Nanojets

 

Aufgabenstellung

Ein einzelner auf einer Goldschicht mit UKP-Lasereinzelpulsen induzierter Nanojet. Urheberrecht: Lehrstuhl für Lasertechnik LLT Ein einzelner auf einer Goldschicht mit UKP-Lasereinzelpulsen induzierter Nanojet.

Die Verstärkung von evaneszenten Nahfeldern durch den Einsatz von optischen Antennen wird bspw. in der optischen Rasternahfeld Mikroskopie (s-SNOM) und in der Fourier-Transformierte-Infrarot-Spekroskopie (SEIRA) ausgenutzt. SEIRA ist ein optisches Messverfahren zur Detektion der für ein Molekül charakteristischen Absorptionsbanden. Um Signale von einzelnen Molekülen beziehungsweise Molekülen in geringer Konzentration, wie zum Beispiel in Dünnfilmen detektieren zu können muss das von diesen Molekülen ins Fernfeld rückgestreute Licht verstärkt werden. Mit Hilfe des s-SNOM Messverfahrens können die chemischen und strukturellen Eigenschaften einer Probe mit einer Sensitivität von unter 20-nm optisch aufgelöst werden, was fundamental für analytische Applikationen in der Biologie und der Chemie ist.

 

Vorgehensweise

Ultrakurze Laserpulse werden mittels eines Mikroskop-Objektivs auf 30 nm dünne Goldfilme fokussiert. Durch die großen Intensitäten, welche aufgrund der kurzen Pulsdauer von 100 fs schon bei Pulsenergien von einigen 10 nJ erzielt werden, wird ein ultraschnelles Aufschmelzen des Goldfilmes über seine gesamte Dicke induziert. Die Dynamik der Schmelze führt zu einem Materialtransport (Jet) aus der Mitte des bestrahlten Bereichs in die Höhe. Aufgrund der sehr kleinen eingebrachten Energiemenge erstarrt der Goldjet noch in der Aufwärtsbewegung und bildet eine stabile Antenne.

 

Ergebnis

Nanojets als optische Antennen z.B. für SEIRA oder s-SNOM Anwendungen können mit einem Durchmesser von weniger als 100 nm hergestellt werden. Durch geeignete Wahl der Fokussierung, der Pulsenergie und der Goldfilmdicke kann die Größe der Nanoantennen sehr genau kontrolliert werden. Dadurch ist eine Anpassung bspw. auf die charakteristischen Absorptionsbanden bestimmter Moleküle beim SEIRA möglich.

 

Anwendungsfelder

Nanojets als optische Antennen können in allen analytischen Bereichen der Chemie, der Biologie oder des Maschinenbaus eingesetzt werden. Die Verstärkung evaneszenter Nahfelder ermöglicht optische Detektion mit einer räumlichen Auflösung im Bereich von einigen 10 nm und die Detektion kleinster Konzentrationen bis hin zu einzelnen Molekülen.

 

Aktuelle Publikationen

M. Reininghaus, 2015: Nanophotonic applications of fs-laser radiation induced nanostructures and their theoretical description

M. Reininghaus, 2013: Fabrication and spectral tuning of standing gold infrared antennas using single fs-laser pulses

D. Wortmann, 2012: Experimental and theoretical investigation on fs-laser-induced nanostructure formation on thin gold films