Dielektrische Wellenleitergitter in Resonanz
Theorie, Charakterisierung und Anwendung
All-dielectric Resonant Waveguide Gratings
Theory, Characterization and Application
by André Selle
Date of Examination:2008-11-19
Date of issue:2009-06-08
Advisor:Prof. Dr. Gerd Marowsky
Referee:Prof. Dr. Gerd Marowsky
Referee:Prof. Dr. Werner Lauterborn
Persistent Address:
http://dx.doi.org/10.53846/goediss-2822
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Description:Dissertation
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Abstract
English
The combination of a planar waveguide and a one-dimensional diffraction grating allows to couple polarized monochromatic light under a given incident angle into and totally out of the all-dielectric compound structure. This optical property of a so-called dielectric waveguide-grating is ascribed to an electromagnetic resonance that exhibits three significant and remarkable features: A nearly complete suppression of the incident light in transmission geometry; a simultaneous increase of the reflectivity to almost 100 %; an emergence of strongly enhanced but rapidly decaying (evanescent) waves at the boundary interfaces of the waveguide layer.To understand the resonance of waveguide-gratings, substrates with a prestructured grating profile are coated with high refractive index waveguide materials. Subsequently, the anufactured waveguide-grating samples are characterized by laser light of different wavelengths. In order to analyze the resonance behavior, the spectrum as well as angular distribution of the transmitted and reflected light is detected and all of the experimental results are compared with numerical calculations. In addition to the samples with a purely passive structure, a specific porous waveguide material with a temperature-dependent refractive index allows a spectral shift of the resonance simply by changing the temperature of the sample.Furthermore, to determine the field enhancement near the waveguide interfaces, fluorescent dye molecules are applied on the surface of a waveguide-grating and are stimulated with an ultra-short pulse laser. Due to two-photon absorption processes of the dye molecules fluorescent light from the surface is emitted. Under resonance condition, a fluorescence enhancement by over two orders of magnitudes compared to a non-resonant excitation is observed. The resonant fluorescence excitation is still possible with a detection limit of only ten dye molecules on a square micrometer. As a result, one is able to successfully measure the enhanced fluorescence light of a labeled human self-peptide in an aqueous environment. This strongly suggests the waveguide-grating as an enhancement sensor platform in biotechnology.
Keywords: Resonant waveguide grating; double grating waveguide structure; evanescent field enhancement; fluorescence; electromagnetic resonance
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Die strukturelle Verknüpfung eines planaren Wellenleiters mit einem dielektrischen Beugungsgitter ermöglicht es, polarisiertes monochromatisches Licht unter einem bestimmten Winkel in die Verbundstruktur ein- und vollständig wieder auszukoppeln. Diese Eigenschaft sog. dielektrischer Wellenleitergitter wird als elektromagnetische Resonanz verstanden und besitzt drei wesentliche Merkmale: Nahezu vollständige Unterdrückung des Anregungslichts in Transmission; gleichzeitiger Anstieg der Reflektivität auf annähernd 100 %; Auftreten stark erhöhter, aber schnell abklingender (evaneszenter) Felder an der Oberfläche des Wellenleiters.Um die Resonanz von Wellenleitergittern besser zu verstehen, werden vorstrukturierte Substrate mit optisch hoch-brechenden Materialien beschichtet und anschließend mittels Laserlicht verschiedener Wellenlängen charakterisiert. Das Resonanzverhalten der gefertigten Proben wird dabei in Transmission und Reflexion sowohl spektral als auch winkelabhängig untersucht und mit Berechnungen auf der Grundlage analytischer und numerischer Methoden verglichen. Zusätzlich zu den Proben mit rein passivem Verhalten wird mithilfe eines porösen Wellenleiters ein neuer Freiheitsgrad erzeugt, der es erlaubt, den Brechungsindex der Schicht und damit die Resonanz durch bloße Änderung der Temperatur zu verschieben.Um die unter Resonanzbedingungen auftretende Felderhöhung zu bestimmen, werden Markerfarbstoffe auf der Oberfläche der Wellenleitergitter aufgebracht und mithilfe eines Ultrakurzpuls-Lasers durch Zwei-Photonen-Absorptionsprozesse zur Emission von Licht (Fluoreszenz) angeregt. Dabei werden Verstärkungen der Fluoreszenz von deutlich über zwei Größenordnungen gegenüber nicht-resonanter Anregung beobachtet; wobei ein Nachweis noch bei zehn Farbstoffmolekülen auf einem Quadratmikrometer möglich ist. Den Abschluss der Untersuchungen stellt die Fluoreszenzlichtdetektion einer körperverwandten Aminosäuresequenz in nativer Umgebung dar. Die daraus resultierenden Ergebnisse unterstreichen das Anw endungspotential der Wellenleitergitter als Sensorplattform für die Biochemie.
Schlagwörter: Wellenleitergitter; Doppel-Gitter-Wellenleiter-Struktur; evaneszente Felderhöhung; Fluoreszenz; elektromagnetische Resonanz