Design and Fabrication of Nanostructures for Plasmonic Focusing

Plasmonic structures have known an increasing interest in the realization of miniaturized devices for light manipulation at subwavelenght scales. New plasmonic phenomena like extraordinary transmission of light and adiabatic nanofocusing opened up to a wide range of promising applications, from biosensing to spectroscopy and imaging. This work is aimed to the design and fabrication of plasmonic nanostructures for plasmon concentration. Two main configurations are proposed, both of them proved to support Surface Plasmon Polaritons (SPP) resonances and allowing light concentration. 1D metallic gratings allow the extraordinary transmission of light and SPP concentration inside subwavelenght slits, while tapered metallic waveguides, thanks to the adiabatic compression of a travelling SPP wave, allow the formation of high intense electromagnetic field hot spots in nanometric volumes (well below the diffraction limit) on the tip of the waveguide. A complete study of the problem, based on a chain process consisting of simulation-nanofabrication-characterization provides an exhaustive investigation into the physics of surface plasmon confinement and its innovative and original applications for Raman spectroscopy, biosensing and subwavelength energy confinement. Different optical setups are proposed and investigated both theoretically and experimentally, from far field measures to near field detection schemes, even with the use of novel input sources, like light possessing orbital angular momentum.

Le strutture plasmoniche hanno conosciuto di recente un aumento di interesse per quanto riguarda la realizzazione di dispositivi per la manipolazione della luce su scale di dimensioni inferiori alla lunghezza d’onda. Una nuova serie di fenomeni plasmonici, come la trasmissione straordinaria della luce o il nanofocusing adiabatico ha dato il via allo sviluppo di una vasta serie di applicazioni promettenti, dal biosensing alla spettroscopia e all’imaging. Lo scopo di questo lavoro è il design e fabbricazione di nanostrutture plasmoniche per la concentrazione plasmonica. In particolare sono proposte due principali configurazioni, le quali entrambe hanno dimostrato di supportare risonanze plasmoniche e consentire la concentrazione della luce. Reticoli metallici 1D danno luogo al fenomeno della trasmissione straordinaria della luce e la conseguente concentrazione della radiazione elettromagnetica dentro fenditure di dimensioni inferiori alla lunghezza d’onda, mentre guide d’onda appuntite, grazie alla compressione adiabatica di un’onda plasmonica propagante, consentono la formazione di hot-spots di campo elettromagnetico in regioni nanometriche ( ben al di sotto del limite di diffrazione). Uno studio completo del problema presentato in questo lavoro, basato su un processo a catena simulazione-fabbricazione-caratterizzazione, fornisce una esaustiva investigazione della fisica del confinamento plasmonico e consente originali applicazioni nella spettroscpia Raman, biosensing e confinamento energetico in dimensioni inferiori alla lunghezza d’onda. Diversi setup ottici sono proposti e investigati sia dal punto di vista teorico che sperimentale come misure far-field e sistemi di rivelazione near-field, anche con l’uso di innovative sorgenti di luce, come la luce dotata di momento angolare orbitale.