Plasmonic nanostructures show a strong enhancement of the optical field and bring about large nonlinear effects. High harmonic generation induced by plasmonic field enhancement of nanostructure is one of the important nonlinear phenomena. It has many strong points such as tabletop apparatus and highly-coherent EUV pulse without a drop of repetition rate. Among the many different nanodevices, the bowtie-shaped nanostructure shows high field enhancement and is relatively easy to fabricate. However, it is vulnerable to thermal damage, and therefore has very short life time. Here, we design the optimized parameters of bowtie-shaped gold nanostructure through FDTD(Finite-Difference Time-Domain) numerical simulation and fabricate using focused ion beam. Subsequently, we evaluate the performance for high harmonic generation by measuring third harmonic generation signal from the nanostructure. Experimental results showed that bowtie nanostructures undergo two types of deformations at different two input laser intensities. First one is the bridgelike connection at the gap region and another is totally breakdown of bowtie nanostructures. The deformation which harms the function of nanostructure is second one. This damages arise from the temperature evolution by incident laser.
We found that the damage threshold of bowtie nanostructure is about 0.2 TW/cm2 and which can sufficiently generate high harmonics in the 20 dB volume of field enhanced region.
플라즈모닉 나노구조체에서 강한 광전기장의 증폭이 발생하여 비선형 현상이 발생한다. 이러한 나노구조체의 플라즈모닉 장 증폭을 이용한 고차조화파생성기법은 중요한 비선형 현상중 하나이다. 이 방법은 간단하고 작은규모의 시스템으로 구축이 가능하며 레이저의 반복률을 저하시키지 않고 결맞는 극자외선 펄스의 생성이 가능하다는 장점을 가지고 있다. 이러한 현상을 나타내는 여러 나노구조체들 가운데 나비넥타이 형태의 나노구조체가 매우 강한 장 증폭을 가지며 상대적으로 가공하기 쉬운 이점을 가지고 있다. 하지만 이러한 나노구조체는 열적으로 손상받기 쉬워 매우 짧은 수명을 보인다. 이 논문에서는 FDTD 시뮬레이션을 통해서 나비넥타이형 나노구조체의 설계변수를 확정하고 집속이온빔 장비를 이용하여 나노구조체를 제작하였다. 그 후, 3차조화파 생성실험을 통해서 나노구조체의 고차조화파 생성 성능을 평가한다. 실험결과는 레이저의 강도 변화에 따라 두 구간의 강도에서 서로 다른 형태의 변형이 나노구조체에 나타나는 것으로 나타났다. 첫번째는 나노구조체의 틈새 영역이 서로 연결되는 변형이었으며 두번째는 나노구조체의 완전한 파손이다. 나노구조체의 기능을 손실케하는 변형은 두 번째의 완전한 파손이 발생했을 때이다. 이러한 변형은 입사되는 레이저로 인한 온도상승에 의한 결과이다.
결과적으로, 0.2 TW/cm2의 레이저 강도 한계값을 얻었으며, 100배 이상 증폭이 일어나는 공간내에서는 고차조화파 생성이 가능한 전기장의 강도를 한계값 이하에서 확보가 가능하다는 결론을 내렸다.
