Wat gebeurt er als je nieuwe samenstellingen van nanomaterialen opwekt met gestructureerd licht? Gezamenlijk onderzoek tussen Tampere University of Technology (TUT) (Finland) en University of Tübingen (Duitsland) heeft aangetoond dat zorgvuldig gestructureerd licht en bijpassende arrangementen van metalen nanostructuren (zogenaamde "plasmonische oligomeren") kunnen worden gecombineerd om de eigenschappen van de licht gegenereerd op nanometerschaal. Vooral, de teams hebben aangetoond dat de efficiëntie van niet-lineaire optische velden (bijv. tweede harmonischen) gegenereerd uit de oligomeren wordt sterk beïnvloed door hoe de bestanddelen van het oligomeer in de ruimte zijn gerangschikt en hoe deze bestanddelen worden verlicht door gestructureerd licht.

Niet-lineaire optische processen vormen de basis voor belangrijke functionaliteiten in fotonica, zoals frequentieomzetting van licht, generatie van ultrakorte lichtpulsen, evenals optische verwerking en manipulatie. Verdere vooruitgang op dit gebied zal naar verwachting worden gestimuleerd door de synthese van nieuwe nanomaterialen met aanpasbare optische eigenschappen en door nieuwe benaderingen voor het efficiënt koppelen van licht aan dergelijke nanomaterialen. Voor dat laatste doel lichtstralen met onconventionele polarisaties, zogenaamd gestructureerd licht, zullen naar verwachting cruciaal zijn.

Om dergelijke capaciteiten aan te tonen, de auteurs ontwierpen en vervaardigden assemblages van gouden nanostaafjes met goed gedefinieerde afmetingen en oriëntaties, zodat hun totale grootte overeenkomt met de grootte van een gefocusseerde laserstraal, d.w.z., ongeveer 1 micron. Om de niet-lineaire respons van dergelijke plasmonische oligomeren te onderzoeken, de auteurs gebruikten een nieuwe optische microscopietechniek, die is uitgerust met polarisatie-gestructureerde bundels. Specifieker, de auteurs gebruikten radiaal en azimutaal gepolariseerde cilindrische vectorbundels die niet-uniforme polarisatietoestanden over de dwarsdoorsnede van de bundel vertonen.

"Eerdere werken aan niet-lineaire optische effecten in plasmonische oligomeren waren gebaseerd op het gebruik van vlakke golven of gefocusseerde bundels met homogene, d.w.z., uniform, toestanden van polarisaties. Hier, we gebruikten een niet-lineaire optische microscoop uitgerust met donutvormige polarisatie-gestructureerde bundels om dergelijke oligomeren te bestuderen. We ontdekten dat de algehele efficiëntie van niet-lineaire optische effecten van deze structuren sterk wordt beïnvloed door de ruimtelijke structuur van de bundel en collectieve interacties die door het oligomeer worden ondersteund. We hopen dat ons werk de interesse in het bestuderen en manipuleren van niet-lineaire optische effecten in nieuwe nanoschaalsystemen met behulp van onconventionele excitatiebundels verder zal aanwakkeren", zegt Dr. Godofredo Bautista, postdoctoraal onderzoeker bij de Nonlinear Optics Group van het Laboratory of Photonics aan de TUT en co-corresponderende auteur van het werk.

Professor Martti Kauranen, hoofd van de Nonlinear Optics Group en Laboratory of Photonics, die het onderzoek aan de TUT begeleidde, stelt dat "Afgezien van de niet-lineaire effecten die in dit werk zijn bestudeerd, onze resultaten laten in het algemeen zien hoe belangrijk het is om de invallende optische bundel aan te passen om licht efficiënt te koppelen aan complexe nanostructuren."

Professor Monika Fleischer, hoofd van de Plasmonic Nanostructures Group aan de Universiteit van Tübingen en co-corresponderende auteur, die het onderzoek aan de Universiteit van Tübingen begeleidde, voegt toe:"Nanotechnologie biedt uiterst nauwkeurige hulpmiddelen waarmee we arrangementen van metalen nanostructuren op maat kunnen maken, ook wel optische antennes genoemd, met vooraf ontworpen eigenschappen. Op deze manier kunnen specifieke interacties met niet-conventionele laserstralen worden gericht, en de algehele signaalintensiteit kan worden gemaximaliseerd." De onderzoekers zijn van mening dat hun resultaten nuttig zullen zijn bij het ontwerp en de implementatie van nieuwe soorten optische componenten en karakteriseringstechnieken die gebruik maken van onconventionele optische velden.