Anisotropic propagation of Surface Plasmon Polaritons: study and exploitations

Sinusoidally patterned metallic surfaces, known as plasmonic gratings, constitute one of the principal structures which allow to achieve the coupling between an incident light beam and a Surface Plasmon Polariton mode. A variety of phenomena are available when the grating is rotated of an azimuthal angle with respect to the incidence plane. Aim of this work is a comprehensive investigation of the propagation properties of the surface mode under this configuration, correlating the role of the anisotropy introduced by the grating to the position and shape of the plasmonic resonance dip in the reflectance spectra. Analytical models and physical interpretations are provided; both experimental and computational means are exploited in order to validate the models, including the observation of innovative effects. Thin-film coupled modes, the Long Range and Short Range Surface Plasmon Polaritons, are studied and experimentally observed in the azimuthally rotated configuration. Special attention is paid to the role of the plasmon radiative losses, due to the scattering by the grating. Their dependence on the grating amplitude and the plasmon propagation direction is unraveled, and correlated to the width of the observed plasmonic resonances. The outcomes of these analyses lead to the evaluation of the sensitivity and Figure of Merit achievable when the considered configurations are exploited in the framework of Surface Plasmon Resonance sensing. The developed concepts and methods are proved to be valuable tools to predict and understand the response of actual plasmonic structures applied as sensing devices against gaseous analytes. Experimental tests of the plasmonic platforms as TNT, hydrogen and aromatic compounds sensors are reported, giving promising results. A particularly remarkable experiment is the combined exploitation of Long Range modes and azimuthally rotated configuration to sensibly enhance the performance of a xylene sensor

Superfici metalliche con modulazione sinusoidale, note come grating plasmonici, costituiscono una delle principali strutture che permettono di ottenere l’accoppiamento tra un fascio di luce incidente e un Plasmone Polaritone di Superficie. Una varietà di fenomeni sono accessibili quando il grating viene ruotato di un angolo azimutale rispetto al piano di incidenza. Scopo di questo lavoro è uno studio approfondito delle proprietà di propagazione del modo di superficie in questa configurazione, correlando il ruolo dell’anisotropia introdotta dal grating con la posizione e forma del dip di risonanza plasmonica negli spettri in riflettanza. Vengono presentati modelli analitici e interpretazioni fisiche; metodi sia sperimentali che computazionali vengono impiegati per validare i modelli, includendo l’osservazione di nuovi effetti. I modi accoppiati di film sottile, ovvero i Plasmoni Long Range e Short Range, vengono studiati e osservati sperimentalmente nella configurazione ad azimuth ruotato. Una particolare attenzione è dedicata al ruolo delle perdite radiative del plasmone, dovute allo scattering da parte del grating. La loro dipendenza dall’ampiezza del grating e dalla direzione di propagazione del plasmone è spiegata, e correlata con la larghezza delle risonanze plasmoniche osservabili. I risultati di queste analisi conducono alla valutazione delle sensibilità e Figura di Merito che si possono ottenere quando le configurazioni considerate sono sfruttate nell’ambito della sensoristica a Risonanza Plasmonica di Superficie. I concetti e metodi sviluppati si dimostrano strumenti di valore per predire e interpretare la risposta di strutture plasmoniche reali, applicate come dispositivi di sensing verso analiti allo stato gassoso. Le piattaforme plasmoniche vengono testate come sensori per TNT, idrogeno e composti aromatici, con risultati promettenti. Un esperimento particolarmente interessante è l’uso combinato dei modi Long Range e della configurazione ad azimuth ruotato per incrementare notevolmente le performance di un sensore di xylene