Coherent control of nonlinear optical processes in individual nanoparticles

Premi GEFES 2016 a la millor tesi experimental en Física de la Matèria Condensada

Detalhes bibliográficos
Autor: Accanto, Nicolò
Tipo de documento: tese
Data de publicação:2016
País:España
Recursos:Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)
Repositório:UPCommons. Portal del coneixement obert de la UPC
Idioma:inglês
OAI Identifier:oai:upcommons.upc.edu:2117/107049
Acesso em linha:https://hdl.handle.net/2117/107049
https://dx.doi.org/10.5821/dissertation-2117-107049
Access Level:Acceso aberto
Palavra-chave:Fotònica
Nanotecnologia
Nanopartícules
Àrees temàtiques de la UPC::Física
id ES_654ec88bd7ecd38bae1ff08aa10dee36
oai_identifier_str oai:upcommons.upc.edu:2117/107049
network_acronym_str ES
network_name_str España
repository_id_str
dc.title.none.fl_str_mv Coherent control of nonlinear optical processes in individual nanoparticles
title Coherent control of nonlinear optical processes in individual nanoparticles
spellingShingle Coherent control of nonlinear optical processes in individual nanoparticles
Accanto, Nicolò
Fotònica
Nanotecnologia
Nanopartícules
Àrees temàtiques de la UPC::Física
title_short Coherent control of nonlinear optical processes in individual nanoparticles
title_full Coherent control of nonlinear optical processes in individual nanoparticles
title_fullStr Coherent control of nonlinear optical processes in individual nanoparticles
title_full_unstemmed Coherent control of nonlinear optical processes in individual nanoparticles
title_sort Coherent control of nonlinear optical processes in individual nanoparticles
dc.creator.none.fl_str_mv Accanto, Nicolò
author Accanto, Nicolò
author_facet Accanto, Nicolò
author_role author
dc.contributor.none.fl_str_mv Hulst, Niek van
dc.subject.none.fl_str_mv Fotònica
Nanotecnologia
Nanopartícules
Àrees temàtiques de la UPC::Física
topic Fotònica
Nanotecnologia
Nanopartícules
Àrees temàtiques de la UPC::Física
description Premi GEFES 2016 a la millor tesi experimental en Física de la Matèria Condensada
publishDate 2016
dc.date.none.fl_str_mv 2016
2016-06-16
2017
2017-07-19
dc.type.none.fl_str_mv doctoral thesis
http://purl.org/coar/resource_type/c_db06
VoR
http://purl.org/coar/version/c_970fb48d4fbd8a85
dc.type.openaire.fl_str_mv info:eu-repo/semantics/doctoralThesis
format doctoralThesis
dc.identifier.none.fl_str_mv https://hdl.handle.net/2117/107049
https://dx.doi.org/10.5821/dissertation-2117-107049
url https://hdl.handle.net/2117/107049
https://dx.doi.org/10.5821/dissertation-2117-107049
dc.language.none.fl_str_mv Inglés
eng
language_invalid_str_mv Inglés
language eng
dc.rights.none.fl_str_mv open access
http://purl.org/coar/access_right/c_abf2

http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/
dc.rights.openaire.fl_str_mv info:eu-repo/semantics/openAccess
rights_invalid_str_mv open access
http://purl.org/coar/access_right/c_abf2

http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/
eu_rights_str_mv openAccess
dc.format.none.fl_str_mv application/pdf
dc.publisher.none.fl_str_mv Universitat Politècnica de Catalunya
publisher.none.fl_str_mv Universitat Politècnica de Catalunya
dc.source.none.fl_str_mv reponame:UPCommons. Portal del coneixement obert de la UPC
instname:Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)
instname_str Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)
reponame_str UPCommons. Portal del coneixement obert de la UPC
collection UPCommons. Portal del coneixement obert de la UPC
repository.name.fl_str_mv
repository.mail.fl_str_mv
_version_ 1869409733154177024
spelling Coherent control of nonlinear optical processes in individual nanoparticlesAccanto, NicolòFotònicaNanotecnologiaNanopartículesÀrees temàtiques de la UPC::FísicaPremi GEFES 2016 a la millor tesi experimental en Física de la Matèria CondensadaNanophotonics aims to understand and control the interaction of light-matter at the nanometer scale. Boosted by the development of nanotechnology and nanofabrication, nanophotonics is a thriving research field, with applications in areas as diverse as optical communications, biological imaging, super-resolution microscopy and photovoltaics. For the design of specific structures and the development of new applications, it is vital to study and understand the basic ultrafast dynamical interactions of light with individual nanoparticles (NPs). The practical realization of experiments in which single nanoparticles are addressed with temporal resolution on the femtosecond scale is very demanding. The first goal of this thesis is to develop a robust and easy to operate experimental scheme, based on the combination of ultrashort phase-controlled laser pulses and high-resolution optical microscopes, which allows the desired ultrashort laser pulses to be delivered to localized nanometric volumes. Not only do we need to observe, but also to manipulate ultrafast light-matter interactions at the nanoscale by using precisely tailored laser fields, a concept that is often referred to as coherent control. The main goal of the thesis is to extend coherent control concepts, so far mainly applied to ensembles of systems, to the manipulation of ultrafast light-matter interactions in individual nanoparticles. Experimentally, this is realized by using ultrashort laser pulses, whose spectral phase can be precisely controlled, and measuring nonlinear optical responses from individual nanoparticles. The NPs investigated in this thesis can be divided into two categories: coherent and incoherent NPs. Coherent NPs present an intrinsic resonant response, in amplitude and phase, which can be resolved and controlled by the laser field. Resonant plasmonic nanoantennas constitute the main example of coherent NPs studied in the thesis. Incoherent NPs can be either non-resonant, or characterized by a very broad (much broader than the laser spectrum) resonance. Dielectric nonlinear NPs and semiconductor quantum dots (QDs) with broad absorptions are the incoherent NPs addressed here. Incoherent NPs are of crucial importance in this thesis. Based on the second harmonic generation (SHG) from incoherent dielectric NPs, a novel method to obtain full control of ultrashort pulses on a sub-diffraction-limited area is demonstrated. Successively, by using single semiconductor QDs and a novel optimization algorithm, a closed loop coherent control scheme capable of addressing single molecules and quantum emitters is realized and tested. Nonlinear interactions in plasmonic nanoantennas, depend both on the laser field and on their resonant response. Two different nonlinear responses, excited by ultrashort phase-controlled pulses, are studied: the SHG and the two-photon absorption (TPA). By studying the SHG, a precise measurement of the plasmon resonance in nanoantennasis performed, retrieving both spectral phase and amplitude. By using phase control, the possibility of using plasmonic nanoantennas for an improved imaging technique based on multicolor second harmonic labels is discussed and demonstrated. By investigating the TPA process, the presence of a coherent regime, only accessible by ultrashort pulses, is demonstrated. Finally the realization of a highly sensitive closed loop coherent control experiment on single nanoantennas is presented. The combined progress in nanotechnology and the ability discussed in this thesis to manipulate ultrafast nanoscale dynamics using light can lead the way towards new fascinating routes in the field of nanophotonics. The switching of light from one side to another of an asymmetric nanostructure, the selective investigation of different NPs at different times, the realization of super-resolution optical microscopy with femtosecond temporal resolution, are just few of the promising applicationsLa nanofotónica se ocupa del estudio de las interacciones entre la luz y la materia en la escala nanométrica. Impulsada por el enorme progreso en la nanotecnología, la nanofotónica se ha convertido en un campo de investigación muy próspero, con aplicaciones en la comunicación óptica, la microscopía de superresolución y la fotovoltaica. Las interacciones fundamentales entre luz y nanopartículas individuales tienen que ser estudiadas con el fin de desarrollar nuevas aplicaciones y diseñar mejores estructuras. Sin embargo, en la práctica, resulta difícil realizar experimentos que estudien nanopartículas individuales con alta resolución temporal. El primer reto de esta tesis es el desarrollo de un equipo experimental adecuado, basado en la combinación de pulsos láseres ultracortos controlados en fase y microscopios ópticos de alta resolución, que permita hacer llegar los correctos pulsos a las correctas áreas nanométricas. El objetivo de este trabajo no es solo observar, sino también controlar activamente las interacciones entre nanopartículas individuales y campos láseres precisamente diseñados. Este concepto se define normalmente como control coherente y ha sido hasta ahora principalmente aplicado a los estudios de conjuntos de átomos, moléculas y nanopartículas. El objetivo principal de este estudio es extender el control coherente a la manipulación de las interacciones ultrarrápidas entre la luz y nanopartículas individuales. En los experimentos descritos, esto se consigue utilizando pulsos ultrarrápidos controlados en fase y detectando procesos ópticos no-lineales en nanopartículas individuales. Las nanopartículas (NPs) estudiadas en esta tesis se pueden dividir en dos categorías: NPs coherentes e incoherentes. Las NPs coherentes presentan resonancias que pueden ser medidas y controladas por el campo láser. Las nanoantenas plasmónicas constituyen el ejemplo principal de NPs coherentes estudiadas en esta tesis. Las NPs incoherentes pueden ser no resonantes o caracterizadas por resonancias espectralmente muy anchas (más anchas que el espectro láser). Las NPs incoherentes estudiadas son las NPs dieléctricas y los puntos cuánticos de semiconductores con espectros de absorción muy anchos. Las NPs incoherentes son de importancia fundamental. El método desarrollado en esta tésis que permite controlar pulsos ultracortos en áreas nanométricas se basa en la detección del segundo armónico producido por NPs dieléctricas. Así mismo, utilizando puntos cuánticos individuales y un novedoso algoritmo de optimización, se realiza un experimento de control coherente capaz de manipular incluso moléculas individuales a temperatura ambiente. Las interacciones no-lineales en nanoantenas plasmónicas dependen del campo láser y también de sus resonancias. En esta tesis se estudian dos tipos de procesos no-lineales en nanoantenas utilizando pulsos ultracortos controlados en fase: la generación de segundo armónico (SHG) y la absorción de dos fotones (TPA). Estudiando el SHG se demuestra que: las componentes de fase y amplitud de las resonancias plasmónicas pueden ser medidas con precisión y que las nanoantenas pueden utilizarse como marcadores de SHG para realizar una técnica novedosa de imágenes biológicas. Finalmente, estudiando la TPA, se demuestra la presencia de un régimen coherente accesible por pulsos ultracortos y se realiza un experimento de control coherente de elevada sensibilidad en nanoantenas individuales. Combinando el progreso en la nanotecnología y la capacidad de manipular procesos ultrarrápidos en la escala nanométrica utilizando campos láseres, se pueden observar nuevos e interesantes fenómenos en la nanofotónica. Desplazar la luz de un sitio a otro de una nanoestructura, estudiar selectivamente diferentes NPs en distintos instantes, realizar microscopía de superresolución con alta resolución temporal, son algunas de las posibles aplicaciones.Award-winningUniversitat Politècnica de CatalunyaHulst, Niek van20162016-06-1620172017-07-19doctoral thesishttp://purl.org/coar/resource_type/c_db06VoRhttp://purl.org/coar/version/c_970fb48d4fbd8a85info:eu-repo/semantics/doctoralThesisapplication/pdfhttps://hdl.handle.net/2117/107049https://dx.doi.org/10.5821/dissertation-2117-107049reponame:UPCommons. Portal del coneixement obert de la UPCinstname:Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)Inglésengopen accesshttp://purl.org/coar/access_right/c_abf2http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/info:eu-repo/semantics/openAccessoai:upcommons.upc.edu:2117/1070492026-05-27T15:37:01Z
score 15,300719

Registros relacionados