Wir demonstrieren eine mit Nanodrähten versehene Stufenindexfaser für die Lichtführung zu plasmonischen Spitzen mittels eines neuartigen Kopplungsschemas. Wir regen Kurzstrecken-Plasmonen über verlustarme Hybridmoden an, die sich im Nanodraht-Abschnitt ausbreiten und am Scheitel der Spitze fokussiert werden. Die Drahtlänge kann um Größenordnungen länger sein als die Dämpfungslänge von Kurzstrecken-Plasmonen, was die Anforderungen an die Fertigung deutlich reduziert.

Von Alessandro Tuniz // Stefan Weidlich // Markus A. Schmidt

Oberflächenplasmon-Polaritonen (Surface Plasmon Polaritons, SPPs) ermöglichen die Geräteminiaturisierung durch Sub-Wellenlängen-Feldbegrenzungen und die Intensitätsverbesserung um eine Größenordnung, z.B. mittels dünnen Metall-Nanospitzen (~10 nm Scheitel) für die optische Rasternahfeldmikroskopie. Obwohl es praktisch ist, Spitzen auf Glasfasern zu integrieren, gibt es bisher nur wenige Berichte: Die hintergrundfreie Übertragung auf Faser-Nanospitzen wird durch Phase Matching, Mode Matching bzw. Sub-Wellenlängen-Wellenleiterausrichtung erschwert.

In [1] stellen wir eine faserbasierte Nanosonde für die effiziente End-Fire-Anregung von Kurzstrecken-SPPs auf einer metallischen Nanospitze vor und demonstrieren sie experimentell. Das monolithische Bauelement (siehe Abb. 1a) besteht aus drei Abschnitten. Der erste ist eine zylindrische Silica-Stufenindexfaser mit einem GeO2-dotierten Kern (Radius 2 μm, Dotierungsgrad 9 Gew.-%) und einer zentralen Nanobohrung von 550 nm. Der zweite Abschnitt enthält einen Gold-Nanodraht in der Mitte der Stufenindexfaser. Der dritte Abschnitt ist die eigentliche Gold-Nanospitze mit einem Scheitel von ~10 nm (siehe Abb. 1a, Einschub).

Die Herstellung der Elemente beginnt mit der druckunterstützten Schmelzfüllung einer Faser mit Nanobohrung. Wir lokalisieren den Beginn des Nanodrahts im Inneren der Faser und verwenden fokussiertes Ionenstrahlfräsen, um einen Schnitt auf dem äußeren Mantel zu erzeugen. Durch eine Spaltung an dieser Stelle erhalten wir einen integrierten Gold-Nanodraht der Länge 10-100 µm im Inneren des Faserkerns. Eine Gold-Nanospitze mit Sub-Wellenlängen-Dimensionen, die aus der Faser herausragt, bildet sich auf natürliche Weise.

Das Schema in Abbildung 1b veranschaulicht die Funktionsweise des Aufbaus: Der radial polarisierte (RP) Input (grün) regt zwei RP-Moden im goldgefüllten Bereich an – die dielektrische TM01-Mode (Energie meist im Dielektrikum, blau) und das plasmonische SR-SPP (Energie meist in der Nähe der Goldoberfläche, rot). Da die SR-SPP-Mode nach wenigen µm abklingt, „überlebt“ nur die 01-Mode und regt über ihre Ausläufer im Metall die SR-Plasmonik-Mode am Faserende an, die dann auf die Spitze fokussiert wird. Die hybride Natur des Dielektrikums entspannt die Fertigungsanforderungen und erlaubt funktionelle Aufbauten mit Nanodrahtlängen mit bis zu Hunderten von Mikrometern. Für einen zylindrisch polarisierten Input zeigen Finite-Elemente-Berechnungen (siehe Abb. 2), dass immer eine donutförmige Mode übertragen wird, aber dass nur eine RP-Mode eine Akkumulation von Energie am Scheitel der Nanospitze induziert (siehe Abb. 2a), während ein azimutal polarisierter (AP) Input keine Akkumulation von Energie an der Spitze induziert.

Die experimentelle Charakterisierung beruht auf der Einkopplung von breitbandigem (500-750 nm) Licht (entweder AP oder RP) in den leeren Teil des Aufbaus. Das seitlich gestreute (senkrecht zur Faserachse) Licht wird auf eine CCD-Kamera abgebildet mit der Möglichkeit, lineare Polarisatoren (LPs) und einen Farbfilter (λ=650 nm) einzusetzen. Bei einem RP-Input zeigt das seitlich gestreute Licht einen hellen Fleck an der Faserendfläche, welcher von der Länge des Nanodrahtes unbeeinflusst ist (siehe Abb. 3a), vorausgesetzt, dass entlang des Nanodrahtes keine Lücken entstehen [2], zur Unterstützung des Hybridmoden-unterstützten Anregungsschemas. Zusätzlich streut die Faser am meisten, wenn der Input radial polarisiert ist (siehe Abb. 3b) und am wenigsten, wenn er azimutal polarisiert (AP) ist. Dieses Verhalten ist in Übereinstimmung mit den Erwartungen. Schließlich konnte gezeigt werden, dass das Licht am Scheitel axial polarisiert ist (siehe Abb. 3c), wie bei SPP-Fokussierung erwartet. Dies deutet darauf hin, dass das Streulicht aus der SPP-Mode stammt und Nanospitzen mit Scheiteldimensionen unterhalb von 10 nm erreicht.

Zusammenfassend haben wir experimentell eine monolithische, breitbandige, faserbasierte Nanosonde zur Sub-Wellenlängen-Nahfeldbegrenzung am Scheitel einer Nanospitze implementiert. Diese arbeitet mittels Modenkopplung zwischen einer RP dielektrisch-mäßigen Mode und einem SR-SPP auf einem Gold-Nanodraht, wobei Sub-Wellenlängen-Strahlung zum und vom Scheitel einer Nanospitze läuft. Im Sammelmodus kann Licht auch aus der plasmonischen Mode in den dielektrischen Kern einkoppeln. Dieser Aufbau wird Anwendung in der Nahfeldmikroskopie und Nanophotonik finden und könnte im Vergleich zu aktuellen SNOM-Spitzen eine deutlich verbesserte Auflösung bieten.

Gefördert von: Humboldt-Stiftung