journal-opt - abstr79-87

https://doi.org/10.15407/iopt.2019.54.079

Optoelectron. Semicond. Tech. 54, 79-87 (2019)

I. Z. Indutnyi, V. I. Mynko, M. V. Sopinskyy, K. V. Svezhentsova

Plasmon-stimulated polarization conversion on diffraction gratings with different spatial frequencies

Experimental study of plasmon-stimulated polarization conversion on diffraction gratings with different spatial frequency 1/d, as well as different depth of modulation h/d (the λ/d ratio varied from 0,7 to 1,9 and h/d ratio from 0,01 to 0,25) was carried out. Gratings with sinusoidal groove’s profile were formed on the films of vacuum chalcogenide photoresists using interference lithography and covered with Au film. The geometric parameters of the obtained gratings were determined using an atomic force microscopy. Polarization conversion of incident light was studied by measuring the angular dependences of the specular reflection of linearly p-polarized monochromatic radiation of He-Ne laser with λ = 632,8 nm. The variation range of the incidence angle of the light beam on the sample was 2–80 °, the range of variation of the azimuth angle (the angle between the inverse vector of the grating and the projection of the wave vector of radiation to the sample surface) was 0–90°. Both non-converted R_pp and converted R_ps components were registered. It was found that for low-frequency gratings with a period which is longer than the wavelength and also for gratings with an intermediate frequency (the grating period is somewhat less than the wavelength), the maximum conversion value is reached at an azimuth value of about 45° and is determined by the depth of modulation. For such gratings, there are two extremums of reflections corresponding to two branches of plasmon-polaritons excitation. But for high-frequency gratings, for which the ratio of wavelength to period is close to 2 and surface plasmon-polaritons are excited at large angles of incidence, the conversion is an order of magnitude smaller than the corresponding values for lower-frequency gratings. Thus, not only the parameter h/d (as was shown earlier) but also the λ/d parameter is essential parameter that determines the maximum achievable values of the effect of plasmon-stimulated polarization conversion.

Keywords: surface plasmon-polaritons, polarization conversion, metal diffraction gratings, conical diffraction, interference lithography, chalcogenide photoresists.

PDF

3-Indutnyy.pdf

References

1. Wood R.W. On a remarkable case of uneven distribution of light in a diffraction grating Phil. Mag. 1902. 4, № 21. P. 396-402.

https://doi.org/10.1080/14786440209462857

2. Fano U. The theory of anomalous diffraction gratings and of quasi-stationary waves on metallic surfaces (Sommerfeld's waves). J. Opt. Soc. Am. 1941. 31, № 3. P. 213-222.

https://doi.org/10.1364/JOSA.31.000213

3. Raether H. Surface plasmons on smooth and rough surfaces and on gratings. (Springer Verlag, Berlin, 1988), Introduction.

https://doi.org/10.1007/BFb0048317

4. Maier S. Plasmonics: Fundamentals and applications (Springer, 2007).

https://doi.org/10.1007/0-387-37825-1

5. Pipino A.C.R., Schatz G.C. Surface-profile dependence of photon-plasmon-polariton coupling at a corrugated silver surface. J. Opt. Soc. Am. B. 1994.11, № 10. P. 2036-2045.

https://doi.org/10.1364/JOSAB.11.002036

6. Hibbins A.P., Sambles J.R., Lawrence C.R. Azimuth-angle-dependent reflectivity data from metallic gratings. J. Mod. Opt. 1998. 45, №. 5. P. 1019-1028.

https://doi.org/10.1080/09500349808230894

7. Dmitruk N.L., Litovchenko V.G., Strizhevskij V.L. Poverhnostnye polyaritony v poluprovodnikah i dielektrikah. Kiev: Naukova dumka, 1989. 376 s. (in Russian)

8. Inagaki T., Motosuga M., Yamamori K., Arakawa E.T. Photoacoustic study of plasmon resonance absorption in a diffraction grating. Phys. Rev. B. 1983. 28, №. 4. P. 1740-1744.

https://doi.org/10.1103/PhysRevB.28.1740

9. Bryan-Brown G.P., Sambles J.R., Hutley M.C. Polarisation conversion through the excitation of surface plasmon on a metallic grating. J.Mod. Opt. 1990. 37, №7. P.1227-1232.

https://doi.org/10.1080/09500349014551301

10. Watts R.A., Sambles J.R. Polarization conversion from blazed diffraction gratings. J. Mod. Opt. 1997. 44, № 6. P. 1231-1241.

https://doi.org/10.1080/09500349708230732

11. Elston S.J., Bryan-Brown G.P., Sambles J.R. Polarization conversion from diffraction gratings. Phys. Rev. B. 1991. 44, № 12. P. 6393-6400.

https://doi.org/10.1103/PhysRevB.44.6393

12. Elston S.J., Bryan-Brown G.P., Preist T.W., Sambles J.R. Surface-resonance polarization conversion mediated by broken surface symmetry. Phys. Rev. B. 1991. 44, № 7. P. 3483-3485.

https://doi.org/10.1103/PhysRevB.44.3483

13. Hooper I.R., Sambles J.R. Broadband polarization-converting mirror for the visible region of the spectrum. Opt. Lett. 2002. 27, № 24. 2152-2154.

https://doi.org/10.1364/OL.27.002152

14. Hallam B.T., Lawrence C.R., Hooper I.R., Sambles J.R. Broad-band polarization conversion from a finite periodic structure in the microwave regime. Appl. Phys. Lett. 2004. 84, № 6. P. 849-851.

https://doi.org/10.1063/1.1645661

15. Passilly N., Ventola K., Karvinen P., Laakkonen P., Turunen J., Tervo J. Polarization conversion in conical diffraction by metallic and dielectric subwavelength gratings. Appl. Opt. 2007. 46, № 20. P. 4258-4265.

https://doi.org/10.1364/AO.46.004258

16. Romanato F., Hong L.K., Kang H.K., Wong C.C., Yun Z., Knoll W. Azimuthal dispersion and energy mode condensation of grating-coupled surface plasmon polaritons. Phys. Rev. B. 2008. 77, № 24. 245435.

https://doi.org/10.1103/PhysRevB.77.245435

17. Gazzola E., Brigo L., Zacco G., Zilio P., Ruffato G., Brusatin G., Romanato F. Coupled SPP modes on 1D plasmonic gratings in conical mounting. Plasmonics. 2014. 9, № 4. P. 867-876.

https://doi.org/10.1007/s11468-013-9624-9

18. Dan'ko V., Indutnyi I., Min'ko V., Shepelyavyi P. Interference photolithography with the use of resists on the basis of chalcogenide glassy semiconductors. Optoelectron. Instrument. Proc. 2010. 46, № 5. P. 483-490.

https://doi.org/10.3103/S8756699011050116

19. Dan'ko V., Dmitruk M., Indutnyi I., Mamykin S., Min'ko V., Lukaniuk M., Shepelyavyi P., Lytvyn P. Fabrication of periodic plasmonic structures using interference lithography and chalcogenide photoresist. Nanoscale Res. Lett. 2015. 10. Pap. 497.

https://doi.org/10.1186/s11671-015-1203-x

20. Johnson P.B. and Christy R.W. Optical constants of the noble metals. Phys. Rev. B. 1972. 6, № 12. P. 4370-4379.

https://doi.org/10.1103/PhysRevB.6.4370

21. Bryan-Brown G.P., Elston S.J., Sambles J.R. Polarization conversion through the excitation of electromagnetic modes on a grating. Proc. SPIE. 1991. 1545. P. 167-178.

https://doi.org/10.1117/12.49414

І. З. Індутний, В. І. Минько, М. В. Сопінський, К. В. Свєженцова

ПЛАЗМОН-СТИМУЛЬОВАНА КОНВЕРСІЯ ПОЛЯРИЗАЦІЇ НА ДИФРАКЦІЙНИХ ГРАТКАХ З РІЗНОЮ ПРОСТОРОВОЮ ЧАСТОТОЮ

Проведено експериментальне дослідження плазмон-стимульованої конверсії поляризації на дифракційних гратках різної просторової частоти, а також різної глибини модуляції. Гратки із синусоїдальним профілем штрихів формувалися на плівках вакуумних халькогенідних фоторезистів за допомогою інтерференційної літографії та покривались плівкою золота. Ефект конверсії поляризації вивчався шляхом вимірювання кутових залежностей дзеркального відбивання лінійно поляризованого монохроматичного випромінювання He-Ne- лазера. Встановлено, що для низькочастотних граток з періодом, більшим за довжину хвилі, а також граток з проміжною частотою (період гратки дещо менший за довжину хвилі), максимальне значення конверсії досягається при значенні азимутального кута біля 45° і визначається глибиною модуляції. Для таких граток спостерігаються два екстремуми відбивання, які відповідають двом гілкам збудження плазмон-поляритонів. Але для високочастотних граток, для яких відношення довжини хвилі до періоду близьке до двійки і поверхневі плазмон-поляритони збуджуються при великих кутах падіння, величина конверсії на порядок менша, ніж відповідні величини для більш низькочастотних граток.

Ключові слова: поверхневі плазмон-поляритони, конверсія поляризації, металеві дифракційні гратки, конічна дифракція, інтерференційна літографія, халькогенідні фоторезисти.

Back / Повернутися