Anregung, Propagation, Interferenz, Photoemission : Oberflächenplasmonpolaritonen in zeitaufgelöster Photoelektronenemissionsmikroskopie unter senkrechtem Lichteinfall
Die vorliegende Arbeit beinhaltet Untersuchungen von Oberflächenplasmonpolaritonen. Dabei
handelt es sich um quantisierte Oszillationen der Elektronendichte an Metalloberflächen, die
sich in Form elektromagnetischer Wellen entlang der Oberflächen fortbewegen. Zur Beobachtung
dieserWellen wird die Methode der zeitaufgelösten Photoemissionselektronenmikroskopie
in senkrechter Lichteinfallsgeometrie verwendet. Mit Hilfe ultra-kurzer Laserpulse, die senkrecht
zur Oberfläche einfallen, werden Oberflächenplasmonen zuerst an Gittern alsWellenpakete
angeregt. Ihr Zustand, wie zum Beispiel ihre Schwerpunktsposition oder ihre Intensitätsverteilung,
wird von absichtlich zeitverzögert ankommenden Laserpulsen abgefragt. Durch die Überlagerung
der elektrischen Felder der Laserpulse und der Plasmonenpakete kommt es zur nichtlinearen
Photoemission von Elektronen aus dem Metall. Diese Elektronen werden vom elektromagnetischen
Linsensystem eines Elektronenmikroskops auf eine Vielkanalplatte gelenkt.
Die Anregung von SPPs an Gittern in Abhängigkeit der Polarisation der anregenden Laserpulse
und der Anzahl der Gitterstriche wird untersucht und dabei werden die Polarisationsabhängigkeit
der abfragenden Laserpulse für den Photoemissionskontrast der SPP-Pakete und die Verbreiterung
des SPP-Signals im PEEM durch die Abfrage behandelt. Es wird gezeigt, dass die
longitudinale Komponente des elektrischen Feldes der Plasmonen maßgeblich für den Photoelektronenkontrast
verantwortlich ist. Bei der Beobachtung der Propagation von Oberflächenplasmonpolaritonen
werden Gruppen- und Phasengeschwindigkeiten bestimmt, derenWerte nahe
der Lichtgeschwindigkeit liegen. Auch kann die Bildung einer transienten, stehenden Welle
zwischen entgegengesetzt propagierenden Plasmonenpaketen, sowie die Interferenz orthogonaler
Plasmonen beobachtet werden. Ein weiteres Experiment zeigt eine “plasmonische Strahlteilung”
und eine Reflexion von SPPs um 90 in der Ebene.
Mittels speziell strukturierter Gitter, zum Beispiel in Form von Halb- und Vollkreisen, werden
Oberflächenplasmonen fokussiert und erreichen dabei bis zu dem Vierfachen ihrer Feldstärken.
Dadurch können Elektronen ohne Anwesenheit eines externen elektrischen Feldes genügend
Energiequanten aus dem plasmonischen Feld aufnehmen, um die Energiebarriere zum Vakuum
zu überwinden. In den Spektren der sogenannten “plasmo-emittierten” Elektronen findet man
Emissionsplateaus deren Abstand Vielfache der gequantelten Plasmonenenergie entsprechen,
konkret dem Drei-, Vier- und Fünffachen.
Des Weiteren werden sogenannte kurzreichweitige Plasmonen in dünnen plasmonischen Materialien
untersucht. IhreWellenlänge beträgt nur einem Bruchteil derWellenlänge der anregenden
Laserpulse und sie propagieren mit wesentlich kleineren Phasen- und Gruppengeschwindigkeiten
von nur etwa einem Fünftel der Lichtgeschwindigkeit. An Kreisstrukturen wird eine Fokussierung
der kurzreichweitigen Plasmonen auf ein Siebtel der Laserpuls-Wellenlänge erreicht.
Als kleiner Ausblick wird die Spin-Bahn-Wechselwirkung der kurzreichweitigen Plasmonen an
spiralförmigen Strukturen untersucht.
This work contains investigations on surface plasmon polaritons. These are quantized oscillations
of the electron density inside a metal, which propagate in form of electromagnetic waves
across its surface. The observations are made by time-resolved photoemission electron microscopy
in a normal incidend light geometry. Using ultra short laser pulses, which impinge normal
to the surface, surface plasmon wave packages are excited at gratings. Their state, e.g., the center
position or their intensity distribution, is then probed by intentionally delayed arriving laser pulses.
The superposition of the electric fields of the laser pulses and the plasmon packages enables
non-linear photoemission of electrons from the metal. The emitted electrons are then deflected
by the electromagnetic lens system of an electron mircoscope onto a multichannel plate.
The excitation of surface plasmons at gratings is invesitagated regarding the dependence of the
exciting laser pulse polarisation and number of grating slits. The polarisation dependence of the
proping laser pulse and the broadening effect of the probing of the SPP-related PEEM signal is
determined. It is shown that mainly the longitudinal component of the electric field is responsible
for the photoelectron contrast.
The observations of propagating surface plasmon polaritons are used to determine the group and
phase velocities of these waves, which are close to the speed of light.
The formation of a transient standing wave between counter-propagating plasmon packages and
the interference of perpendicular propagating plasmons are observed as well. Another experiment
demonstrates “plasmonic beam splitting“ and a reflection of SPPs by 90 in the surface
plane.
Using particulary designed gratings in form of half and full circles, focussing of surface plasmons
with field ampflifications by a factor of up to four can be achieved. In these cases, even
without the presence of an external electric field electrons can absorb sufficient energy quanta
from the plasmonic field to overcome the vacuum energy barrier for emission. The energetic
spectrum of the ”plasmo-emitted“ electrons shows plateaus separated by multiples of the quantized
plasmon energy, specifically multiples of three, four and five.
Further, so-called short range plasmons in thin plasmonic materials are invesitagated. Their wavelength
is only a fraction of the exciting laser light wavelength and they propagate with significantly
smaller phase and group velocities of only about a fifth of the speed of light. Focussing
short range plasmons down to a seventh of the laserpulse wavelength is accomplished at circular
structures.
As a perspective, the spin orbit coupling of short range plasmons at spiral-like structures is invesitagated.
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