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Bibliographic Metadata

Title
Design and fundamentals of optical nanoantennas for high intensity enhancement or high directivity / von M.Sc. Andre Hildebrandt ; [Promotionskommission: Vorsitzender: Prof. Dr. Cedrik Meier, Erstgutachter: Prof. Dr. Jens Förstner, Zweitgutachter: Prof. Dr. Torsten Meier]
AuthorHildebrandt, Andre
ParticipantsMeier, Cedrik ; Förstner, Jens ; Meier, Torsten ; Harald, Herrmann
PublishedPaderborn, 2017
Edition
Elektronische Ressource
Description1 Online-Ressource (171 Seiten) : Diagramme
Institutional NoteUniversität Paderborn, Univ., Dissertation, 2017
Annotation
Tag der Verteidigung: 08.03.2017
Defended on2017-03-08
LanguageEnglish
Document TypesDissertation (PhD)
URNurn:nbn:de:hbz:466:2-28060 
DOI10.17619/UNIPB/1-61 
Files
Design and fundamentals of optical nanoantennas for high intensity enhancement or high directivity [20.22 mb]
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Reference
Classification
Abstract (German)

In dieser Arbeit geht es um das Design und die Eigenschaften verschiedener Antennen im optischen Frequenzbereich. Relevante Größen wie z.B. die Intensitätsverstärkung oder die Richtcharakteristik werden dabei durch verschiedene semi-analytische und numerische Methoden simuliert und mittels automatischer Optimieralgorithmen optimiert, was u.U. zu komplett neuartigen oder nicht intuitiven Strukturen führen kann. Im wesentlichen gibt es zwei verschiedene Antennentypen: Empfangende Antennen, die die Energie von ebenen Wellen auf einen sehr kleinen Bereich fokussieren, und sendende Antennen, die aus einer Dipolquelle eine gewünschte Abstrahlung generieren, meistens möglichst in eine Richtung.Zuerst werden bereits existierende, empfangende Antennen, die sich durch eine hohe Feldverstärkung in einem sehr kleinen Bereich auszeichnen, als Start einer Optimierung betrachtet. Hier wird gezeigt, dass manche Geometrien in Gittern Resonanzen besitzen, die auf kollektive Gittermoden zurückgeführt werden können. Dadurch wird nicht nur die Feldverstärkung drastisch erhöht, sondern diese Moden sind auch langlebiger, sodass mehr Energie aus der ebenen Welle verwendet werden kann. Danach wird eine freie Optimierung diskutiert, mit dem Ergebnis einer neuen Struktur, deren Leistung nochmals deutlich besser ist, als vergleichbare existierende Antennen. Anschließend werden sendende Antennen behandelt, die sich durch eine hohe Richtcharakteristik auszeichnen sollen. In dieser Arbeit wird aufgezeigt, dass Antennen durch geeignete, dielektrische Strukturen, die einem schwach führendem Wellenleiter entsprechen, eine sehr gute Leistung zeigen. Solche Antennen sind zwar größer, zeigen aber eine deutliche Verbesserung der Richtcharakteristik und sind robust bzgl. der Fabrikationstoleranzen, was experimentell nachgewiesen wurde.

Abstract (English)

This thesis focuses on the design and characteristics of different antennas in the optical frequency range. Relevant quantities such as intensity enhancement or directive gain are calculated by several semi-analytical and numerical methods and are optimized via automatic optimization algorithms, which might lead to new or unintuitive structures. In principle there are two different antenna types: Receiving antennas, which focus the energy of plane waves on a very small area, and sending antennas, which transform the nearly isotropic emission of a dipole source into a desired radiation pattern, mainly a beam into the desired direction. First, already existing, receiving antennas, which are characterized by a high field enhancement in a very small area, are considered as the start of an optimization. It is shown here that some geometries in arrays exhibit resonances that can be traced back to collective array modes. As a result, not only the maximum intensity enhancement is drastically increased, but these modes also exhibit a higher lifetime, so that more energy from the plane wave can be used. After that a free optimization is discussed, resulting in a new structure, whose performance is significantly increased compared to already existing antennas. Subsequently, transmitting antennas, which are characterized by a high directive gain, are discussed. In this thesis it is shown that suitable, dielectric structures that correspond to a weakly guiding waveguide, show a remarkable performance. Although such antennas are larger, they show a significant improvement in the directive gain and are robust with respect to fabrication tolerances, which has been demonstrated experimentally. In addition, a dielectric antenna is proposed, which is significantly smaller than the wavelength of the emitted light, and with which various desired radiation patterns can be obtained.

License
CC-BY-License (4.0)Creative Commons Attribution 4.0 International License