ANALISI E PROGETTO DI UN ACCOPPIATORE TERMOPLASMONICO

The current thesis presents the design and analysis of an innovative optical device: a thermoplasmonic coupler based on the interaction between a dielectric waveguide and a chain of gold nanoparticles. The main goal is to understand how light can be controlled and concentrated at the nanoscale by exploiting the peculiar plasmonic properties of metals. Through numerical simulations carried out with the Lumerical FDTD software, it is possible to investigate the behavior of the structure, as well as the efficiency by the waveguide while transferring energy to the particles throughout the evanescent field. The dissertation first provides a contextualization of the main technologies and applications related to plasmonics and thermoplasmonics, mainly focusing on advanced optical devices such as metasurfaces and metalenses. It then develops the fundamental theoretical concepts, including localized surface plasmon resonances, modal coupling phenomena, and the genesis of collective modes in particle chains. Finally, the analysis of the simulations highlights how the geometry of the structure critically influences the spectral response of the system. This study aims to contribute to the understanding of light matter interaction mechanisms at the nanoscale, with particular emphasis on the role of phase-change materials such as vanadium dioxide, which open up highly promising perspectives in fields including optical sensing, controlled heat release, and biomedical applications.

Il presente lavoro di tesi propone il progetto e l’analisi di un dispositivo ottico innovativo: un accoppiatore termoplasmonico basato sull’interazione tra una guida d’onda dielettrica e una catena di nanoparticelle d’oro. L’obiettivo principale è comprendere come la luce possa essere controllata e concentrata su scala nanometrica, sfruttando le peculiari proprietà plasmoniche dei metalli. Attraverso simulazioni numeriche realizzate con il software Lumerical FDTD viene studiato il comportamento della struttura e l’efficienza con cui la guida trasferisce energia alle particelle tramite il campo evanescente. L’elaborato offre una prima contestualizzazione delle principali tecnologie e delle applicazioni legate alla plasmonica e alla termoplasmonica, con particolare attenzione a dispositivi ottici avanzati come metasuperfici e metalenti. Successivamente vengono sviluppati i concetti teorici fondamentali, tra cui le risonanze plasmoniche localizzate, i fenomeni di accoppiamento modale e la formazione di modi collettivi nelle catene di particelle. Infine, l’analisi delle simulazioni mette in evidenza come la geometria della struttura influenzi in modo determinante la risposta spettrale del sistema. Questo studio intende offrire un contributo alla comprensione dei meccanismi di interazione luce materia su scala nanometrica, con particolare riferimento al ruolo dei materiali a cambiamento di fase come il biossido di vanadio, che aprono prospettive di grande interesse in campi quali la sensoristica ottica, il rilascio controllato di calore e le applicazioni biomediche.