Resumen de Luminescence plasmon enhancement and laser at the nanoscale in a nd3+ based solid state gain medium
El objetivo principal de esta tesis se ha centrado en conseguir por primera vez acción láser en la nanoescala en un laser de estado sólido (SSL). Para ello se asoció un SSL activado con iones de tierras raras (RE3+) con nanoestructuras metálicas con el fin de explotar el fenómeno de localización e intensificación de radiación electromagnética, asociado con las resonancias plasmónicas, en las cercanías de los iones RE3+.
Bajo este enfoque la investigación realizada puede resumirse en tres puntos: i) fabricación de nanoestructuras metálicas con respuesta plasmónica sobre un medio de ganancia óptica consistente en un sustrato ferroeléctrico dopado con RE3+; ii) estudio de la espectroscopia óptica de este nuevo sistema híbrido plasmón-RE3+ y iii) obtención de acción laser en la nanoescala mediante la acción de las nanoestructuras plasmónicas en un medio de ganancia constituido por un SSL.
i) Para conseguir nanoestructuras de respuesta plasmónica sobre nuestro material laser nos hemos basado en un proceso de deposición foto-inducida, llamada litografía ferroeléctrica, en el que las superficies polares de los materiales ferroeléctricos se aprovechan como plataformas funcionales para el ensamblado de nanopartículas (NPs). En concreto se utilizaron las estructuras monodimensionales de dominios ferroeléctricos, presentes en un cristal de LiNbO3 dopado con iones Nd3+, como plantillas para el ensamblado de NPs de plata (Ag). La aportación original de este primer bloque ha sido obtener por vez primera alineamientos de NPs de Ag sobre un sustrato ferroeléctrico dopado con iones de RE3+. Además, estas nanoestructuras se obtuvieron tanto sobre superficies polares en corte Z como sobre superficies en corte Y del LiNbO3:Nd3+, demostrando en este último caso la validez de la técnica de litografía ferroeléctrica en superficies no polares. Los resultados obtenidos relativos a la fabricación de nanoestructuras metálicas muestran el valor añadido de los materiales ferroeléctricos para ofrecer una alternativa simple y de bajo coste frente a técnicas de fabricación más complejas y costosas actualmente empleadas para la deposición de nanoestructuras metálicas. En el marco de la tesis, la deposición de NPs metálicas sobre un cristal ferroeléctrico dopado con iones Nd3+ supuso el punto de partida de este trabajo y constituyó la pieza clave en el estudio de las interacciones ópticas entre plasmones localizados y las propiedades ópticas de los iones Nd3+.
ii) De entre las diferentes impurezas de RE3+ elegimos el ion Nd3+, siendo en este trabajo la primera vez que se estudia la interacción de este ión con resonancias plasmónicas localizadas. El ion Nd3+ constituye uno de los iones láser más utilizados ya que presenta excelentes propiedades pudiendo funcionar como láser de cuatro niveles, en modo continuo o pulsado y presentando un nivel metaestable de alta eficiencia cuántica. Gracias a su configuración electrónica 4f3, este ión cuenta con numerosas bandas de absorción en el espectro visible e infrarrojo cercano, haciendo que su bombeo óptico sea fácilmente accesible y eficiente. Para analizar la espectroscopia del sistema en presencia de las NPs de Ag se empleó principalmente la técnica de microscopia de fluorescencia. Se demostró por primera vez la emisión espontanea de los iones Nd3+ cercanos a las nanoestructuras plasmónicas, consiguiendo además intensificar de manera selectiva la emisión procedente de transiciones las Stark del Nd3+ con polarización específica aprovechando la simetría que presentaban estas nanoestructuras. Adicionalmente, se estudiaron los efectos de orden de los arreglos de NPs de plata sobre la emisión del Nd3+, con el propósito de optimizar la respuesta del sistema Ag NPs/LiNbO3:Nd3+.
iii) Finalmente, mediante el diseño de una cavidad óptica apropiada se demostró acción láser en la nanoescala en el sistema LiNbO3:Nd3+ gracias a la acción de las estructuras plasmónicas. Este resultado constituye la primera demostración de oscilación láser con confinamiento espacial nanométrico en un medio de ganancia constituido por un SSL. La oscilación laser del sistema se consiguió a temperatura ambiente, y se obtuvo una reducción del umbral de bombeo y una mejora sustancial de la eficiencia láser con respecto a la operación del sistema en volumen. Todo esto permite considerar este trabajo como el punto de partida para extender los resultados a una amplia lista de medios de ganancia de estado sólido, constituidos por la gran cantidad de combinaciones entre iones RE3+ (por ejemplo Er3+, Yb3+, Cr3+, Ti3+,¿) y matrices aislantes. Esta nueva clase de láseres plasmónicos mejoraría y aportaría nuevas prestaciones de los sistemas SSLs actuales manteniendo las ventajas previamente descritas de los mismos.
En esencia el trabajo presentado en esta tesis ha aportado las bases para entender y optimizar las propiedades fotónicas de este nuevo sistema híbrido Ag NPs/LiNbO3:Nd3+ y demostrar por primera vez la acción de un láser de estado sólido en la nanoescala.
