Optical metasurfaces are surfaces structured at the subwavelength scale to manipulate light. When composed of metal, they form plasmonic metasurfaces, where light manipulation is achieved via the excitation of plasmons —collective oscillations of free electrons in the metal. One of the methods to excite plasmons is grating coupling, which utilizes periodic structures to satisfy momentum conservation. Plasmonic metasurfaces can confine and enhance electromagnetic fields, making them highly useful in applications such as biosensing. They can be used as refractive index sensors as well as in label-free detection of molecules through surface-enhanced infrared absorption spectroscopy (SEIRA). For SEIRA applications, manipulating the wavelength of plasmonic resonance is crucial. The spectral position of resonances induced by grating coupling can be tuned by altering geometrical parameters as well as the incidence angle of light. This study investigates plasmonic metasurfaces in the mid-infrared (mid-IR) range, conformal to three-dimensional substrates. A novel design of a plasmonic metasurface using grating coupling excitation of plasmons placed on a special reflector is proposed. The structure should enable non-normal incidence of light in a compact, integrable format. Finite-difference time-domain simulations were used to identify optimal parameters of the structure, considering performance and fabrication limitations. The results suggest that a metal-insulator-metal structure with an array of holes is advantageous in the mid-IR. Structures were fabricated using two-photon polymerization printing. While some fabricated structures exhibited plasmonic resonance behaviour, printer malfunctions prevented the production of satisfactory spectra. Nevertheless, this work provides insights into the manipulation of plasmonic resonances and establishes a foundation for fabricating actual structures in the near future.

”Infraröd plasmonisk metasytor baserad på 3D-framställning” Optiska metaytor är ytor strukturerade på subvåglängdsskala för att manipulera ljus. När de är sammansatta av en metall bildar de plasmoniska metaytor, där ljusmanipulation uppnås via excitation av plasmoner - kollektiva oscillationer av fria elektroner. En av metoderna för att excitera plasmoner är gitterkoppling, som använder periodiska strukturer för att tillfredsställa momentumbevarande. Plasmoniska metaytor kan begränsa och förstärka elektromagnetiska fält, vilket gör dem mycket användbara som sensorer för exempelvis biomolekyler. De kan användas som brytningsindexsensorer såväl som i etikettfri detektion av molekyler med ytförstärkt infraröd absorptionsspektroskopi (SEIRA). För SEIRA-applikationer är det avgörande att manipulera den plasmoniska resonansfrekvensen. Resonansfrekvensen som induceras av gitterkoppling kan ställas in genom att ändra geometriska parametrar såväl som ljusinfallsvinkeln. Detta arbete undersöker plasmoniska metaytor i det mellaninfraröda (mid-IR) området, konforma med tredimensionella substrat. En ny design av en plasmonisk metayta med gitterkopplingsexcitering av plasmoner, placerade på en speciell reflektor föreslås. Strukturen ska möjliggöra icke-normala infallsvinklar av ljus i ett kompakt och integrerbart format. Tidsdomänsimuleringar (FTDT - finite difference time domain) användes för att identifiera optimala parametrar, med hänsyn till såväl prestanda som tillverkningsbegränsningar. Resultaten tyder på att en metall-isolator-metallstruktur med en matris av hål är optimal i mid-IR. Strukturerna tillverkades med användning av 3D-skrivning genom tvåfotonpolymerisation. De tillverkade metaytorna uppvisade det sökta plasmoniska resonansbeteendet, men skrivarfel försvårade produktionen av metaytor med tillfredsställande precision i de geometriska parametrarna. Ändå ger arbetet insikt i manipulation av plasmoniska resonanser och en solid grund för tillverkning av faktiska strukturer.