The Scattering of Electromagnetic Waves from Two-Dimensional Periodic Surfaces with Deposited Hemi-Spheroidal and Hemi-Ellipsoidal Plasmonic Particles

Abstract

Denne avhandlingen presenterer arbeidet gjort gjennom undersøkelser og karakterisering av den optiske responsen til elektromagnetiske bølger som vekselvirker med periodiske plasmoniske overflater. Lysspredningsproblemet er løst ved hjelp av en numerisk metode basert på den reduserte Rayleigh-ligningen. Flere periodiske systemer med gullpartikler er undersøkt, der gullpartiklene er modellert som enten hemi-sfæroider eller hemi-ellipsoider. Partiklene er plassert på en overfalte av enten et silisiumdioksid-substrat, eller en film av silisiumdioksid på et gullsubstrat. Det har vært et spesielt fokus på å finne og karakterisere den optiske responsen fra to eller flere partikler som er plassert svært nære hverandre.

Mueller matrise ellipsometri avslører en kompleks konvertering av polarisasjon for de undersøkte systemene. Høy konvertering av polarisasjon ble funnet ved overflate-plasmonresonansene og ved posisjonen til Rayleigh-anomaliene. Oppdagelser av optisk nærdistanse-respons ble funnet for to-partikkel systemene med hemi-sfæroider og med hemi-ellipsoider ved plassering langs den korte halvaksen. Oppdagelsene er basert på et unikt spredningsmønster, sammenlignet med de tilsvarende en-partikkel systemene. De numeriske resultatene reproduserer tilgjengelige eksperimentelle data godt, men med små avvik. Energiprinsippet viser et avvik fra perfekt energibevaring i størrelsesorden $10^{-2}$ til $10^{-4}$. Imidlertid avdekkes det det flere skarpe punkter der energien ikke er bevart.

This thesis presents research done through investigation and characterisation of the optical response of the scattering of electromagnetic waves from periodic plasmonic surfaces. The light scattering problem is solved numerically using the reduced Rayleigh equation technique. Several periodic systems of gold particles, modelled as being either hemi-spheroidal or hemi-elliptical, are investigated. The particles were placed on either a substrate of silicon dioxide, or on a film of silicon dioxide on a substrate of gold. In particular, an effort has been made to find and characterize any close distance optical coupling, by grouping two or more particles closely together.

Mueller matrix ellipsometry reveals a complex polarisation conversion patterns for all systems investigated. There is a high amount of polarization conversion at the plasmon resonances, and at the positions of the Rayleigh anomalies. Evidence of near distance optical coupling is observed both at the hemi-spheroidal particle on a dielectric substrate, and for the hemi-ellipsoidal particle system when aligned along the semi-minor axis, observed through a unique scattering pattern, compared to the single particle systems. The numerical results reproduce published experimental data well, with small deviations. The energy conservation shows a deviation from unity in the order of $10^{-2}$ to $10^{-4}$, however deviating from unity at several sharp spikes.