励起と発光と表面プラズモンのレートを結合の定量

表面プラズモンを介した蛍光 (SPMF) は、かなり注目を集めている最近^1,2,3,4,5,6。プラズモニック システムに近接、発光素子を配置しているとき、エミッタ表面プラズモンポラリトン (Spp) とエネルギーを転送できます。一般に、強いプラズモニック フィールド強くエミッター²の励起を高めることができます。同時に、放散速度も状態になるため、大きな密度-の – Spp は、よく知られているパーセル効果³の降伏によって作成された増加します。これらの 2 つのプロセスは、SPMF の生産で手に手を動作します。ソリッドステート照明^1,45、およびバイオ検出⁶発電で多数のアプリケーションを刺激して SPMF だは現在集中的な調査の下で。特に、エネルギー転送レート、Spp エミッタと逆、すなわちとの知識励起とカップリング率は非常に重要なのです。しかし、刺激および放出プロセスは通常一緒に巻き込ま、この面での研究はまだ欠けています。たとえば、研究のほとんどは、Spp⁷と排出量を単純に比較励起効率の比率を決めるだけです。励起率の正確な測定は依然行方不明です。その一方で、従来時間分解蛍光寿命分光法などの技術は、日常的に発光過程のダイナミクスを研究するため使用が、彼らは総崩壊率⁸からカップリング率を分けることができません。ここでは、我々 はレート方程式モデルと時空間結合モード理論^9,10を組み合わせることによってそれらを決定できる方法について説明します。驚くことに、励起と結合率を測定可能な数量、角度と偏光反射率およびフォトルミネッ センス分光法を実行することによってアクセスすることができます表現できることがわかります。まず定式化の概要を説明、その後、詳細にインストルメンテーションを記述します。このアプローチは完全に周波数ドメイン ベースし、超高速レーザーと時間相関単一光子カウンターは、高価で、^8、の実装が難しい場合など時間分解付属品を必要としません。¹¹. 励起の決定と結合発光と空洞共振器間のレートの実現技術をするためにこの手法を見込んでいます。

周期系における SPMF は、ここで説明しました。直接励起と放射励起効率 η と自然放出率 Γ_rによって特徴付けられる以外、ブロッホのような Spp を生成ことができます定期的なプラズモニック システムの受信 Spp でエミッタを励起できることと発信 Spp を介して崩壊します。つまり、共鳴励起下における受信 Spp がエミッタを活性化する強力なプラズモニック フィールドを作成する生成されます。エミッタは、興奮している、強化された排出ガスを生じその後 – 遠方に放散放射活性、発信 Spp に彼らからエネルギーを移すことができます。SPMF を定義します。シンプルな 2 段エミッタの励起移行を参照増加電子の励起状態に地面から放出電子の減衰を定義します定義の波長で発光を伴う基底状態に戻るに対しによって興奮と基底状態のエネルギー差。SPMF の励起と放射条件が着信および発信の Spp⁹を励起するための方程式に一致するよく知られている段階を満たすために必要です

(1)

どこ ε_、 ε_m誘電体と金属の誘電 θ と φ は入射角および方位角 P は配列の周期、λ は波長励起及び蛍光の波長、m と n の順序を指定する整数です。Spp。励起レーザー光の平面波ブラッグ散乱着信 Spp と勢いの試合となります θ と φ 一緒に定義で電子の吸収を高めるために Spp を励振するため指定されたインシデント構成、励起波長 λ_ex。同様に、発光し、発信の Spp なります反対ブラッグ散乱光の線と一致するように、角度を表すように、発光波長 λ_em可能な発光チャンネル。しかし、それは注意がエミッタできる彼らのエネルギーと伝搬ベクトルの Spp にカップルとして同じ大きさを持っているが、別の方向に、Spp 遠方次式 (1) を (m, n) の様々 な組み合わせで崩壊します。

レート方程式モデルと時空間モード結合理論 (CMT) を使用して、我々 は、励起率 Γ_ex、すなわちエミッタに Spp からエネルギー転送レートを見つける、^9,12,13として表現することができます。

(2)

Γ_トットは着信の Spp の総減衰率 η が着信の Spp の不在で前述の直接励起率は、 Γ_absと Γ_radいるオームの吸収と放射減衰率 Spp と受信の Spp と発光力比率です。その一方で、カップリング率 Γ_cは、すなわち、エネルギー転送の速度をエミッタから Spp として記述できます。

(3)

Γ_rが直接放射率発光の電力比は、α^回SPP 媒介崩壊、直接ポート、Γ_rad^αと Γ_tot α^回ポートの放射減衰率総崩壊率。すべての SPP の減衰率は、反射率分光法による測定が可能は、フォトルミネッ センス分光法による排出量電力比を決定できますが表示されます。参照^9,10製剤の詳細を見つけることができます。