Polarisationsoptische Eigenschaften nanostrukturierter Metallfilme

Abstract

Im Rahmen dieser Arbeit werden die optischen Eigenschaften dünner nanostrukturierter Metallfilme untersucht. Die dafür verwendeten Goldfilme weisen ein Lochmuster ähnlich eines quadratischen Gitters mit einer Periodizität zwischen 250 nm und 400 nm auf. Es zeigt sich, dass bei den hier verwendeten Filmen mit Schichtdicken kleiner als 20 nm die Transmission durch den an sich semitransparenten Goldfilm aufgrund der Anregung von Oberflächenplasmonen unterdrückt wird. Zudem zeigen diese nanostrukturierten Filme eine starke räumliche Dispersion. Die Auswirkungen dieser Eigenschaft wurden mittels Müller-Matrix-Ellipsometrie untersucht. Durch die Darstellung der Müller-Matrix-Elemente in Polarkoordinaten wird deutlich, dass die nanostrukturierten Goldfilme bei der Wechselwirkung mit Licht unter schrägem Einfall die verschiedenen Polarisationszustände des einfallenden Lichts in einer komplexen Art und Weise mischen. Dieses Mischen der Polarisationszustände ist ein Hinweis auf eine strukturabhängige Drehung des Polarisationszustandes und hat Ähnlichkeit mit optischer Aktivität. Allerdings tritt dieser Effekt im Gegensatz zur optischen Aktivität von chiralen Molekülen erst bei Einfallswinkeln größer 20° deutlich in Erscheinung und ist somit nicht mit klassischer optischer Aktivität und deren Ursache zu vergleichen. Ursache für die Polarisationsdrehung bei quadratischen Lochmustern ist die räumliche Dispersion, genauer gesagt, die für hochsymmetrische Strukturen vorhergesagte quadratische Abhängigkeit der dielektrischen Funktion vom Wellenvektor.

Within this work the optical properties of nanostructured metal films are investigated. Goldfilms with a thickness smaller than 20 nm are perforated with an array of subwavelength holes with a periodicity between 250 nm and 400 nm. It can be observed that the transmission through the in itself semitransparent film is suppressed due to the excitation of surface plasmons. Additionally, these so called subwavelength hole arrays show a strong spatial dispersion. The effects of this property are investigated by Müller matrix ellipsometry. A visualization of the individual elements in polar coordinates shows a strong mixing of the different polarization states of the incident light upon interaction with the subwavelength hole array at oblique incidence. This mixing gives a clear hint to structure induced polarization rotation which is similar to optical activity. However, this effect can only be observed at angles of incidence larger than 20° whereas natural optical activity known for chiral molecules is defined for normal incidence. Reason for the polarization rotation of subwavelength hole arrays is the strong spatial dispersion or, more exactly, the square dependence of the dielectric function on the wavevector.