{"id":109770,"date":"2011-01-07T00:00:00","date_gmt":"2011-01-07T00:00:00","guid":{"rendered":"https:\/\/www.deberes.net\/tesis\/sin-categoria\/mechanisms-for-enhancing-the-optical-transmission-through-a-single-subwavelength-hole\/"},"modified":"2011-01-07T00:00:00","modified_gmt":"2011-01-07T00:00:00","slug":"mechanisms-for-enhancing-the-optical-transmission-through-a-single-subwavelength-hole","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.deberes.net\/tesis\/interaccion-de-ondas-electromagneticas-con-la-materia\/mechanisms-for-enhancing-the-optical-transmission-through-a-single-subwavelength-hole\/","title":{"rendered":"Mechanisms for enhancing the optical transmission through a single subwavelength hole"},"content":{"rendered":"<h2>Tesis doctoral de <strong> Sol Carretero Palacios <\/strong><\/h2>\n<p>Introducci\u00f3n  la luz, bajo ciertas condiciones, produce efectos inesperados que est\u00e1n abriendo paso a nuevas aplicaciones en la f\u00edsica, la qu\u00edmica, la biolog\u00eda o la medicina. en los a\u00f1os 50 del siglo pasado, rufus ritchie descubri\u00f3 lo que se llaman plasmones superficiales (sps), ondas electromagn\u00e9ticas atrapadas en una superficie met\u00e1lica debido a su interacci\u00f3n con los electrones libres del metal. Considerados como un inconveniente debido a que tras haber recorrido 0.1 mm, la mitad de la energ\u00eda que transportan se disipa en forma de calor, ahora parecen ser muy \u00fatiles debido al gran desarrollo de la nanotecnolog\u00eda. Se trata de poder moverlos por la superficie met\u00e1lica como nosotros queramos, y extraer la energ\u00eda que transportan. En estos momentos se piensa, entre otras aplicaciones, en el uso de los modos sps como \u00abportadores\u00bb de informaci\u00f3n sobre la superficie de un metal, tambi\u00e9n como fuente de puntos calientes donde diversas reacciones qu\u00edmicas o biol\u00f3gicas se vean favorecidas por la alta intensidad de la luz.  es decir, los plasmones superficiales son los modos confinados soluci\u00f3n de las ecuaciones de maxwell en la superficie de contacto entre un diel\u00e9ctrico y un metal. Una condici\u00f3n necesaria para que aparezcan plasmones es que la constante diel\u00e9ctrica sea finita y negativa. Cuando la constante diel\u00e9ctrica del metal es menos infinito, recuperamos el metal perfecto y perdemos el confinamiento.  por otro lado, nuevos fen\u00f3menos se han ido descubriendo a lo largo de este tiempo, como la transmisi\u00f3n  extraordianaria a trav\u00e9s de agujeros nanom\u00e9tricos peri\u00f3dicamente ordenados.  transmisi\u00f3n extraordinaria de la luz.  uno de los elementos \u00f3pticos m\u00e1s sencillos que podemos imaginar es un agujero en una pantalla. cuando la luz se dispersa a trav\u00e9s de una apertura, se produce difracci\u00f3n en los extremos. Hans bethe  describi\u00f3 te\u00f3ricamente la difracci\u00f3n de la luz para una longitud de onda dada a trav\u00e9s de un agujero circular de radio mucho menor que dicha longitud de onda, en una situaci\u00f3n ideal de una l\u00e1mina de metal perfecto e infinitamente delgada. Encontr\u00f3 que la transmisi\u00f3n escala uniformemente como el cociente entre el radio y la longitud de onda, a la cuarta potencia, es decir, que si el radio del agujero es mucho menor que la longitud de onda, la eficiencia en el proceso de transmisi\u00f3n es muy peque\u00f1a. Adem\u00e1s, mientras que en agujeros grandes la luz sale en la misma direcci\u00f3n en la que incide, para estos peque\u00f1os agujeros, la poca luz que se transmite, lo hace de manera is\u00f3tropa. en 1998, el grupo experimental de thomas ebbesen, descubri\u00f3 que la luz que dejaba pasar una serie de agujeros peque\u00f1os ordenados, perforados en una l\u00e1mina met\u00e1lica, era mayor que la que corresponder\u00eda a su \u00e1rea. Este resultado en el que los agujeros recogen gran parte de la luz que incide sobre ellos, y la l\u00e1mina se volv\u00eda transparente, es lo que se denomina transmisi\u00f3n extraordinaria, y ocurre para longitudes de onda relacionadas con el periodo del sistema de agujeros. la luz que entra en el agujero, antes de salir de \u00e9ste, va y vuelve en su interior, de modo que puede producirse interferencia constructiva para unas determinadas relaciones entre las dimensiones del agujero, la l\u00e1mina, y la longitud de onda. Los plasmones de la superficie, recogen parte de la luz que se perder\u00eda, e iluminan nuevos agujeros, volviendo al fen\u00f3meno de transmisi\u00f3n. Lo importante es que la luz transportada por los plasmones superficiales y que re-ilumina m\u00e1s agujeros, interfiera constructivamente con la luz incidente. Es decir, depender\u00e1 del camino recorrido, y por tanto, la longitud de onda a la que se produce transmisi\u00f3n extraordinaria est\u00e1 relacionada con la periodicidad de la red.  estas redes peri\u00f3dicas de agujeros en combinaci\u00f3n con sustratos con altos \u00edndices de refracci\u00f3n pueden actuar como diodos emisores de luz (led) y electrodos que podr\u00edan actuar en el rango \u00f3ptico.  transmisi\u00f3n a trav\u00e9s de agujeros aislados.  una apertura real est\u00e1 caracterizada por una profundidad, y por tanto, tiene propiedades de gu\u00eda de ondas. Las condiciones de contorno en los bordes de la gu\u00eda determinan la longitud de onda a partir de la cual la luz no puede propagarse m\u00e1s a trav\u00e9s de la apertura. Esta longitud de onda es lo que llamamos longitud de onda del cutoff, y marca el l\u00edmite entre los modos propagantes y los evanescentes. Adem\u00e1s se demostr\u00f3 que para sistemas en vac\u00edo y l\u00e1minas met\u00e1licas suficientemente gruesas, los espectros de transmisi\u00f3n presentan resonancias de transmisi\u00f3n que aparecen a la longitud de onda del cutoff.   como hemos dicho, una condici\u00f3n necesaria para que aparezcan plasmones es que la constante diel\u00e9ctrica sea finita y negativa. \u00c2\u00bfpor qu\u00e9 se produce entonces transmisi\u00f3n extraordinaria en un conductor perfecto, donde la constante diel\u00e9ctrica es infinita? cuando la superficie plana de un conductor perfecto est\u00e1 corrugada peri\u00f3dicamente, pueden propagarse ondas superficiales con propiedades similares a las de los plasmones, responsables de la transmisi\u00f3n extraordinaria. Lo fundamental de estas ondas, llamadas spoof plasmons es que, mediante la geometr\u00eda de las corrugaciones, podemos controlarlas a nuestra voluntad y dise\u00f1ar metales con las propiedades superficiales que nos convengan.   la transmisi\u00f3n extraordinaria tambi\u00e9n se ha observado a trav\u00e9s de agujeros aislados nanom\u00e9tricos cuando \u00e9stos est\u00e1n rodeados por una corrugaci\u00f3n peri\u00f3dica. Este es el caso de la geometr\u00eda ojo de buey (surcos conc\u00e9ntricos entorno a un agujero central que hace de portador de la luz entre la superficie de entrada y salida).  Esta estructura sirvi\u00f3 para demostrar que la transmisi\u00f3n puede ser \u00f3rdenes de magnitud mayor en estos sistemas compuestos que la asociada a la apertura aislada. Tambi\u00e9n demostraron la capacidad de estos sistemas para la focalizaci\u00f3n de luz en tama\u00f1os menores que la longitud de onda de la luz lo que permite el dise\u00f1o de detectores que podr\u00edan actuar como antenas en el rango \u00f3ptico.  todos estos estudios se centran en las propiedades lineales de ciertos medios, como los metales en el visible.  La respuesta lineal de un sistema se caracteriza porque tal respuesta no depende de la intensidad del haz de luz que ilumina un determinado sistema. Es decir, si conocemos la transmisi\u00f3n de una red de agujeros a una determinada longitud de onda, en un sistema que solo contenga medios lineales, sabemos que si aumentamos al doble la intensidad del l\u00e1ser de iluminaci\u00f3n el \u00fanico efecto que observaremos ser\u00e1 que se transmite el doble de energ\u00eda que en el primer caso.  Si existiera un material no-lineal podr\u00edamos, entre otras cosas, ver que al aumentar la intensidad incidente, nada de luz atraviesa nuestra muestra.   regimen no lineal.  en metales, la intensidad de la luz cerca de las nano-estructuras es muy intenso lo que sugiere que la posibilidad de tener fuertes efectos no-lineales, bien porque el metal entre, debido al intenso campo electromagn\u00e9tico, en r\u00e9gimen no-lineal, o porque se sit\u00faen en contacto con las estructuras met\u00e1licas diel\u00e9ctricos no-lineales. Los mecanismos que puedan estudiarse y fabricarse podr\u00edan ser \u00fatiles en el desarrollo de memorias \u00f3pticas, diodos y transistores \u00f3pticos, incluso podr\u00edan aplicarse tales avances en el campo de la informaci\u00f3n cu\u00e1ntica. Estos sistemas no lineales poseen el potencial necesario para proporcionar soluciones radicalmente nuevas a los dispositivos \u00f3pticos, desde filtros, limitadores, interruptores y reflectores ultra eficientes controlados activamente, conmutadores \u00f3pticos de umbral reducido (y por tanto, menos consumo), hasta dispositivos con im\u00e1genes de alta resoluci\u00f3n y potenciales dispositivos que controlen la invisibilidad \u00f3ptica a voluntad.  la explotaci\u00f3n y realizaci\u00f3n de efectos \u00f3pticos no lineales ofrece, sin lugar a dudas, una amplia gama de oportunidades para la investigaci\u00f3n fundamental y las aplicaciones.   agujeros anulares:  los agujeros anulares son especialmente interesantes para el estudio de la transmisi\u00f3n de luz por las siguientes caracter\u00edsticas: presentan dos modos fundamentales que hacen que estos objetos sean insensibles a la polarizaci\u00f3n. Adem\u00e1s, desde el punto de vista te\u00f3rico, la soluci\u00f3n de estos modos se conoce anal\u00edticamente. Uno de estos modos no tiene cutoff, mientras que el otro fundamental posee un cutoff especialmente grande. Esto se traduce en un aumento de transmisi\u00f3n a trav\u00e9s de estas estructuras que puede ser hasta 3 veces mayor que en comparaci\u00f3n con la de un agujero circular con el mismo radio externo. Adem\u00e1s, esta geometr\u00eda es la base para el estudio de la transmisi\u00f3n de luz a trav\u00e9s de las estructuras ojo de buey.    m\u00e9todos num\u00e9ricos:  en el r\u00e9gimen lineal, trataremos el estudio de estos sistemas con el m\u00e9todo de la expansi\u00f3n modal (basado en la expansi\u00f3n en ondas planas del campo electromagn\u00e9tico en todo el espacio). En este m\u00e9todo, el campo electromagn\u00e9tico en las regiones de reflexi\u00f3n y transmisi\u00f3n, est\u00e1 expresado en t\u00e9rminos de los modos propios del campo electromagn\u00e9tico caracterizados por el vector de onda, y la polarizaci\u00f3n. En el interior del agujero, el campo electromagn\u00e9tico se expande en t\u00e9rminos de todos los modos propios de la gu\u00eda de ondas. Aplicamos condiciones de frontera apropiadas en las superficies superior e inferior de la superficie met\u00e1lica, y obtenemos el campo electromagn\u00e9tico en todos los puntos del espacio en funci\u00f3n de la proyecci\u00f3n del campo el\u00e9ctrico sobre los modos propios de la gu\u00eda de ondas. Este m\u00e9todo es aproximado, pero anal\u00edtico, lo que es de gran importancia para poder discriminar entre los distintos mecanismos que controlan el proceso de transmisi\u00f3n a trav\u00e9s de los sistemas que estudiaremos.   en el r\u00e9gimen no lineal, los estudios se realizar\u00e1n con el m\u00e9todo fdtd (finite difference time domain), en el que las ecuaciones de maxwell est\u00e1n discretizadas en el tiempo y el espacio. Nuestros sistemas de estudio se expresan en t\u00e9rminos de m\u00faltiples celdas de yee, que son las celdas b\u00e1sicas donde los campos electromagn\u00e9ticos se dan para cada posici\u00f3n del espacio e instante de tiempo.   resultados  redes peri\u00f3dicas:  hemos estudiado las propiedades \u00f3pticas lineales de redes de agujeros anulares peri\u00f3dicamente distribuidos, que han permitido el dise\u00f1o de detectores en el r\u00e9gimen de teraherzios (thz) que permite diferenciar dos frecuencias distintas al mismo tiempo. Estos sistemas son de gran utilidad para discriminar entre mol\u00e9culas de la misma familia, que tienen frecuencias de vibraci\u00f3n o absorci\u00f3n repetidas entre el conjunto de frecuencias propias de cada una de ellas.  tambi\u00e9n hemos estudiado la combinaci\u00f3n de agujeros anulares con diel\u00e9ctricos de alto \u00edndice de refracci\u00f3n que pueden actuar como leds o electrodos.   agujeros aislados. Geometr\u00eda ojo de buey:  hemos analizado y optimizado estas estructuras en distintos rangos del espectro de longitudes de onda.  En particular hemos estudiado la influencia de la variaci\u00f3n de los distintos par\u00e1metros geom\u00e9tricos en la resonancia de transmisi\u00f3n, as\u00ed como el n\u00famero de anillos conc\u00e9ntricos, tanto en sistemas regulares, donde todos los surcos tienen las mismas dimensiones y est\u00e1n ordenados peri\u00f3dicamente, como irregulares.   entre los resultados m\u00e1s importantes se encuentra la influencia de la distancia del primer anillo al centro de la estructura. Hemos demostrado que la transmisi\u00f3n presenta m\u00e1ximos para algunos valores de esta distancia y unas longitudes de onda, que se deben a la interferencia constructiva de la luz reemitida por los surcos (que en ese caso pueden considerarse como aislados) al centro de la estructura. Esta luz es emitida en forma de plasmones de superficie. Adem\u00e1s hemos desarrollado un modelo microsc\u00f3pico que tiene en cuenta los mecanismos b\u00e1sicos que controlan la transmisi\u00f3n: cada surco act\u00faa como dos cavidades conectadas, y para explicar el mecanismo de transmisi\u00f3n en estas estructuras, la reflexi\u00f3n de los plasmones radiados de una de estas cavidades a la otra tiene que ser considerada. Hemos visto que la amplitud del coeficiente de acoplamiento entre la radiaci\u00f3n incidente en un surco, aumenta con el radio de \u00e9ste, mientras que el coeficiente de reflexi\u00f3n no. Por \u00faltimo, hemos demostrado que los campos el\u00e9ctricos presentan una resonancia colectiva a otras longitudes de onda que no dan lugar a transmisi\u00f3n extraordinaria.  transmisi\u00f3n extraordinaria localizada:  hemos desarrollado una teor\u00eda para explicar resonancias de transmisi\u00f3n mediadas por modos localizados en el thz, tanto en redes peri\u00f3dicas como en agujeros aislados, para cualquier forma geom\u00e9trica siempre que tenga un cutoff grande. Hemos visto que los m\u00e1ximos de transmisi\u00f3n presentan un desplazamiento muy grande hacia el rojo debido a la influencia de la anchura de la l\u00e1mina met\u00e1lica y las constantes diel\u00e9ctricas del entorno. Tambi\u00e9n hemos obtenido expresiones anal\u00edticas para la posici\u00f3n del pico que est\u00e1 controlada por las admitancias efectivas que nos hablan del acoplamiento del agujero con la radiaci\u00f3n. Por \u00faltimo hemos visto que hay 2 longitudes de onda que controlan la localizaci\u00f3n espectral de estas resonancias dependiendo de si la l\u00e1mina met\u00e1lica es gruesa o delgada. La primera representa las propiedades de las gu\u00edas de onda, el cutoff, y gobierna el mecanismo de transmisi\u00f3n en l\u00e1minas gruesas. La segunda caracteriza el acoplamiento del agujero con las regiones de radiaci\u00f3n, y gobierna en l\u00e1minas delgadas.   regimen no lineal:  hemos desarrollado un estudio te\u00f3rico de la respuesta no lineal en redes de slits depositados en sustratos diel\u00e9ctricos de tupo kerr. Hemos descrito un limitador e interruptor de intensidad en el rango de las telecomunicaciones, basados en las variaciones bruscas en los espectros de transmisi\u00f3n lineales cerca de los m\u00ednimos que presentan estas nanoestructuras.  tambi\u00e9n hemos analizado las propiedades \u00f3pticas no lineales en redes de slits en el rango de las telecomunicaciones, considerando oro y n\u00edquel, y rellenando las rendijas con un material tipo kerr. Solo el sistema de oro presenta tanto el efecto kerr \u00f3ptico, como la generaci\u00f3n de tercer arm\u00f3nico, mientras que en el n\u00edquel, la respuesta kerr es muy d\u00e9bil y el efecto lineal m\u00e1s notable es la generaci\u00f3n de tercer arm\u00f3nico.<\/p>\n<p>&nbsp;<\/p>\n<h3>Datos acad\u00e9micos de la tesis doctoral \u00ab<strong>Mechanisms for enhancing the optical transmission through a single subwavelength hole<\/strong>\u00ab<\/h3>\n<ul>\n<li><strong>T\u00edtulo de la tesis:<\/strong>\u00a0 Mechanisms for enhancing the optical transmission through a single subwavelength hole <\/li>\n<li><strong>Autor:<\/strong>\u00a0 Sol Carretero Palacios <\/li>\n<li><strong>Universidad:<\/strong>\u00a0 Zaragoza<\/li>\n<li><strong>Fecha de lectura de la tesis:<\/strong>\u00a0 01\/07\/2011<\/li>\n<\/ul>\n<p>&nbsp;<\/p>\n<h3>Direcci\u00f3n y tribunal<\/h3>\n<ul>\n<li><strong>Director de la tesis<\/strong>\n<ul>\n<li>Luis Mart\u00edn Moreno<\/li>\n<\/ul>\n<\/li>\n<li><strong>Tribunal<\/strong>\n<ul>\n<li>Presidente del tribunal: fernando Moreno gracia <\/li>\n<li>Jaime Gomez rivas (vocal)<\/li>\n<li>ross Stanley (vocal)<\/li>\n<li>stefan Maier (vocal)<\/li>\n<\/ul>\n<\/li>\n<\/ul>\n<p>&nbsp;<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"<p>Tesis doctoral de Sol Carretero Palacios Introducci\u00f3n la luz, bajo ciertas condiciones, produce efectos inesperados que est\u00e1n abriendo paso a 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