Cavity-modified fluorescence in the weak and strong coupling regimes
Zayıf ve güçlü kuplaj rejimlerinde kavite-modifiye floresans
- Tez No: 982415
- Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ WON MI AHN
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Bilim ve Teknoloji, Science and Technology
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İhsan Doğramacı Bilkent Üniversitesi
- Enstitü: Mühendislik ve Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Malzeme Bilimi ve Nanoteknoloji Ana Bilim Dalı (disiplinlerarası)
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Optik mikrokavitelerde floresansın modülasyonu, algılama, lazer ve fotonik aygıtlar için ışık–madde etkileşimlerinin mühendisliğinde güçlü bir yol sunar. Düzlemsel metalik aynaların bir aktif ortamı çevrelemesiyle oluşan Fabry–Pérot (FP) kaviteleri, ışıma dinamiklerinin zayıf ve güçlü kuplaj rejimleri arasında denetimli olarak ayarlanmasına imkân verir. Zayıf kuplaj rejiminde kaviteler Purcell etkisiyle ısınım hızlarını yeniden şekillendirirken, güçlü kuplajda koherent eksiton–foton etkileşimleri vakum Rabi yarılması ve eksiton–polaritons oluşumuna yol açar. Rodaminler gibi dar çizgi genişlikli boyalarla güçlü kuplaj geniş ölçüde gösterilmiş olsa da, fluorescein gibi geniş bant yayıcıların kavite içinde sergilediği davranış yeterince anlaşılmış değildir. Bu tez, FP mikrokavitelerine gömülü fluorescein katkılı poli(metil metakrilat) (PMMA) ince filmlerin sistematik bir deneysel incelenmesini sunar. Fluorescein iki derişimde kullanılmıştır: düşük (20 µg/mL) ve yüksek (60 mg/mL); filmler 1000–5000 rpm döndürerek kaplama hızlarıyla elde edilen çoklu kalınlıklar üzerinde çalışılmıştır. Düşük derişimli seri 486, 349, 291, 253 ve 240 nm; yüksek derişimli seri ise 669, 476, 380, 334 ve 307 nm kalınlıklarından oluşur. Optik özellikler spektral elipsometri, UV–Vis spektroskopisi, durağan durum floresansı ve açısal çözünürlüklü yansıtma ile karakterize edilmiştir. Ölçülen kırılma indisleri ve sönüm katsayıları dâhil edilerek yapılan Transfer Matris Yöntemi (TMM) benzetimleri, deneysel sonuçları doğrulamıştır. Düşük boya derişiminde kavite kısıtlaması, mod yarılması olmaksızın belirgin spektral yeniden şekillenme üreterek zayıf kuplaj rejimiyle tutarlı sonuçlar vermiştir. Buna karşılık, yüksek derişimli örnekler güçlü eksiton–foton kuplajının açık imzalarını sergilemiştir. Açısal çözünürlüklü elipsometri, karmaşık düzlemde yörüngelerinde ikincil döngüler ortaya koyarken, yansıma dağılım (dispersiyon) haritaları kavite kipleri 467 nm civarındaki fluorescein eksiton geçişiyle çakıştığında“anticrossing”davranışı göstermiştir. Açısal çözünürlüklü dispersiyon, üç osilatörlü (kavite + iki eksiton) bir modele uydurulmuş ve vakum Rabi yarılmaları 34,8 nm ile 48,5 nm aralığında bulunmuştur; ayrıca dispersiyonda 467 nm yakınında kavite-benzeri dalın“geri bükülme”(back-bending) gösterdiği gözlenmiştir. Bu sonuçlar, geniş çizgi genişliğine rağmen fluorescein'in, yüksek derişim ve ayarlanmış kavite kalınlığı koşullarında güçlü kuplaja ulaşabildiğini göstermektedir. Çalışma, geniş bantlı boyalarla kavite–yayıcı etkileşimlerinin nicel incelenmesi için bir çerçeve sunar ve gelecekteki kaviteyle güçlendirilmiş ışık kaynakları, lazerleri ve floresansa dayalı algılama uygulamaları için tasarım ilkeleri sağlar.
Özet (Çeviri)
The modulation of fluorescence in optical microcavities provides a powerful route for engineering light–matter interactions, with applications in sensing, lasing, and photonic devices. Fabry–Pérot (FP) cavities, composed of planar metallic mirrors enclosing an active medium, enable controlled tuning of emission dynamics across weak and strong coupling regimes. In the weak coupling regimes, cavities reshape radiative decay rates via the Purcell effect. In contrast, in the strong coupling regime, coherent exciton–photon interactions produce vacuum Rabi splitting and exciton–polariton formation. While strong coupling has been extensively demonstrated using narrow-linewidth dyes, such as rhodamines, the behavior of broadband emitters, like fluorescein, under cavity confinement remains poorly understood. This thesis presents a systematic experimental investigation of fluorescein-doped poly(methyl-methacrylate) (PMMA) thin films embedded in FP microcavities. Two concentrations of fluorescein were used, low (20 µg/mL) and high (60 mg/mL), across multiple film thicknesses defined by spin coating speeds (1000–5000 rpm). The low-concentration series comprised films with the thickness of 486, 349, 291, 253, and 240 nm, while the high-concentration series comprised cavities with the film thickness of 669, 476, 380, 334, and 307 nm. Optical properties were characterized by spectroscopic ellipsometry, UV–Vis spectroscopy, steady-state fluorescence, and angle-resolved reflectance. Transfer matrix method (TMM) simulations, incorporating measured refractive indices and extinction coefficients, validated experimental results. At low dye concentrations, cavity confinement primarily induced significant spectral reshaping without mode splitting, consistent with the weak coupling regime. In contrast, high-concentration samples exhibited clear signatures of strong exciton–photon coupling. Angle-resolved ellipsometry revealed secondary loops in the complex-plane ρ trajectories, while reflectance dispersion maps displayed anticrossing behavior when cavity modes overlapped with the fluorescein excitonic transition near 467 nm. Angle-resolved dispersion was fitted with a three-coupled-oscillator model, yielding vacuum Rabi splittings ranging from 34.8 nm to 48.5 nm, and the dispersion shows back-bending of the cavity mode near 467 nm, consistent with exciton–photon coupling. These results demonstrate that, despite its broad linewidth, fluorescein can achieve strong coupling under optimized conditions of high concentration and tuned cavity thickness. The work provides a quantitative framework for extending cavity–emitter studies to broadband dyes and offers design principles for future cavity-enhanced light sources, lasers, and fluorescence-based sensors.
Benzer Tezler
- Süt azı dişlerinin kontak noktası çürüklerinin tanısında kavo diagnodent pen®'in etkinliği, sono-abrazyon ve geleneksel yöntemlerle mikroinvaziv kavite hazırlıkları ve restorasyonların klinik değerlendirmesi
The efficiency of kavo diagnodent pen® in the diagnosis of approximal caries, cavity preparations with traditional and sono-abrasive techniques and clinical evaluation of restorations
CEVAT ERDEM ÖZDEMİR
- Yakın kızılötesi bölgede Ag+, Cu2+ ve Hg2+ iyonlarının maskeleme ajanları ile ayrımsal ve hassas tespiti için ftalosiyanin tabanlı kimyasal sensörün geliştirilmesi
Development of a phthalocyanine-based chemical sensor for the discriminative and sensitive detection of Ag+, Cu2+ and Hg2+ ions with masking agents in the near infrared region
DİLA ÇETİN
- Potential of microdroplet lasers for optofluidic biosensing applications
Mikrodamla lazerlerin olası opto-akışkan biyoalgılama uygulamaları
MEHDİ AAS
Doktora
İngilizce
2015
Fizik ve Fizik MühendisliğiKoç ÜniversitesiFizik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ALPER KİRAZ
- Tiyazol grupları içeren ftalosiyaninler
Thiazole substituted phthalocyanines
HİLAL ZENGİN UZUNMEHMETOĞLU
- Distal çürüklü üst birinci büyük azı dişlerinde açılan modifiye giriş kavitesinin ve akışkan kompozit kullanımının kök kanal tedavisi sonrası dişlerin kırılma direnci üzerine etkisi
The effect of modified access cavity preparations by preventing oblique ridge and using flowable composite of fracture resistance in distally decayed maxiller first molar teeth after endodontic treatment
ŞEBNEM EROL
Doktora
Türkçe
2009
Diş HekimliğiGazi ÜniversitesiDiş Hastalıkları ve Tedavisi Ana Bilim Dalı
PROF. DR. A. CEMAL TINAZ