Optické periodické planární struktury s povrchovým tvarováním polymerové vrstvy

Abstract

Disertační práce je zaměřená na vývoj planárních optických periodických struktur aplikovatelných v informatice a senzorice.První část disertační práce se zabývá výzkumem v oblasti planárních optických periodických polymerových struktur Braggova typu (BG), vytvořených v plášti a variantně v jádře planárního optického vlnovodu. Je prezentován systematický výzkum planární vlnovodné Braggovy mřížky (PWBG) vedoucí k realizaci unikátní struktury planárního teplotního a vlhkostního senzoru s BG a difuzním vlnovodem založený na hybridním uspořádání vrstev polymeru PMMA/křemičité sklo. Dále klasické monostrukturní řešení PWBG optického planárního filtru využívajícího polymerového SU-8 hřebenový vlnovod jako širokopásmový vlnový filtr, kde je navržený vícevidový režim vlnovodu využit k razantnímu rozšíření útlumové charakteristiky BG ve filtrované vlnové oblasti optického spektra. V rámci výzkumu byl proveden analytický návrh topologických parametrů, numericky precizovaný a optimalizovaný modelováním PWBG struktur, realizace a spektrální charakterizace se zřetelem na filtrační a senzorové aplikace.V druhé části práce je systematický výzkum zaměřen na planární periodické struktury využívající povrchového plazmon-polaritonového jevu kombinovaného s lokálním plazmonem, které vyvolávají zesílení intenzity elektrického pole pro uniformní a duální zesílení odezvy v Ramanově spektru. Tento výzkum vedl k realizaci optických senzorů pro povrchem zesílený Ramanův rozptyl (SERS) na planárních pokovených polymerových periodických nanostrukturách, využitelných jako SERS senzory.V rámci této aplikace byla zkoumána citlivost senzorů na vybrané analyty a také vliv okolního prostředí a biologického působení na degradaci z pohledu funkčnosti senzorů, plošné uniformity a opakovatelnosti zesílení v čase.S cílem dalšího zvýšení a zachování uniformity zesílení byl výzkum zaměřen na návrh a realizaci inovativních pokročilých hierarchických senzorů SERS kombinujících řešení s nanopovrchy a různými typy Au a Ag nanočástic. Byl zkoumán účinek vzájemné vazby povrchového plazmon-polaritonu na optické mřížce a lokalizovaných plazmon-polaritonů vznikajících mezi nanočásticemi, jejich vzájemné interakce s mřížkou s cílem realizovat univerzální SERS senzory s extrémně vysokým zesílením.Na základě provedeného výzkumu byly navrženy, optimalizovány a následně realizovány a charakterizovány jak univerzální SERS senzory zesilující Ramanovu odezvu simultánně na dvou excitačních vlnových délkách, tak vysoce citlivé SERS senzory využívající vzájemné silné vazby povrchového plazmon-polaritonu na mřížce s lokalizovaným plazmon-polaritonem na metalických nanočásticích pro zesílení na jedné excitační vlnové délce Ramanova spektra. Kombinací uniformního zesílení povrchovými plazmony optické nanomřížky a lokalizovanými plazmony na nanočástic typu nanohvězda bylo dosaženo unikátního vysoce citlivého SERS senzoru se zesílením řádu 10E11, vysokou uniformitou a reprodukovatelností SERS odezvy.

The dissertation thesis is focused on the development of planar optical periodic structures applicable in the fields of informatics and sensorics.The first part of the thesis deals with research in the field of planar optical periodic polymer structures of the Bragg type (BG), formed in the cover and optionally in the core layer of the planar optical waveguide. Systematic research of planar waveguide Bragg grating (PWBG) leading to the realization of unique planar temperature and humidity sensor with BG and diffused waveguide based on hybrid arrangement of PMMA / silica glass layer is presented. Furthermore, classical PWBG optical planar filter using SU-8 ridge waveguide as a broadband waveguide filter, where the proposed multi-mode waveguide mode is used to dramatically extend the rejection band of the optical spectrum in the attenuation characteristic of BG was presented as well. The analytical design of topological parameters, numerical optimization by modeling of PWBG structures, implementation, and spectral characterization of the fabricated samples with respect to filter and sensor applications was carried out.In the second part of the thesis, systematic research is focused on planar periodic structures using the surface plasmon-polariton phenomenon possibly combined with local plasmon to induce an increase in the electric field intensity for uniform and dual wavelength amplification of the Raman spectrum response.The research led to the fabrication of optical sensors for surface enhanced Raman scattering (SERS) on surface metallized polymeric periodic nanostructures usable as SERS sensors. Within this application, the sensitivity of sensors to selected analytes and the influence of environmental and biological effects on degradation in terms of sensor functionality, uniformity and repeatability of amplification over time were investigated.To further strengthen and to maintain the enhancement uniformity, research has focused on designing and implementing innovative advanced SERS hierarchical sensors combining nanosurfaces with nanoparticles and different types of Au and Ag nanoparticles. The influence of surface plasmon-polariton interactions on the optical grating and localized plasmon-polaritons emerging between nanoparticles and their interaction with the grating in order to fabricate universal SERS sensors with extremely high gain was investigated.Based on the research, both universal SERS sensors enhancing Raman response simultaneously at two excitation wavelengths and highly sensitive SERS sensors utilizing strong coupling of surface plasmon-polaritons with localized plasmon-polaritons on metallic nanoparticles at one excitation wavelength of the Raman spectrum were designed, optimized and subsequently fabricated and characterized. By combining uniform amplification of surface plasmon on the optical nanograting and localized plasmons on nanourchins, a unique highly sensitive SERS sensor with extremely high measured gain enhancement in the order of 1011, uniformity and reproducibility of the SERS response was achieved.