Critical coupling enlarges PL
Dr. Tse’s work on critical coupling is on Arxiv now! / Tse博士の論文をArxivに掲載しました!
Surface lattice resonance supported on nanoparticle arrays is a promising candidate in enhancing fluorescent effects in both absorption and emission. The optical enhancement provided by surface lattice resonance is primarily through the light confinement beyond the diffraction limit, where the nanoparticle arrays can enhance light-matter interaction for increased absorption as well as providing more local density of states for enhanced spontaneous emission. In this work, we optimize the in-coupling efficiency to the fluorescent molecules by finding the conditions to maximize the absorption, also known as the critical coupling condition. We studied the transmission characteristics and the fluorescent emission of a nanoparticle array embedded in an index-matching layer with fluorescent dye at various concentrations. A modified coupled-mode theory that describes the nanoparticle array was then derived and verified by numerical simulations. With the analytical model, we analyzed the experimental measurements and discovered the condition to critically couple light into the fluorescent dye, which is demonstrated as the strongest emission. This study presents a useful guide for designing efficient energy transfer from excitation beam to the emitters, which maximizes the external conversion efficiency. / ナノ粒子アレイでサポートされている表面格子共鳴は、吸収と発光の両方で蛍光効果を高める有望な候補です。 表面格子共鳴によって提供される光学的増強は、主に回折限界を超える光の閉じ込めによるものであり、ナノ粒子アレイは光と物質の相互作用を増強して吸収を増加させ、自然放出を増強するために局所的な状態密度を高めることができます。 本研究では、重要な結合条件とも呼ばれる吸収を最大化する条件を見つけることにより、蛍光分子への結合効率を最適化します。 さまざまな濃度の蛍光色素を含む屈折率整合層に埋め込まれたナノ粒子アレイの透過特性と蛍光発光を調べました。 次に、ナノ粒子アレイを説明する修正結合モード理論が導き出され、数値シミュレーションによって検証されました。 分析モデルを使用して、実験測定値を分析し、光を蛍光色素に批判的に結合する条件を発見しました。これは、最も強い発光として実証されています。 この研究は、外部変換効率を最大化する、励起ビームからエミッターへの効率的なエネルギー伝達を設計するための有用なガイドを提示します。
Resonant critical coupling of surface lattice resonances with fluorescent absorptive thin film
JTY Tse, S Murai, K Tanaka – arXiv preprint arXiv:2304.06979, 2023