Alexander V. Podlipensky

Laser assisted modification of optical and structural properties of composite glass with silver nanoparticles

Dissertation zur Erlangung des akademischen Grades doctor rerum naturalium (Dr. rer. nat.) vorgelegt an der Mathematisch-Naturwissenschaftlich-Technischen Fakultät der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg
verteidigt am 26.04.2005

Abstract
Lineare und nichtlineare optische Eigenschaften der metallischen Nanoteilchen in Dielektrika werden durch Oberflächenplasmonenresonanz (OPR) definiert. Da die Lage der OPR sehr stark von dielektrischer Matrix, Metall, Größe, Form und Konzentration der Nanoteilchen abhängt, sind die metallnanopartikelhaltigen Materialen sehr interessant für verschiedene photonische Anwendungen. In diesem Zusammenhang hat sich das dargestellte Verfahren der Modifikation der Form und Verteilung der Nanoteilchen in Glas mit dem Laser zur Kontrolle und Optimierung der linearen und nichtlinearen optischen Eigenschaften der metallnanopartikelhaltigen Materialen bewährt.
Diese Dissertation betrachtet einige Aspekte der Wechselwirkung der fs- und ns-Laserimpulse mit Silbernanoteilchen in Glas. Sowohl die Untersuchung der laserinduzierten Modifikation der Ag-Nanoteilchen in Abhängigkeit von Laserintensität, Anregungswellenlänge, Temperatur, als auch die durchgeführten Lumineszenz- und Relaxationsdynamikexperimente brachten neue Information über die während der Anregung der OPR entstehenden Prozesse.
Laserbearbeitungsverfahren könnten breite Anwendung in der Entwicklung verschiedener 3D polarizations- und wellenlängenselektiver Mikroelemente (Polarisatoren, Filter, Gitter, RGB- und DWDM-Elemente), optischer und plasmonischer integrierter Schaltungen sowie 3D optischer Datenspeicher finden.

The linear and nonlinear optical properties of metallic nanoparticles in dielectrics are dominated by the strong surface plasmon resonances (SPR). Since spectral position and shape of these SPR can be designed within a wide spectral range throughout the visible and near infrared by choice of the metal and the dielectric matrix, or manipulation of size, shape and spatial arrangement of the metal clusters, these composite materials are very promising candidates for a great number of applications in the field of photonics. In this context, laser-based techniques to modify shape and arrangement of the metal clusters are of great interest since they provide a very powerful and flexible tool to control and optimize the linear and nonlinear optical properties of these materials.
This thesis considers some aspects of interactions of fs and ns laser pulses with silver nanoparticles incorporated in soda-lime glass. Presented hear investigations of laser assisted modifications of Ag nanoparticles in dependence on the laser pulse intensity, excitation wavelength, temperature as well as performed luminescence and relaxation dynamic studies reveal new information concerning the processes arising by excitation of the silver cluster near to the SPR and leading to structural alterations.
Proposed technique could find applications in development of different 3D polarization and wavelength selective microdevices such as polarizers, filters, gratings, RGB and DWDM devices, optical and plasmonic embedded circuits, high density 3D rewritable optical data storage devices.

Keywords:
Oberflächenplasmon, metallische Nanoteilchen, Glas, Materialbearbeitung mit fs-Laser, Ionisation, optischer Datenspeicher

surface plasmon, metal nanoparticles, glass, fs laser material processing, ionization, 3D optical data storage

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Inhaltsverzeichnis
Titel page, contents
Introduction (1-2)
1. Propagation of optical beams in composite medium containing metal nanoparticles (3-19)
2. Technique of the experiment (20-30)
3. Photomodification of single Ag nanoparticles embedded in soda-lime glass (31-63)
4. Laser assisted structural modifications of strongly aggregated Ag nanoparticles in soda-lime glass (64-75)
5. First steps towards application of the fs laser induced dichroism in composite glass with spherical Ag nanoparticles (76-88)
6. Summary and outlook (89-90)
References (91-98)