Abstract

We show that the dynamics of acoustic phonons generated by femtosecond impulsive optical excitation can be clearly resolved by a surface plasmon technique, with enhanced sensitivity orders of magnitude higher than regular optical probe measurements. Our calculations confirm that the enhanced sensitivity is an intrinsic property of the surface plasmon probe. Therefore, the surface plasmon technique is a promising tool to detect small signal changes in optical and mechanical properties on a microscopic scale.

© 2007 Optical Society of America

Full Article  |  PDF Article

References

  • View by:
  • |
  • |
  • |

  1. Y. X. Yan and K. A. Nelson, J. Chem. Phys. 87, 6240 (1987).
    [CrossRef]
  2. H. J. Maris, Sci. Am. 278, 86 (1998).
    [CrossRef]
  3. K. A. Nelson and M. D. Fayer, J. Chem. Phys. 72, 5202 (1980).
    [CrossRef]
  4. J. M. Perner, M. Perner, S. Gresillon, J. März, G. von Plessen, J. Feldmann, J. Porstendorfer, K.-J. Berg, and G. Berg, Phys. Rev. Lett. 85, 792 (2000).
    [CrossRef] [PubMed]
  5. H. Park, X. Wang, S. Nie, R. Clinite, and J. Cao, Phys. Rev. B 72, 100301 (2005).
    [CrossRef]
  6. C. Guo and A. J. Taylor, Phys. Rev. B 64, 245106 (2001).
    [CrossRef]
  7. T. F. Crimmins, A. A. Maznev, and K. A. Nelson, Appl. Phys. Lett. 74, 1344 (1999).
    [CrossRef]
  8. A. M. Lindenberg, I. Kang, S. L. Johnson, T. Missalla, P. A. Heimann, Z. Chang, J. Larsson, P. H. Bucksbaum, H. C. Kapteyn, H. A. Padmore, R. W. Lee, J. S. Wark, and R. W. Falcone, Phys. Rev. Lett. 84, 111 (2000).
    [CrossRef] [PubMed]
  9. O. B. Wright, Phys. Rev. B 49, 9985 (1994).
    [CrossRef]
  10. B. Lamprecht, J. R. Krenn, A. Leitner, and F. R. Aussenegg, Phys. Rev. Lett. 83, 4421 (1999).
    [CrossRef]
  11. T. Tsang, T. Srinivasan-Rao, and J. Fischer, Phys. Rev. B 43, 8870 (1991).
    [CrossRef]
  12. W. L. Barnes, A. Dereux, and T. W. Ebbesen, Nature 424, 824 (2003).
    [CrossRef] [PubMed]
  13. K. Katayama, T. Sawada, Q. Shen, and A. Harata, Phys. Rev. B 58, 8428 (1998).
    [CrossRef]
  14. H. Raether, Springer Tracts Mod. Phys. 111, 1 (1988).
    [CrossRef]
  15. E. Kretschmann, Z. Phys. 241, 313 (1971).
    [CrossRef]
  16. D. R. Lide, CRC Handbook of Chemistry and Physics, 82nd ed. (CRC, 2002).

2005 (1)

H. Park, X. Wang, S. Nie, R. Clinite, and J. Cao, Phys. Rev. B 72, 100301 (2005).
[CrossRef]

2003 (1)

W. L. Barnes, A. Dereux, and T. W. Ebbesen, Nature 424, 824 (2003).
[CrossRef] [PubMed]

2001 (1)

C. Guo and A. J. Taylor, Phys. Rev. B 64, 245106 (2001).
[CrossRef]

2000 (2)

A. M. Lindenberg, I. Kang, S. L. Johnson, T. Missalla, P. A. Heimann, Z. Chang, J. Larsson, P. H. Bucksbaum, H. C. Kapteyn, H. A. Padmore, R. W. Lee, J. S. Wark, and R. W. Falcone, Phys. Rev. Lett. 84, 111 (2000).
[CrossRef] [PubMed]

J. M. Perner, M. Perner, S. Gresillon, J. März, G. von Plessen, J. Feldmann, J. Porstendorfer, K.-J. Berg, and G. Berg, Phys. Rev. Lett. 85, 792 (2000).
[CrossRef] [PubMed]

1999 (2)

T. F. Crimmins, A. A. Maznev, and K. A. Nelson, Appl. Phys. Lett. 74, 1344 (1999).
[CrossRef]

B. Lamprecht, J. R. Krenn, A. Leitner, and F. R. Aussenegg, Phys. Rev. Lett. 83, 4421 (1999).
[CrossRef]

1998 (2)

K. Katayama, T. Sawada, Q. Shen, and A. Harata, Phys. Rev. B 58, 8428 (1998).
[CrossRef]

H. J. Maris, Sci. Am. 278, 86 (1998).
[CrossRef]

1994 (1)

O. B. Wright, Phys. Rev. B 49, 9985 (1994).
[CrossRef]

1991 (1)

T. Tsang, T. Srinivasan-Rao, and J. Fischer, Phys. Rev. B 43, 8870 (1991).
[CrossRef]

1988 (1)

H. Raether, Springer Tracts Mod. Phys. 111, 1 (1988).
[CrossRef]

1987 (1)

Y. X. Yan and K. A. Nelson, J. Chem. Phys. 87, 6240 (1987).
[CrossRef]

1980 (1)

K. A. Nelson and M. D. Fayer, J. Chem. Phys. 72, 5202 (1980).
[CrossRef]

1971 (1)

E. Kretschmann, Z. Phys. 241, 313 (1971).
[CrossRef]

Aussenegg, F. R.

B. Lamprecht, J. R. Krenn, A. Leitner, and F. R. Aussenegg, Phys. Rev. Lett. 83, 4421 (1999).
[CrossRef]

Barnes, W. L.

W. L. Barnes, A. Dereux, and T. W. Ebbesen, Nature 424, 824 (2003).
[CrossRef] [PubMed]

Berg, G.

J. M. Perner, M. Perner, S. Gresillon, J. März, G. von Plessen, J. Feldmann, J. Porstendorfer, K.-J. Berg, and G. Berg, Phys. Rev. Lett. 85, 792 (2000).
[CrossRef] [PubMed]

Berg, K.-J.

J. M. Perner, M. Perner, S. Gresillon, J. März, G. von Plessen, J. Feldmann, J. Porstendorfer, K.-J. Berg, and G. Berg, Phys. Rev. Lett. 85, 792 (2000).
[CrossRef] [PubMed]

Bucksbaum, P. H.

A. M. Lindenberg, I. Kang, S. L. Johnson, T. Missalla, P. A. Heimann, Z. Chang, J. Larsson, P. H. Bucksbaum, H. C. Kapteyn, H. A. Padmore, R. W. Lee, J. S. Wark, and R. W. Falcone, Phys. Rev. Lett. 84, 111 (2000).
[CrossRef] [PubMed]

Cao, J.

H. Park, X. Wang, S. Nie, R. Clinite, and J. Cao, Phys. Rev. B 72, 100301 (2005).
[CrossRef]

Chang, Z.

A. M. Lindenberg, I. Kang, S. L. Johnson, T. Missalla, P. A. Heimann, Z. Chang, J. Larsson, P. H. Bucksbaum, H. C. Kapteyn, H. A. Padmore, R. W. Lee, J. S. Wark, and R. W. Falcone, Phys. Rev. Lett. 84, 111 (2000).
[CrossRef] [PubMed]

Clinite, R.

H. Park, X. Wang, S. Nie, R. Clinite, and J. Cao, Phys. Rev. B 72, 100301 (2005).
[CrossRef]

Crimmins, T. F.

T. F. Crimmins, A. A. Maznev, and K. A. Nelson, Appl. Phys. Lett. 74, 1344 (1999).
[CrossRef]

Dereux, A.

W. L. Barnes, A. Dereux, and T. W. Ebbesen, Nature 424, 824 (2003).
[CrossRef] [PubMed]

Ebbesen, T. W.

W. L. Barnes, A. Dereux, and T. W. Ebbesen, Nature 424, 824 (2003).
[CrossRef] [PubMed]

Falcone, R. W.

A. M. Lindenberg, I. Kang, S. L. Johnson, T. Missalla, P. A. Heimann, Z. Chang, J. Larsson, P. H. Bucksbaum, H. C. Kapteyn, H. A. Padmore, R. W. Lee, J. S. Wark, and R. W. Falcone, Phys. Rev. Lett. 84, 111 (2000).
[CrossRef] [PubMed]

Fayer, M. D.

K. A. Nelson and M. D. Fayer, J. Chem. Phys. 72, 5202 (1980).
[CrossRef]

Feldmann, J.

J. M. Perner, M. Perner, S. Gresillon, J. März, G. von Plessen, J. Feldmann, J. Porstendorfer, K.-J. Berg, and G. Berg, Phys. Rev. Lett. 85, 792 (2000).
[CrossRef] [PubMed]

Fischer, J.

T. Tsang, T. Srinivasan-Rao, and J. Fischer, Phys. Rev. B 43, 8870 (1991).
[CrossRef]

Gresillon, S.

J. M. Perner, M. Perner, S. Gresillon, J. März, G. von Plessen, J. Feldmann, J. Porstendorfer, K.-J. Berg, and G. Berg, Phys. Rev. Lett. 85, 792 (2000).
[CrossRef] [PubMed]

Guo, C.

C. Guo and A. J. Taylor, Phys. Rev. B 64, 245106 (2001).
[CrossRef]

Harata, A.

K. Katayama, T. Sawada, Q. Shen, and A. Harata, Phys. Rev. B 58, 8428 (1998).
[CrossRef]

Heimann, P. A.

A. M. Lindenberg, I. Kang, S. L. Johnson, T. Missalla, P. A. Heimann, Z. Chang, J. Larsson, P. H. Bucksbaum, H. C. Kapteyn, H. A. Padmore, R. W. Lee, J. S. Wark, and R. W. Falcone, Phys. Rev. Lett. 84, 111 (2000).
[CrossRef] [PubMed]

Johnson, S. L.

A. M. Lindenberg, I. Kang, S. L. Johnson, T. Missalla, P. A. Heimann, Z. Chang, J. Larsson, P. H. Bucksbaum, H. C. Kapteyn, H. A. Padmore, R. W. Lee, J. S. Wark, and R. W. Falcone, Phys. Rev. Lett. 84, 111 (2000).
[CrossRef] [PubMed]

Kang, I.

A. M. Lindenberg, I. Kang, S. L. Johnson, T. Missalla, P. A. Heimann, Z. Chang, J. Larsson, P. H. Bucksbaum, H. C. Kapteyn, H. A. Padmore, R. W. Lee, J. S. Wark, and R. W. Falcone, Phys. Rev. Lett. 84, 111 (2000).
[CrossRef] [PubMed]

Kapteyn, H. C.

A. M. Lindenberg, I. Kang, S. L. Johnson, T. Missalla, P. A. Heimann, Z. Chang, J. Larsson, P. H. Bucksbaum, H. C. Kapteyn, H. A. Padmore, R. W. Lee, J. S. Wark, and R. W. Falcone, Phys. Rev. Lett. 84, 111 (2000).
[CrossRef] [PubMed]

Katayama, K.

K. Katayama, T. Sawada, Q. Shen, and A. Harata, Phys. Rev. B 58, 8428 (1998).
[CrossRef]

Krenn, J. R.

B. Lamprecht, J. R. Krenn, A. Leitner, and F. R. Aussenegg, Phys. Rev. Lett. 83, 4421 (1999).
[CrossRef]

Kretschmann, E.

E. Kretschmann, Z. Phys. 241, 313 (1971).
[CrossRef]

Lamprecht, B.

B. Lamprecht, J. R. Krenn, A. Leitner, and F. R. Aussenegg, Phys. Rev. Lett. 83, 4421 (1999).
[CrossRef]

Larsson, J.

A. M. Lindenberg, I. Kang, S. L. Johnson, T. Missalla, P. A. Heimann, Z. Chang, J. Larsson, P. H. Bucksbaum, H. C. Kapteyn, H. A. Padmore, R. W. Lee, J. S. Wark, and R. W. Falcone, Phys. Rev. Lett. 84, 111 (2000).
[CrossRef] [PubMed]

Lee, R. W.

A. M. Lindenberg, I. Kang, S. L. Johnson, T. Missalla, P. A. Heimann, Z. Chang, J. Larsson, P. H. Bucksbaum, H. C. Kapteyn, H. A. Padmore, R. W. Lee, J. S. Wark, and R. W. Falcone, Phys. Rev. Lett. 84, 111 (2000).
[CrossRef] [PubMed]

Leitner, A.

B. Lamprecht, J. R. Krenn, A. Leitner, and F. R. Aussenegg, Phys. Rev. Lett. 83, 4421 (1999).
[CrossRef]

Lide, D. R.

D. R. Lide, CRC Handbook of Chemistry and Physics, 82nd ed. (CRC, 2002).

Lindenberg, A. M.

A. M. Lindenberg, I. Kang, S. L. Johnson, T. Missalla, P. A. Heimann, Z. Chang, J. Larsson, P. H. Bucksbaum, H. C. Kapteyn, H. A. Padmore, R. W. Lee, J. S. Wark, and R. W. Falcone, Phys. Rev. Lett. 84, 111 (2000).
[CrossRef] [PubMed]

Maris, H. J.

H. J. Maris, Sci. Am. 278, 86 (1998).
[CrossRef]

März, J.

J. M. Perner, M. Perner, S. Gresillon, J. März, G. von Plessen, J. Feldmann, J. Porstendorfer, K.-J. Berg, and G. Berg, Phys. Rev. Lett. 85, 792 (2000).
[CrossRef] [PubMed]

Maznev, A. A.

T. F. Crimmins, A. A. Maznev, and K. A. Nelson, Appl. Phys. Lett. 74, 1344 (1999).
[CrossRef]

Missalla, T.

A. M. Lindenberg, I. Kang, S. L. Johnson, T. Missalla, P. A. Heimann, Z. Chang, J. Larsson, P. H. Bucksbaum, H. C. Kapteyn, H. A. Padmore, R. W. Lee, J. S. Wark, and R. W. Falcone, Phys. Rev. Lett. 84, 111 (2000).
[CrossRef] [PubMed]

Nelson, K. A.

T. F. Crimmins, A. A. Maznev, and K. A. Nelson, Appl. Phys. Lett. 74, 1344 (1999).
[CrossRef]

Y. X. Yan and K. A. Nelson, J. Chem. Phys. 87, 6240 (1987).
[CrossRef]

K. A. Nelson and M. D. Fayer, J. Chem. Phys. 72, 5202 (1980).
[CrossRef]

Nie, S.

H. Park, X. Wang, S. Nie, R. Clinite, and J. Cao, Phys. Rev. B 72, 100301 (2005).
[CrossRef]

Padmore, H. A.

A. M. Lindenberg, I. Kang, S. L. Johnson, T. Missalla, P. A. Heimann, Z. Chang, J. Larsson, P. H. Bucksbaum, H. C. Kapteyn, H. A. Padmore, R. W. Lee, J. S. Wark, and R. W. Falcone, Phys. Rev. Lett. 84, 111 (2000).
[CrossRef] [PubMed]

Park, H.

H. Park, X. Wang, S. Nie, R. Clinite, and J. Cao, Phys. Rev. B 72, 100301 (2005).
[CrossRef]

Perner, J. M.

J. M. Perner, M. Perner, S. Gresillon, J. März, G. von Plessen, J. Feldmann, J. Porstendorfer, K.-J. Berg, and G. Berg, Phys. Rev. Lett. 85, 792 (2000).
[CrossRef] [PubMed]

Perner, M.

J. M. Perner, M. Perner, S. Gresillon, J. März, G. von Plessen, J. Feldmann, J. Porstendorfer, K.-J. Berg, and G. Berg, Phys. Rev. Lett. 85, 792 (2000).
[CrossRef] [PubMed]

Porstendorfer, J.

J. M. Perner, M. Perner, S. Gresillon, J. März, G. von Plessen, J. Feldmann, J. Porstendorfer, K.-J. Berg, and G. Berg, Phys. Rev. Lett. 85, 792 (2000).
[CrossRef] [PubMed]

Raether, H.

H. Raether, Springer Tracts Mod. Phys. 111, 1 (1988).
[CrossRef]

Sawada, T.

K. Katayama, T. Sawada, Q. Shen, and A. Harata, Phys. Rev. B 58, 8428 (1998).
[CrossRef]

Shen, Q.

K. Katayama, T. Sawada, Q. Shen, and A. Harata, Phys. Rev. B 58, 8428 (1998).
[CrossRef]

Srinivasan-Rao, T.

T. Tsang, T. Srinivasan-Rao, and J. Fischer, Phys. Rev. B 43, 8870 (1991).
[CrossRef]

Taylor, A. J.

C. Guo and A. J. Taylor, Phys. Rev. B 64, 245106 (2001).
[CrossRef]

Tsang, T.

T. Tsang, T. Srinivasan-Rao, and J. Fischer, Phys. Rev. B 43, 8870 (1991).
[CrossRef]

von Plessen, G.

J. M. Perner, M. Perner, S. Gresillon, J. März, G. von Plessen, J. Feldmann, J. Porstendorfer, K.-J. Berg, and G. Berg, Phys. Rev. Lett. 85, 792 (2000).
[CrossRef] [PubMed]

Wang, X.

H. Park, X. Wang, S. Nie, R. Clinite, and J. Cao, Phys. Rev. B 72, 100301 (2005).
[CrossRef]

Wark, J. S.

A. M. Lindenberg, I. Kang, S. L. Johnson, T. Missalla, P. A. Heimann, Z. Chang, J. Larsson, P. H. Bucksbaum, H. C. Kapteyn, H. A. Padmore, R. W. Lee, J. S. Wark, and R. W. Falcone, Phys. Rev. Lett. 84, 111 (2000).
[CrossRef] [PubMed]

Wright, O. B.

O. B. Wright, Phys. Rev. B 49, 9985 (1994).
[CrossRef]

Yan, Y. X.

Y. X. Yan and K. A. Nelson, J. Chem. Phys. 87, 6240 (1987).
[CrossRef]

Appl. Phys. Lett. (1)

T. F. Crimmins, A. A. Maznev, and K. A. Nelson, Appl. Phys. Lett. 74, 1344 (1999).
[CrossRef]

J. Chem. Phys. (2)

Y. X. Yan and K. A. Nelson, J. Chem. Phys. 87, 6240 (1987).
[CrossRef]

K. A. Nelson and M. D. Fayer, J. Chem. Phys. 72, 5202 (1980).
[CrossRef]

Nature (1)

W. L. Barnes, A. Dereux, and T. W. Ebbesen, Nature 424, 824 (2003).
[CrossRef] [PubMed]

Phys. Rev. B (5)

K. Katayama, T. Sawada, Q. Shen, and A. Harata, Phys. Rev. B 58, 8428 (1998).
[CrossRef]

O. B. Wright, Phys. Rev. B 49, 9985 (1994).
[CrossRef]

T. Tsang, T. Srinivasan-Rao, and J. Fischer, Phys. Rev. B 43, 8870 (1991).
[CrossRef]

H. Park, X. Wang, S. Nie, R. Clinite, and J. Cao, Phys. Rev. B 72, 100301 (2005).
[CrossRef]

C. Guo and A. J. Taylor, Phys. Rev. B 64, 245106 (2001).
[CrossRef]

Phys. Rev. Lett. (3)

A. M. Lindenberg, I. Kang, S. L. Johnson, T. Missalla, P. A. Heimann, Z. Chang, J. Larsson, P. H. Bucksbaum, H. C. Kapteyn, H. A. Padmore, R. W. Lee, J. S. Wark, and R. W. Falcone, Phys. Rev. Lett. 84, 111 (2000).
[CrossRef] [PubMed]

J. M. Perner, M. Perner, S. Gresillon, J. März, G. von Plessen, J. Feldmann, J. Porstendorfer, K.-J. Berg, and G. Berg, Phys. Rev. Lett. 85, 792 (2000).
[CrossRef] [PubMed]

B. Lamprecht, J. R. Krenn, A. Leitner, and F. R. Aussenegg, Phys. Rev. Lett. 83, 4421 (1999).
[CrossRef]

Sci. Am. (1)

H. J. Maris, Sci. Am. 278, 86 (1998).
[CrossRef]

Springer Tracts Mod. Phys. (1)

H. Raether, Springer Tracts Mod. Phys. 111, 1 (1988).
[CrossRef]

Z. Phys. (1)

E. Kretschmann, Z. Phys. 241, 313 (1971).
[CrossRef]

Other (1)

D. R. Lide, CRC Handbook of Chemistry and Physics, 82nd ed. (CRC, 2002).

Cited By

OSA participates in CrossRef's Cited-By Linking service. Citing articles from OSA journals and other participating publishers are listed here.

Alert me when this article is cited.


Figures (3)

Fig. 1
Fig. 1

(a) Dependence of light reflectivity on the incident angle ( θ inc ) in the vicinity of the SP-resonance angle ( θ sp ) . The inset shows the probe geometry. (b) Normalized pump–probe signal for the probe beam incident at 2 ° , 2 ° , and 0 ° off the SP-resonance angle, marked by a, b, and c in Fig. 1a, respectively. The inset shows the pump–probe experimental setup.

Fig. 2
Fig. 2

Pump–probe signal for the probe beam incident at different angles around the SP-resonance angle. The numbers on the right of each curve correspond to the probe angles labeled in Fig. 1a. The solid curve and the dashed–dotted curve are data fitting using A e t T 0 sin ( ω t + ϕ 0 ) . The dotted and dashed curves are calculation results with incident angles 42.3 ° and 42.6 ° , respectively.

Fig. 3
Fig. 3

Calculated rate of changes of reflectivity with respect to dielectric constant at different incident angle for back surface probe ( d R d ε r : the solid curve and d R d ε i : the dashed curve) and front surface probe ( d R d ε r : the dashed–dotted curve and d R d ε i : the dotted curve). The calculations are based on a 55-nm Ag film, and the inset shows the results over a larger range of incident angles.

Equations (1)

Equations on this page are rendered with MathJax. Learn more.

Δ R R = 1 R ( d R d ε r Δ ε r + d R d ε i Δ ε i ) ,

Metrics