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Near-Field Optics of Localized Surface Plasmons

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2 1 NEARFIELD OPTICS 1.2 Limits of conventional optical microscopyLet us consider an optical microscope which is used to image a pinhole of diameter a illuminated intransmission by a plane waveofwavelength . When a  the light from the pinhole is collectedat a low diraction angle . When a decreases  increases, up to lling the whole half-space ofthe detector for a = . For a<the angle is not allowed to increase further and the microscopewill not be able to dierentiate the hole size, just stating it to be smaller than  /2. This isbecause we are dealing with a wavevector component parallel to the screen !k k whose modulusis increased to a value larger than 2= in air. Therefore, the corresponding waveisevanescent,i.e. no solution for propagation of the wave is possible. Hence, no more information is reachingthe microscope detector, as it stays conned at the sample object NF and does not propagate faraway. This strongly inuences the resolution limit of fareld (FF) optical microscopy, as it isshown in the following detailed mathematical discussion.Foramonochromatic light plane wave exciting a sample whose optical NF has to be imaged, theamplitude of the exciting electric eld is much greater than that of the exciting magnetic eld,in the well known ratio !E = !B  c, with c speed of light. Moreover, when the sample is notferromagnetic as it is the case for e.g. gold structures (i.e. magnetic permeability sample=0 asfor vacuum and/or air) this low magnetic eld does not give rise to any signicant eect in thesample. In fact, even if electric currents of the gold free electrons could in principle arise due tothe coils that can be ideally traced inside the sample, its electromagnetic behavior in response tothe light excitation is largely dominated by the electric eld, i.e. by the electric polarization ofthe gold structures. Furthermore, on the side of detection, in NF optical microscopy performed incollection with a bare dielectric tip (as it is the case for our instrument, see Section 1.4) also theprobe is not sensitive to the magnetic eld of the sample. Indeed, glass is not magnetic (tip=0)and has no free charge carriers, such that no current can be induced inside it by any externalmagnetic eld. For the same reason the electric polarization of the tip is also limited comparedto that of a metallic sample, and the electric eld around the latter is in rst approximation thesame as if the tip was not there. This is the reason why results obtained with uncoated glass bertips can be reproduced by so-called non-global theories, only taking into account the sample eldand neglecting the tip, dierently from metal coated tips [23]. Therefore, the intensity I of thecollected light is generally associated to the square modulus of the electric eld:I / !E 2 (1.1)On the other hand, as a general result the electric eld of a wave !E (!r ) at a position !r k =(x; y)in a plane z = const: such that !r =(!r k;z) can be expressed by means of a Fourier integral as:!E (!r )= 12 Z f!E (!k k;z) ei!k k!r k d!k k (1.2)where k =2=0n is the modulus of the wavevector !k , with 0 wavelength of light in vacuumand n refractive index of the considered medium, and !k k =(kx;ky). f!E (!k k;z) is called
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Near-Field Optics of Localized Surface Plasmons

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Informazioni tesi

  Autore: Marco Salerno
  Tipo: Tesi di Dottorato
Dottorato in Doktor der Naturwissenschaften
Anno: 2002
Docente/Relatore: Joachim Krenn
Correlatore: AlfredLeitnerFranzAussenegg
Istituito da: Karl-Franzens Universität
Dipartimento: Institut fuer Experimentalphysik - Nano-optics
  Lingua: Inglese

FAQ

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