Tunable and multiwavelength superlenses for infrared-optical subwavelength imaging

Li, Peining; von Plessen, Gero; Taubner, Thomas Günter

doi:34797

Tunable and multiwavelength superlenses for infrared-optical subwavelength imaging = Durchstimmbare und Mehrwellenlängen- Superlinsen für infrarot-optische Abbildungen unterhalb des Beugungslimits

Li, Peining

2016

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Master of Science Peining Li

ImpressumAachen 2016

Umfang1 Online-Ressource (x, 138 Seiten) : Illustrationen

Dissertation, RWTH Aachen, 2016

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Taubner, Thomas Günter (Thesis advisor) ; von Plessen, Gero (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2016-04-13

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-rwth-2016-034630
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/573405/files/573405.pdf
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/573405/files/573405.pdf?subformat=pdfa

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Physik (frei) ; nano optics (frei) ; near-field optics (frei) ; superlens (frei) ; subwavelength imaging (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530

Kurzfassung
Neue optische Abbildungskonzepte, wie etwa die Perfekte Linse, die Superlinse oder die Hyperlinse, bieten das große Potential, räumliche Auflösungen unterhalb des Beugungslimits zu realisieren. Ein Großteil der Errungenschaften konzentriert sich dabei jedoch auf den sichtbaren Spektralbereich. Das Ziel dieser Arbeit ist es neue Konzepte für eine infrarote Superlinse zu entwickeln, um so zukünftige Anwendungen in der Infrarot-Mikroskopie und -Spektroskopie zu ermöglichen.Grundlegend habe ich zuerst die elementaren Abbildungs-Mechanismen einer infraroten Siliziumkarbid (SiC) Superlinse experimentell untersucht. Hierzu wurde die Dispersions-Relation einer 500 nm dicken SiC Superlinse vermessen, indem die an der Oberfläche auftretenden Surface Phonon Polariton (SPhP) Moden im Realraum abgebildet wurden. Die experimentell bestimmte Dispersions-Relation zeigt deutlich, dass der so genannte Superlinsen-Effekt (die Abbildung unterhalb des Beugungslimits mit einer Superlinse) aus der evaneszenten Feldverstärkung durch Oberflächen Polaritonen Moden resultiert. Des weiteren konnte in demselben Experiment eine räumliche Auflösung von bis zu λ/30 realisiert werden. Dieser Wert bedeutet eine Verbesserung um einen Faktor Zwei im Vergleich zu vorherigen Superlinsen Experimenten.Ich konnte in einem zweiten Schritt auch dielektrische Objekte durch eine Superlinse mit einer räumlichen Auflösung von λ/18 abbilden. Dieses Ergebnis stellt einen signifikanten experimentellen Fortschritt dar, da in bisher allen Veröffentlich-ungen zur Superlinse nur metallische oder stark reflektierende Objekte, mit einem deutlich stärkeren Materialkontrast abgebildet wurden. Außerdem zeigen die gewonnen spektroskopischen Bild-Daten, dass eine Identifizierung verschiedener Materialeigenschaften mit Hilfe der Superlinse möglich ist. Dies ist der erste experimentelle Beweis dafür, dass Superlinsen für infrarote spektroskopische Anwendungen, oder für die Detektion unterschiedlicher Brechungsindizes im Infraroten genutzt werden können.Die SiC Superlinse ist jedoch durch ihren sehr enge spektrale Bandbreite nicht für einen breiten Anwendungsbereich einsetzbar. Um diese Beschränkung zu überwinden, habe ich zwei neue Konzepte für infraroten Superlinsen vorgeschlagen. Die erste Idee besteht in einer Multi-Wellenlängen Superlinse, die durch die Verwendung von mehreren polaren Dielektrika realisiert werden kann. Die präsentierten numerischen Untersuchungen haben gezeigt, dass ein Superlinsen-Effekt bei mehrere Wellenlängen realisiert werden kann, wenn die Anzahl an Phonon-resonanten dielektrischen Schichten in einem Mehrschicht-Superlinsen-System erhöht wird. Mit anderen Worten, auch Objekte, die kleiner als die verwendete Wellenlänge sind, können bei vielen verschiedenen Wellenlängen unter Verwendung nur einer Linse abgebildet werden. In Anbetracht der Vielfalt an polaren Dielektrika, kann die vorgeschlagene Superlinse, durch Auswahl eines passenden Materials, einen Spektralbereich vom Infraroten bis hin zum Terahertz-Bereich abdecken.Zusätzlich habe ich das Konzept einer Wellenlängen-abstimmbaren Graphen Superlinse, die bei mehreren Wellenlängen funktioniert, entworfen. Diese neue Graphen Superlinse ermöglicht aufgrund ihrer nicht-resonanten Verstärkung von evaneszenten Feldern neue vielversprechende Eigenschaften: Eine intrinsisch große Bandbreite, sowie geringe Einflüsse durch optische Verluste bei gleichzeitig guter räumlicher Auflösung unterhalb der Wellenlänge von etwa λ/7 im Zweischicht-Fall und über λ/10 für Multi-Schicht-Systeme. Von fundamentaler Bedeutung ist, dass die Arbeits-Wellenlänge der Graphen Superlinse elektrisch eingestellt werden kann über die dynamisch steuerbare Leitfähigkeit von Graphen. Dieser große Einstellbereich der Graphen Superlinse ermöglicht es einen äußerst breiten Bereich des infraroten Spektralbereichs abzudecken. Ich konnte experimentell mein theoretisches Konzept beweisen, indem ich zeigen konnte, dass eine Monolage Graphen als Linse eine siebenfache Verstärkung von evaneszenten Informationen, gegenüber der konventionellen infraroten Nahfeldmikroskopie an vergrabenen Strukturen in einer Tiefe von 500 nm bei einer räumlichen Auflösung von λ/11 bietet.Außerdem habe ich die Nahfeld-Abbildung durch ein natürlich hyperbolisches Material, hexagonales Bor Nitrid (hBN), untersucht. Ich konnte zeigen, dass ein dünnes flaches hBN-Plättchen Wellenlängen-abhängige Multifunktions Abbildungsoperationen ermöglicht. Es war sowohl möglich durch den Superlinsen-Effekt einzelne Objekte mit einer räumlichen Auflösung von bis zu λ/32 aufzulösen, als auch ein vergrößertes Abbild des Umrisses der einzelnen Objekte zu erzeugen. Beide Funktionalitäten lassen sich auf die räumlich eingeschränkten hyperbolischen Phononen Polaritonen zurückführen, die äußerst gerichtet in hBN propagieren.

Recently, new metamaterial-based imaging concepts, such as a perfect lens, a superlens and a hyperlens, offer great possibilities to realize sub-diffraction-limited optical imaging. However, most of these achievements have focused on the visible wavelength range. This thesis aims to develop new designs of infrared superlenses that could be used for future infrared microscopy and spectroscopy.First, I have provided an experimental study of the basic imaging mechanism of an infrared silicon carbide (SiC) superlens. I have determined the dispersion relation of a 500-nm-thick SiC superlens through real-space optical imaging of the launched surface phonon polariton modes. The experimentally determined dispersion relation clearly reveals that the so-called `superlensing' effect (subdiffractive imaging using the superlens) originates from the evanescent-field enhancement enabled by the surface polariton modes. Moreover, an imaging resolution of down to λ/30 (λ, the free-space wavelength) has been achieved in the same experiment. This resolution is about two times better than that reported in previous superlens experiments.Second, I have achieved the superlensing of dielectric objects with a resolution of about λ/18. It is a significant experimental advance, because so far all reported superlens experiments are based on the imaging of metallic or strongly reflective objects that usually exhibit much stronger contrasts. Additionally, the obtained spectroscopic imaging results have also revealed that the superlensing can identify the material properties of the imaged objects. This is the first demonstration that the superlens can be used for infrared index-sensing and spectroscopic applications. However, the SiC superlens is not suitable for broadband applications owing to a very narrow wavelength bandwidth. In order to overcome this limitation, I have proposed two new designs of infrared superlenses. The first idea is a multiwavelength superlens consisting of multiple polar dielectrics. The presented numerical investigations have demonstrated that the superlensing at multiple wavelengths can be achieved by increasing the number of phonon resonant dielectrics in the proposed multilayered superlens system. In other words, a subwavelength object can be imaged at many different wavelengths by just one single lens. Considering the abundance of polar dielectrics, the proposed multi-wavelength superlens can cover a wavelength range from infrared to terahertz (THz) by choosing suitable materials.The second idea is a wavelength-tunable graphene lens that can work at different wavelengths. This graphene lens due to its non-resonant enhancement of evanescent fields yields new promising properties including broad intrinsic bandwidth and low influence by the optical losses, together with a still good subwavelength resolution of around λ/7 for a two-layer case and over λ/10 for the multilayered configuration. Most importantly, the working wavelength of the graphene lens can be electrically tuned via the dynamical tuning of the graphene conductivity. This large tunability allows it to cover a broad infrared wavelength range. As a proof of this theory concept, I have experimentally demonstrated that a monolayer-graphene lens offers a 7-fold enhancement of evanescent information, improving conventional infrared near-field microscopy to resolve buried structures at a 500-nm depth with λ/11-resolution.Moreover, I have also investigated the near-field optical imaging through a natural hyperbolic material, hexagonal boron nitride (hBN). I have demonstrated that a thin, flat hBN slab exhibits wavelength-dependent multifunctional imaging operations, offering both the superlensing of single objects with down to λ/32 resolution, as well as enabling an enlarged imaging of the outline of the object. Both imaging functionalities can be explained based on the volume-confined hyperbolic phonon polaritons propagating highly directional in hBN.The results presented in the thesis would be useful for the development of superlens-based super-resolution infrared microscopy and spectroscopy. In particular, combing the (graphene) superlens with a conventional near-field optical microscope could have the great potential for subsurface imaging of buried subwavelength-sized objects.

OpenAccess:
PDF PDF (PDFA)
(additional files)