um diese Beschränkung zu überwinden, habe ich zwei neue Konzepte für infraroten Superlinsen vorgeschlagen. Die erste Idee besteht in einer Multi-Wellenlängen Superlinse, die durch die Verwendung von mehreren polaren Dielektrika realisiert werden kann. Die präsentierten numerischen Untersuchungen haben gezeigt, dass ein Superlinsen-Effekt bei mehrere Wellenlängen realisiert werden kann, wenn die Anzahl an Phonon-resonanten dielektrischen Schichten in einem Mehrschicht-Superlinsen-System erhöht wird. Mit anderen Worten, auch Objekte, die kleiner als die verwendete Wellenlänge sind, können bei vielen verschiedenen Wellenlängen unter Verwendung nur einer Linse abgebildet werden. In Anbetracht der Vielfalt an polaren Dielektrika, kann die vorgeschlagene Superlinse, durch Auswahl eines passenden Materials, einen Spektralbereich vom Infraroten bis hin zum Terahertz-Bereich abdecken.Zusätzlich habe ich das Konzept einer Wellenlängen-abstimmbaren Graphen Superlinse, die bei mehreren Wellenlängen funktioniert, entworfen. Diese neue Graphen Superlinse ermöglicht aufgrund ihrer nicht-resonanten Verstärkung von evaneszenten Feldern neue vielversprechende Eigenschaften: Eine intrinsisch große Bandbreite, sowie geringe Einflüsse durch optische Verluste bei gleichzeitig guter räumlicher Auflösung unterhalb der Wellenlänge von etwa λ/7 im Zweischicht-Fall und über λ/10 für Multi-Schicht-Systeme. Von fundamentaler Bedeutung ist, dass die Arbeits-Wellenlänge der Graphen Superlinse elektrisch eingestellt werden kann über die dynamisch steuerbare Leitfähigkeit von Graphen. Dieser große Einstellbereich der Graphen Superlinse ermöglicht es einen äußerst breiten Bereich des infraroten Spektralbereichs abzudecken. Ich konnte experimentell mein theoretisches Konzept beweisen, indem ich zeigen konnte, dass eine Monolage Graphen als Linse eine siebenfache Verstärkung von evaneszenten Informationen, gegenüber der konventionellen infraroten Nahfeldmikroskopie an vergrabenen Strukturen in einer Tiefe von 500 nm bei einer räumlichen Auflösung von λ/11 bietet.Außerdem habe ich die Nahfeld-Abbildung durch ein natürlich hyperbolisches Material, hexagonales Bor Nitrid (hBN), untersucht. Ich konnte zeigen, dass ein dünnes flaches hBN-Plättchen Wellenlängen-abhängige Multifunktions Abbildungsoperationen ermöglicht. Es war sowohl möglich durch den Superlinsen-Effekt einzelne Objekte mit einer räumlichen Auflösung von bis zu λ/32 aufzulösen, als auch ein vergrößertes Abbild des Umrisses der einzelnen Objekte zu erzeugen. Beide Funktionalitäten lassen sich auf die räumlich eingeschränkten hyperbolischen Phononen Polaritonen zurückführen, die äußerst gerichtet in hBN propagieren.

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