Bestimmung der Erregung und Kupplung zwischen Lichtemittern und Oberflächen Plasmon Polaritonen

Surface Plasmon vermittelte Fluoreszenz (SPMF) hat beträchtliche Aufmerksamkeit erhielt vor kurzem^1,2,3,4,5,6. Wenn lichtemittern in unmittelbarer Nähe zu einem plasmonische System gestellt werden, kann Energie zwischen dem Emittenten und Oberflächen Plasmon Polaritonen (SPPs) übertragen werden. Im Allgemeinen können starke plasmonische Felder die Erregung der Emitter²stark verbessern. Zur gleichen Zeit wird die Emissionsrate auch wegen der großen Dichte-der-Staaten erstellt von SPPs, nachgeben der bekannten Purcell Effekt³erhöht. Diese beiden Prozesse arbeiten Hand in Hand bei der Herstellung der SPMF. Da SPMF hat zahlreiche Anwendungen in Solid-State Lighting^1,4, Energy harvesting-⁵und Bio-Erkennung⁶, angeregt wird es derzeit intensiv untersucht. Insbesondere das Wissen um die Energie-Übertragungsraten von der SPPs die Emittenten und umgekehrt, d. h. die Erregung und Kupplung Preise, ist von großer Bedeutung. Aber die Anregung und Emission Prozesse sind in der Regel zusammen verstrickt, Studie über diesen Aspekt fehlt noch. Zum Beispiel bestimmen die meisten Studien nur die Erregung Wirkungsgrad, die einfach die Emission mit und ohne SPPs⁷vergleicht. Die exakte Messung der Erregung Rate fehlt noch. Auf der anderen Seite Zeitaufgelösten konventionellen Techniken wie Fluoreszenz-Lebensdauer-Spektroskopie werden routinemäßig zur Untersuchung der Dynamik des Prozesses Emission verwendet, aber sie sind nicht in der Lage, die Kupplung Rate von der totalen Verfall Preis⁸zu trennen. Hier beschreiben wir, wie sie durch die Kombination der Gleichung Tarifmodell und den zeitlichen gekoppelten Modus Theorie^9,10bestimmt werden kann. Bemerkenswert ist, finden wir, dass die Erregung und Kupplung Preise in Bezug auf die messbaren Mengen ausgedrückt werden können, durch Winkel und Polarisation gelöst Reflektivität und Photolumineszenz-Spektroskopie zugegriffen werden kann. Wir werden zunächst skizzieren die Formulierung und dann die Instrumentierung im Detail zu beschreiben. Dieser Ansatz ist völlig Frequenzbereich basiert und es erfordert keine Zeitaufgelösten Zubehör wie ultraschnellen Laser und Zeit korreliert Single-Photon-Zähler, sind teuer und manchmal nur schwer umzusetzen^{8, 11}. rechnen wir mit dieser Technik, um eine Basistechnologie für die Bestimmung der Anregung und Kopplung zwischen lichtemittern und resonanten Hohlräume werden.

Die SPMF in periodische Systeme wird hier informiert. Für eine periodische plasmonische System wo Bloch-ähnliche SPPs erzeugt werden können, als direkte Anregung und Emission, die durch die Erregung Wirkungsgrad η und spontane Emission Rate Γ_Rgekennzeichnet sind, können die Emittenten von eingehenden SPPs begeistert sein und über ausgehende SPPs zerfallen. Das heißt, werden unter Resonanzanregung, eingehende SPPs generiert, um starke plasmonische Felder erstellen, die die Emittenten zu energetisieren. Sobald der Strahler begeistert sind, kann Energie aus ihnen auf ausgehende SPPs, die anschließend Strahlungs-, Fernfeld abführen, was zu verstärkten Ausstoß übertragen werden. Sie definieren SPMF. Für einfache zwei-Ebenen-Strahler bezieht sich die Erregung auf den erhöhten Übergang der Elektronen aus dem Boden um die angeregten Zustände während die Emission den Zerfall der Elektronen zurück in die Staaten von Boden, begleitet von Photonenemission bei definierten Wellenlängen definiert durch die Energiedifferenz zwischen den Staaten aufgeregten und Boden. Die Anregung und Emission Bedingungen für die SPMF sind erforderlich, um die bekannten Phase matching Gleichung, die eingehende und ausgehende SPPs⁹ begeistern zu erfüllen

(1)

wo ε_ein und ε_m sind die dielektrische Konstanten der Dielektrika und das Metall, θ und φ sind die einfallenden und azimutale Winkel P ist die Periode des Arrays, λ ist die Wellenlänge Erregung oder Emission und m und n sind die ganzen Zahlen die Reihenfolge der Angabe SPPs. Für Anregung, in der Ebene Wavevector des Laserstrahls werden Bragg in Schwung-Match mit den eingehenden SPPs zerstreut und θ und φ zusammen definieren die angegebene Vorfall Konfiguration für spannende SPPs zur Verbesserung der elektronischen Absorption bei der Erregung Wellenlänge λ_ab. Ebenso für die Emission werden die ausgehende SPPs umgekehrt Bragg verstreut um die Lichtlinie entsprechen und die Winkel jetzt die Kanäle möglich Emission bei der Emission Wellenlänge λ_Em. Allerdings ist anzumerken, dass wie die Emittenten ihre Energie an vektorielle verbreitende SPPs mit koppeln können , hat die gleiche Größe aber verschiedene Richtungen der SPPs können über verschiedene Kombination von (m, n), Fernfeld folgenden GL. (1) zerfallen.

Mithilfe der Gleichung Tarifmodell und zeitliche gekoppelten Modus Theorie (CMT), wir finden, dass die Erregung Rate Γ_ex, d. h. die Energie-Übertragungsrate von SPPs, Strahler, ausgedrückt werden kann, als^9,12,13

(2)

η die genannten direkten Anregung Rate in Ermangelung der eingehenden SPPs, Γ_Tot ist die totale Zerfallsrate von eingehenden SPPs in dem Γ_abs und Γ_rad die ohmschen Absorption und radiative Decay Rate der SPPs, sind und  ist die Photolumineszenz-Leistungs-Verhältnis mit und ohne eingehende SPPs. Auf der anderen Seite kann die Kupplung Satz Γ_c, d. h. die Energie Übertragungsrate vom Emitter zum SPPs, als geschrieben werden:

(3)

wo Γ_R die direkte Emissionsrate ist ist die Photolumineszenz-Leistungs-Verhältnis zwischen dem α^th SPP vermittelte Zerfall und direkte Anschlüsse und Γ_rad^α und Γ_Tot sind die radiative Decay-Preise für den α-^th -Port und die Preise insgesamt Verfall. Wir werden sehen, dass während der SPP-Verfall-Preise von Reflektivität Spektroskopie gemessen werden können, die Emission-Leistungs-Verhältnis durch Photolumineszenz-Spektroskopie bestimmt werden kann. Details der Formulierungen finden Sie unter Referenz^9,10.