Détermination de l’Excitation et le couplage des taux entre émetteurs de lumière et de la Surface plasmons Polaritons

Plasmon de surface médiée par fluorescence (SPMF) a reçu beaucoup d’attention récemment^1,2,3,4,5,6. Lorsque les émetteurs de lumière sont placées à proximité d’un système plasmonique, énergie peut être transférée entre les émetteurs et les polaritons de surface plasmon (SPPs). En général, les forts champs plasmoniques peuvent augmenter fortement l’excitation des émetteurs². Dans le même temps, le taux d’émission est également augmenté en raison des densité d’États grands créés par RCR, produisant le célèbre Purcell effet³. Ces deux processus travaillent main dans la main en produisant le SPMF. SPMF a suscité de nombreuses applications dans l’éclairage à semi-conducteurs^1,4,⁵et⁶de bio-detection, la récolte l’énergie il est présentement sous enquête intensive. En particulier, la connaissance des taux de transfert énergétique de la RCR aux émetteurs et vice versa, par exemple, l’excitation et le taux de couplage est d’une grande importance. Toutefois, les processus d’excitation et d’émission sont généralement enchevêtrés ensemble, étude sur cet aspect fait encore défaut. Par exemple, la plupart des études seulement de déterminer le taux de rendement d’excitation, qui compare tout simplement l’émission avec ou sans RCR⁷. La mesure exacte du taux d’excitation est toujours porté disparue. En revanche, classiques résolution temporelle techniques telles que la spectroscopie de fluorescence lifetime sont couramment utilisés pour étudier la dynamique du processus d’émission, mais on ne peut séparer le taux de couplage de la désintégration totale tarifaire⁸. Nous décrivons ici comment on peut les déterminer en combinant le modèle d’équation de taux et le mode de couplage temporel théorie^9,10. Fait remarquable, nous trouvons que l’excitation et le taux de couplage peuvent être exprimées en termes de quantités mesurables, qui est accessible en effectuant la polarisation-résolue en angle et réflectivité et spectroscopie de photoluminescence. Nous avons tout d’abord décrira la formulation et puis décrire l’instrumentation en détail. Cette approche est tout à fait fréquentiel et il ne nécessite aucun accessoire résolue dans le temps comme les lasers ultra rapides et le temps-corrélé monophotonique compteurs qui sont coûteux et parfois difficile à mettre en œuvre^{8, 11}. nous prévoyons que cette technique pour être une technologie habilitante pour déterminer l’excitation et le couplage des taux entre émetteurs de lumière et de cavités résonnantes.

Le SPMF en systèmes périodiques est informé ici. Pour un système plasmonique périodique où Bloch-comme un RCR peut être généré, autre que l’excitation directe et l’émission, qui se caractérisent par l’excitation l’efficacité η et le taux d’émission spontanée, Γ_r, les émetteurs peuvent être excitées par RCR entrant et la carie par RCR sortant. En d’autres termes, sous l’excitation de la résonance, SPPs entrants sont générés pour créer de puissants champs plasmoniques que dynamiser les émetteurs. Une fois que les émetteurs sont excités, énergie d’eux peut être transféré à SPPs sortants, qui par la suite radiativement dissipent à champ lointain, donnant lieu à l’émission accrue. Ils définissent SPMF. Pour les émetteurs de deux niveaux simples, l’excitation renvoie à la transition accrue d’électrons entre le sol et les états excités alors que l’émission définit la désintégration des électrons vers les États fondamentaux, accompagnées d’une émission de photon aux longueurs d’onde définie par la différence d’énergie entre les états excités et de masse. Les conditions d’excitation et d’émission pour le SPMF sont nécessaires pour atteindre la phase connue correspondant à équation pour exciter les entrants et sortants SPPs⁹

(1)

où ε_un et ε_m sont les constantes diélectriques des diélectriques et le métal, θ et φ sont les angles incidents et azimutales, P est la période du tableau, λ est la longueur d’onde d’excitation et d’émission, et m et n sont des entiers spécifiant l’ordre de RCR. Pour l’excitation, le wavevector dans le plan du faisceau laser sera Bragg dispersés aux match momentum avec le RCR entrant et le θ et φ ensemble définissent la configuration spécifiée incidente pour excitant la RCR pour améliorer l’absorption électronique à la excitation d’onde λ_ex. De même, pour l’émission, le RCR sortant sera inversement Bragg dispersés pour correspondre avec la ligne claire et les angles représentent maintenant les canaux d’émission possible à l’émission d’onde λ_em. Toutefois, il est à noter que comme les émetteurs peuvent accrocher leur énergie à vectoriels SPPs multiplication avec qui a la même grandeur mais des directions différentes, la RCR peut se désintégrer par l’intermédiaire de diverses combinaisons de (m, n) à l’équation suivante champ lointain (1).

En utilisant le modèle d’équation de taux et de la théorie des modes couplés temporelle (CMT), nous trouver que l’excitation taux Γ_ex, c’est-à-dire, le taux de transfert d’énergie de RCR aux émetteurs, peut être exprimée en^9,12,13

(2)

où η est le taux susmentionnés excitation directe en l’absence de la RCR entrants, Γ_tot est le taux de désintégration totale de la RCR entrant dans lequel Γ_abs et Γ_rad sont l’absorption ohmique et taux de désexcitation radiative de RCR, et  est le ratio de puissance de photoluminescence avec et sans les SPPs entrants. En revanche, le couplage taux Γ_c, c’est-à-dire, le taux de transfert d’énergie des émetteurs à un RCR, peut être écrite comme :

(3)

où Γ_r est le taux d’émissions directes, est le ratio de puissance de photoluminescence entre α^th SPP médiée par désintégration et ports directe et Γ_rad^α et Γ_tot sont les tarifs de désexcitation radiative pour le port de^th α et le taux de décomposition totale. Nous allons voir que, alors que tous les taux de décroissance de PSP peuvent être mesurées par spectroscopie de réflectivité, le facteur de puissance d’émission peut être déterminé par spectroscopie de photoluminescence. Détails des formulations peuvent être trouvés dans référence^9,10.