Surface plasmon resonance and sensors using phase detection

Roman Kaňok

Doctoral thesis

Abstract:

Disertační práce se zaměřuje na teoretickou analýzu fázové odezvy povrchových plazmonových polaritonů a Blochových povrchových vln a také na experimentální realizace senzorů využívajících fázovou detekci. Oba typy povrchových vln jsou buzeny na rovinných strukturách (plazmonických strukturách nebo fotonických krystalech) metodou zeslabeného totálního odrazu. Vzhledem k tomu, že bodem zájmu je fáze světla, je základním přístupem při měření interferometrie aplikovaná ve spektrální, úhlové nebo také prostorové oblasti. Čtyři různé senzory jsou realizovány a experimentálně demonstrovány při detekci změn relativní vlhkosti, indexu lomu nebo koncentrace. Výsledky jsou doplněny teoretickou analýzou založenou na formalismu přenosových matic, který lze efektivně použít pro vícevrstvé struktury. Jsou uvedeny základní parametry senzoru, jako je citlivost a figure of merit. Jsou diskutovány možné aplikace navržených senzorů, jako je senzorika plynných a kapalných analytů.

Abstract:

The thesis focuses on theoretical analysis of the phase properties of the surface plasmon polaritons and the Bloch surface waves and also on experimental realizations of sensors based on the phase shift detection. Both types of the surface waves are excited on planar structures (plasmonic structures or photonic crystals) by a method of attenuated total reflection. Since the point of interest is the phase of light, the basic approach in measurements is interferometry applied in the spectral, angular or also spatial domain. Four different sensors are realized and demonstrated experimentally in sensing of relative humidity, refractive index or concentration. The results are accompanied with theoretical analysis based on the transfer matrix formalism that can be effectively used for multilayered structures. The sensing performance is evaluated in terms of sensitivity and figure of merit. Potential applications of the proposed senors are discussed, such as sensing of gaseous and aqueous analytes.

Keywords

Povrchová plazmonová rezonanceů, Blochovy povrchové vlny, senzory, fázový posuv, interferometrie, metoda přenosových matic, index lomu, relativní vlhkost, fotonický krystal

Keywords

Surface plasmon resonance, Bloch surface waves, sensors, phase shift, interferometry, transfer matrix method, refractive index, relative humidity, photonic crystal

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 2. 11. 2023

Thesis defence

• Date of defence: 13. 12. 2023
• Supervisor: Petr Hlubina
• Reader: Daniel Káčik, Pavel Pavlíček, René Kalus

VSB – Technical University of Ostrava

Fakulta elektrotechniky a informatiky

Doctoral programme:
Aplikovaná fyzika