Dye-assisted Transmittance Enhancement of Mie Resonator Based Optical Nanofilters

Abstract

Compared to their plasmonic counterparts, scattering-reducing Mie resonator-based optical systems are able to sustain strong resonances at small spatial scales and be relatively free from optical loss. In this work, we introduce a Mie-resonance based method to enhance the transmission efficiency of transmissive optical nanofilters. We integrate quantum emitters inside a previously described PMMA-Ag core-shell nanowire system that acts as an efficient dipole resonator when excited by light polarized parallel to the nanowire. The research methodology involves a comprehensive theoretical study of the fundamental principles governing Mie resonators and their scattering properties. Based on the theoretical insights, optimized designs for scattering reducing PMMA-Ag nanostructures will be proposed, considering factors such as size, shape, and arrangement of the resonators. Computational simulations using Lumerical© Finite-domain Time-difference (FDTD) software will be employed to optimize the structural parameters and predict their transmittance performance enhancement. Subsequently, the proposed designs will be translated into practical applications through fabrication processes. A modified electron beam lithography is utilized to fabricate the PMMA-based Mie resonators. The fabricated samples are then subjected to extensive characterization using confocal microscopy and spectroscopy techniques. This hybrid resonator system can theoretically achieve 5 percent more transmission at resonance compared to the original resonator, all while retaining comparably high resolution.;미에 공명체 기반 광학 시스템은 플라즈몬 기반 시스템에 비하여 작은 크기에서도 강한 공명을 이끌어낼 수 있으며, 광손실에서 비교적 자유롭다는 점에서 많은 주목을 받고 있다. 이 연구에서는 미에 공명에 기반하여 광투과 나노필터의 투과율을 향상시키기 위한 방법을 소개한다. PMMA-Ag 코어-쉘 나노선 시스템은 이전에 설명된 바 있는 시스템으로, 나노와이어와 평행하게 편광된 빛이 입사될 때 효율적인 이중극 공진기로 작용한다. 이 연구는 이러한 시스템 내에 양자 방출체를 통합함으로써 광투과 나노필터의 투과율을 향상시킨다. 이 연구에서는 미에 공명체의 기본 원리와 산란적 특성을 포괄적으로 조명한 후, 이 원리와 유한차분시간구역(FDTD) 시뮬레이션 결과에 기반하여 PMMA-Ag 광투과 나노선의 구조적 특징을 설정하였다. 개량된 전자빔리소그래피를 통해 PMMA-Ag 나노선 구조를 제작한 후에는 가시광 영역 공초점 현미경과 분광기를 이용하여 그 특성을 조사하였다. 결과적으로 양자 방사체를 포함한 나노선 구조의 투과도 향상이 존재함이 확인되었으며 이는 양자 방사체의 나노구조 컬러 필터에서의 활용 가능성을 시사한다.