Villafañe, Viviana D. (2013) Optomecánica en cavidades con modos plasmónicos de TAMM. / Optomechanics in Tamm plasmon cavities. Maestría en Ciencias Físicas, Universidad Nacional de Cuyo, Instituto Balseiro.
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| PDF (Tesis) Español 2381Kb |
Resumen en español
Recientemente se ha demostrado la existencia de modos ópticos confinados en la interface entre un reflector distribuido de Bragg (DBR) de la familia de materiales GaAs/AlAs y un metal: las cavidades plasmónicas de Tamm. Estas cavidades diseñadas para confinar fotones son también óptimas para confinar fonones acústicos en el rango de los sub-THz. En esta tesis se aprovechará el fuerte acoplamiento entre los modos ópticos y vibracionales en estas cavidades para estudiar la modulación de las propiedades ópticas del modo óptico confinado y los efectos optomecánicos no lineales que allí suceden. Se considerarán cavidades con confinamiento unidimensional y tridimensional de los campos fotónicos y fonónicos, y se acoplarán los modos Tamm ópticos con un ensamble de puntos cuánticos de InGaAs. En primer lugar, hemos dado una descripción de las componentes que conforman las cavidades Tamm plasmónicas y hemos discutido las propiedades acústicas y ópticas tanto de las componentes por separado como del conjunto total de elementos. Posteriormente, resumimos las nociones teóricas involucradas en los fenómenos físicos de generación y de detección de fonones acústicos coherentes longitudinales con la técnica de acústica de picosegundos. En segundo lugar, hemos realizado experimentos de fotoluminiscencia sobre las cavidades con confinamiento unidimensional y tridimensional. En el caso de la cavidad Tamm plasmónica convencional, vimos que a temperatura ambiente existe una leve superposición energética entre el modo Tamm plasmónico y los puntos cuánticos de InGaAs y que la eficiencia del acoplamiento aumenta a temperatura de nitrógeno líquido. En el caso de la cavidad Tamm plasmónica cubierta con microdiscos de Au, los espectros de fotoluminiscencia revelaron el confinamiento adicional de la luz en el plano de las interfaces. Estudiando la energía de confinamiento en función de los radios de los microdiscos de Au, hemos obtenido la masa del plasmón de Tamm. En tercer lugar, nos hemos concentrado en los experimentos de acústica de picosegundos realizados a temperatura ambiente y de nitrógeno líquido sobre la cavidad Tamm plasmónica con confinamiento unidimensional de los campos eléctrico y de desplazamiento. Encontramos que la contribución electrónica a la señal temporal da cuenta del cambio de signo de ΔR/R al pasar por el mínimo de la curva de reflectividad. Luego, analizamos una traza temporal sin su contribución electrónica y explicamos el comportamiento de la intensidad de las oscilaciones durante los primeros 500ps del experimento siguiendo la evolución temporal de la curva de reflectividad óptica de la muestra. Hemos identificado en los experimentos de pump/probe dos clases de vibraciones diferentes: Tamm y propagantes. Mediante la realización de simulaciones numéricas analizamos el origen de la función generación y de la función detección para cada uno de los modos vibracionales, y concluimos que si bien la mayor parte de la señal acústica proviene de la superred que conforma la cavidad Tamm plasmónica, los puntos cuánticos de InGaAs realizan un aporte signicativo en la generación y detección de los modos vibracionales confinados. Para ambos casos, temperatura ambiente y de nitrógeno líquido, vimos que es posible amplificar la respuesta vibracional de la muestra mediante la elección de la energía óptica de exitación respecto del modo Tamm plasmónico. Además, medimos los factores de calidad óptico y acústico para ambas temperaturas, y encontramos que el factor de calidad acústico aumenta considerablemente al disminuir la temperatura. Por último, calculamos las constantes de acoplamiento optomecánico para cada una de las vibraciones de la cavidad. Observamos que los efectos de modulación de las propiedades ópticas en las cavidades son provocados en esencia por el mecanismo fotoel ástico, y que los modos no confinados son más eficientes para convertir información óptica en información mecánica. También encontramos que la constante optomecánica del mecanismo fotoelástico crece cuando el strain de los modos vibracionales sobre los puntos cuánticos de InGaAs es más grande.
Resumen en inglés
Recently, the existence of optical confined modes at the interface of a distributed Bragg reflector and a metal has been proven. These cavities with Tamm plasmons that are designed to confine photons are also capable of confining acoustic phonons with sub- THz frequencies. In this thesis we will take advantage of the strong coupling between the optical and vibrational modes to study the modulation of the optical properties of the confined photonic state and the non-linear optomechanics effects that occur in Tamm plasmonic cavities. We will work with cavities that confine the photonic and phononic fields in two and three dimensions and couple the optical Tamm plasmon mode with a uniform layer of InGaAs quantum dots. Firstly, we have given a description of the components of the Tamm plasmonic cavities and we have discussed the optical and acoustic properties that they have. We also discussed the theory of generation and detection of acoustic coherent phonons using pump/probe techniques. Secondly, we performed photoluminescence experiments on the Tamm cavities with two and three dimensional connement of the electric and displacement fields. We found that the coupling effciency is increased when the temperature of the system is lowered. In the case of the cavity with three dimensional connement, the photoluminescence spectra reveals the additional connement of the electric eld. By studying the connement energy as a function of the size of the gold microdisks that form the cavity, we obtained the Tamm plasmon mass. Thirdly, we worked on pump/probe experiments on the conventional Tamm plasmonic cavity. We performed measurements at room temperature and at liquid nitrogen temperature. We found that the electronic contribution to the temporal signal follows the change of sign of ΔR/R at the energy of the optical confined mode. Then, we analyzed a temporal signal without the termo-electronic contribution and explained its behaviour. We paid special interest in the rst 500ps of the experiment, in which the response function of the probe is modulated by the temporal evolution of the Tamm plasmon optical mode. Furthermore, we have identified two kinds of different vibrations, Tamm and propagating modes, and performed numerical simulations to analyze the origin of the generation and detection function for both types of vibrations. We concluded that most part of the signal comes from the Bragg reflector of the plasmon cavity, although the quantum dots make a signicant contribution to the generation and detection of confined modes. For both room temperature and liquid nitrogen temperature, we amplified the vibrational response of the sample by choosing adequately the optical energy of exitation respect to the energy of the photonic conned state. Moreover, we measured the optical and acoustic quality factors for both temperatures, and found that the acoustic quality factor increases considerably when the temperature of the system is lowered. Finally, we calculated the optomechanical constants for each of the vibrational modes of the Tamm plasmon cavity. We observed that the modulation effects of the optical properties are caused mainly by the photoelastic effect, and that non-confined modes are more efficient than the confined ones translating optical information into mechanical information. Also, we found that the optomechanic constant given by the photoelastic effect increases when the strain applied by the vibrations on the quantum dots increases.
| Tipo de objeto: | Tesis (Maestría en Ciencias Físicas) |
|---|---|
| Palabras Clave: | [Optomechanics; Optomecánica; Tamm plasmon; Plasmón de Tamm; Optical cavities; Cavidades ópticas] |
| Referencias: | [1] World Internet Users Statistics Usage and World Population Stats[en línea]. Miniwatts Marketing Group. Actualizado 03 Nov. 2013. <http://www.internetworldstats.com/stats.htm>. 1 [2] IBM. IBM zEnterprise EC12 Technical Guide[en línea]. International Business Machines Corporation 2013. Actualizado Feb. 2013. <http://www.redbooks.ibm.com/redbooks/pdfs/sg248049.pdf>1 [3] C. Höhberger Metzger and K. Karrai Cavity cooling of a microlever. Nature, 432, 1002, 2004. 2 [4] T. Carmon, H. Rokhsari, L. Yang, T. J. Kippenberg, and K. J. Vahala. Temporal Behavior of Radiation-Pressure-Induced Vibrations of an Optical Microcavity Phonon Mode. Phys. Rev. Letters, 94, 223902, 2005. 2 [5] O. Arcizet, P.-F. Cohadon, T. Briant, M. Pinard and A. Heidmann. Radiationpressure cooling and optomechanical instability of a micromirror. Nature, 444, 71, 2006. 2 [6] J. D. Thompson, B. M. Zwickl, A. M. Jayich, F. Marquardt, S. M. Girvin and J. G. E. Harris. 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| Materias: | Física > Óptica |
| Divisiones: | Gcia. de área de Investigación y aplicaciones no nucleares > Gcia. de Física > Materia condensada > Laboratorio de fotónica y optoelectrónica |
| Código ID: | 445 |
| Depositado Por: | Marisa G. Velazco Aldao |
| Depositado En: | 05 Jun 2014 10:15 |
| Última Modificación: | 05 Jun 2014 14:51 |
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