Plasmonique classique et quantique sous pointe optique par microscopie en champ proche PDF Download
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Author: Martin Berthel
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Book Description
À la surface d'un métal, la lumière visible peut se coupler avec les électrons libres pour engendrer une quasi-particule particulièrement intéressante, le plasmon-polariton de surface. Cet objet a pour propriété d'être évanescent dans les directions perpendiculaires à la surface, ce qui en fait un support idéal pour transporter l'information lumineuse à deux dimensions, et sur des échelles sub-longueur d'onde. S'il est excité par une source quantique, il conserve cet aspect quantique du signal, même si des millions d'électrons sont impliqués dans sa propagation.Dans ce manuscrit, je présente les résultats expérimentaux et théoriques obtenus en plasmonique de surface durant mon doctorat. En associant l'utilisation de centres colorés azote-lacune (NV) dans les nanodiamants, qui sont des émetteurs de photons uniques, et d'un microscope optique en champ proche (SNOM), j'ai pu étudier de nombreuses propriétés du centre NV et des plasmons de surface dans les domaines classique et quantique.Notamment, j'ai réalisé une étude complète de la photo-dynamique interne du centre NV, dans différents régimes d'excitation. De plus, j'ai étudié le mode d'imagerie des plasmons de surface qu'est la microscopie à fuite radiative, en mettant en lumière certaines aberrations optiques pouvant survenir dans des conditions de désaccord d'indices optiques. J'ai ensuite effectué des mesures de corrélations spatio-temporelles de plasmons de surface excités par des centres NV, grâce à un système expérimental spécifique que j'ai mis en œuvre.Enfin, je décris dans ce manuscrit les toutes premières études de l'interaction des plasmons avec différentes cavités elliptiques et paraboliques gravées dans le métal, qui ont mené notamment à des mesures de densité locales d'états (LDOS) plasmonique.
Author: Martin Berthel
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À la surface d'un métal, la lumière visible peut se coupler avec les électrons libres pour engendrer une quasi-particule particulièrement intéressante, le plasmon-polariton de surface. Cet objet a pour propriété d'être évanescent dans les directions perpendiculaires à la surface, ce qui en fait un support idéal pour transporter l'information lumineuse à deux dimensions, et sur des échelles sub-longueur d'onde. S'il est excité par une source quantique, il conserve cet aspect quantique du signal, même si des millions d'électrons sont impliqués dans sa propagation.Dans ce manuscrit, je présente les résultats expérimentaux et théoriques obtenus en plasmonique de surface durant mon doctorat. En associant l'utilisation de centres colorés azote-lacune (NV) dans les nanodiamants, qui sont des émetteurs de photons uniques, et d'un microscope optique en champ proche (SNOM), j'ai pu étudier de nombreuses propriétés du centre NV et des plasmons de surface dans les domaines classique et quantique.Notamment, j'ai réalisé une étude complète de la photo-dynamique interne du centre NV, dans différents régimes d'excitation. De plus, j'ai étudié le mode d'imagerie des plasmons de surface qu'est la microscopie à fuite radiative, en mettant en lumière certaines aberrations optiques pouvant survenir dans des conditions de désaccord d'indices optiques. J'ai ensuite effectué des mesures de corrélations spatio-temporelles de plasmons de surface excités par des centres NV, grâce à un système expérimental spécifique que j'ai mis en œuvre.Enfin, je décris dans ce manuscrit les toutes premières études de l'interaction des plasmons avec différentes cavités elliptiques et paraboliques gravées dans le métal, qui ont mené notamment à des mesures de densité locales d'états (LDOS) plasmonique.
Author: Oriane Mollet
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Les plasmons de surface (SP) sont des modes du champ électromagnétique confinés à l'interface entre un métal et un diélectrique. De par leur nature hybride, les SP permettent de concentrer et manipuler la lumière à des échelles sub-longueur d'onde. Ces propriétés sans précédent suscitent un grand intérêt, en particulier pour le transport et le traitement de l'information quantique mais aussi pour le contrôle de l'émission spontanée d'émetteurs fluorescents. Les études présentées dans ce manuscrit s'intéressent au couplage de nanostructures plasmoniques avec des nanoparticules luminescentes. L'outil utilisé est un microscope optique en champ proche (SNOM) dans lequel la nano-source de lumière est un nano-objet fluorescent attaché en bout de pointe (sonde active). Cette technique permet à la fois d'augmenter la résolution théorique accessible en SNOM mais aussi de positionner la sonde avec une précision nanométrique et de l'exciter directement grâce à la lumière laser injectée dans la fibre optique. En utilisant uniquement la lumière émise par l'objet, ces pointes ouvrent la voie à des études originales en nano-optique et en plasmonique. Dans ce travail de thèse, deux aspects distincts ont été abordés. D'une part, nous avons étudié les propriétés des plasmons de surface dans le régime de la plasmonique quantique en utilisant pour cela une sonde active fabriquée à base d'un émetteur de photons uniques, le centre NV (nitrogen-vacancy) contenu dans les nano-diamants. Les résultats fondamentaux obtenus sur ce système permettent d'envisager de nombreuses expériences en plasmonique quantique. D'autre part, le travail de développement des sondes actives à base de nanocristaux de YAG (yttrium-aluminum garnet) dopés au cérium a été poursuivi. Ces sondes nous ont permis de démarrer de nouvelles études sur les résonances plasmoniques localisées de particules colloïdales en or.
Author: Mickae͏̈l Brun
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Pages : 149
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Book Description
La microscopie optique en champ proche permet, par sa grande résolution spatiale, d'isoler des nano-objets individuels. Il est ainsi possible de mener des études spectroscopiques très locales qui s'affranchissent de l'effet de moyenne sur un grand nombre d'individus imposé aux études en champ lointain et, donc, de comprendre les phénomènes physiques mis en jeu à l'échelle d'un nano-objet unique. La mise en oeuvre d'un microscope optique en champ proche fonctionnant à des températures cryogéniques requiert des solutions technologiques adaptées. Celles-ci sont décrites en détail dans la première partie de ce travail, ainsi que l'optimisation des réglages nécessaires au fonctionnement à basse température. Les différentes potentialités de l'instrument sont ensuite montrées expérimentalement sur des boîtes quantiques semi-constructrices II-VI, dans le mode dynamique par la réalisation de cartographies de luminescence, et en mode statique par la spectroscopie d'une boîte quantique unique. Cette dernière révle un comportement nouveau, attribué à un complexe multiexcitonique chargé, qui fait l'objet d'une discussion. Enfin, la possibilité d'adresser des boîtes quantiques par la propagation d'une onde de plasmon de surface dans un écran métallique déposé sur la structure semi-conductrice est démontrée expérimentalement.
Author: Rabeb Jazi
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Les nanocristaux semi-conducteurs colloïdaux possèdent des propriétés photo-physiques qui en font des objets de choix pour des applications variées, comme le marquage biologique, le photovoltaïque ou encore l'optique quantique. Leur interaction avec une structure photonique peut modifier leurs propriétés d'émission (durée de vie, intensité...). Le microscope optique de champ proche est un outil privilégié pour venir sonder ces modifications à l'échelle nanométrique.Cette thèse porte sur la réalisation d'une sonde active de champ proche réalisée à partir d'un nanocristal cœur/coquille CdSe/CdS greffé à l'apex d'une fibre optique amincie. Cette sonde est utilisée pour cartographier, dans les 3 dimensions de l'espace et à l'échelle nanométrique, les variations de durée de vie de l'émetteur. Elle permet de rendre compte des variations des modes photoniques sur la surface.Une partie de cette thèse porte sur la réalisation de la sonde active elle-même. Grâce à cette sonde les études sont alors développées sur un réseau de trous dans un film mince d'or. Des simulations FDTD ont été réalisées dans le but de déterminer les paramètres pertinents du réseau et d'analyser leur réponse en champ proche.Les résultats expérimentaux des durées de vie en divers points de différents réseaux, obtenus avec la sonde active, sont confrontés aux résultats numériques.
Author: Stéphane Petit
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Pages : 162
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Ce travail présente un nouveau moyen d’enregistrement et de lecture de données dans un matériau à changement de phase. La technique utilisée pour l’écriture est basée sur le phénomène d’exaltation du champ électromagnétique à l’extrémité d’une sonde dans des conditions d’éclairage particulières, connu sous le nom d’effet de pointe optique. La lecture des motifs de tailles submicroniques ainsi réalisés est alors effectuée par microscopie optique en champ proche à sonde diffusante. Les différentes configurations des montages mis en œuvre pour la lecture et les résultats obtenus sont présentés et analysés de façon à retenir un mode optimal d’éclairage et de collection du signal. Afin de mieux appréhender le potentiel de la méthode proposée, l’intensité d’énergie électromagnétique absorbée par le matériaux à changement de phase en présence d’une pointe, obtenue par des simulations numériques utilisant la méthode des éléments finis, est présentée
Author: Fadi Issam Baida
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Pages : 203
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Ce travail de recherche se situe dans la dynamique des microscopies dites en "champ proche" ou à sondes locales. La résolution de ces microscopies dépend des effets physiques liés à la géométrie de la sonde et au type d'interaction de cette dernière avec l'échantillon à analyser. Dans ce contexte, nous avons développé, réalisé et exploité un instrument combinant deux détections : l'une optique et l'autre à forces atomiques. La première permet de déterminer la distribution du champ lumineux au voisinage immédiat de l'objet tandis que la détection de force fournit la topographie du même site de l'objet. La double détection a été démontrée. A partir de ces deux informations, il est possible de mieux comprendre les phénomènes d'interaction matière-rayonnement à l'échelle nanométrique et de mettre en évidence les effets optiques directement liés soit à la topographie soit à la nature physico-chimique de l'objet. Deux essais d'optimisation des images optiques ont été développés, soit par métallisation de la pointe, soit par l'exploitation de l'interférométrie optique en champ proche. Le dernier chapitre est une modélisation des microscopes optiques en champ proche basée sur un calcul perturbatif au premier ordre permettant de calculer le champ électromagnétique diffracté par l'ensemble sonde-objet (méthode couplée).
Author: Sakina Benrezzak
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Pages : 157
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L'étude expérimentale et théorique dans le domaine du champ proche optique de l'excitation de plasmons de surface localisés sur une nano-particule métallique isolée est l'idée directrice de ce manuscrit. L'étude approfondie de leurs propriétés optiques à l'aide du microscope optique en champ proche à sonde sans ouverture (SNOM) développé au laboratoire à un objectif double : exploiter leurs propriétés de résonance pour exalter les signaux mesurés en spectroscopie Raman augmentée de surface, en microscopie et spectrocopie optiques en champ proche et améliorer la compréhension des processus physiques intervenant dans la caractérisation des surfaces à une échelle sub-longueur d'onde. Le dispositif expérimental est basé sur un microscope à force atomique (AFM). Celui-ci permet l'utilisation d'une sonde en silicium en tant que sonde diffusant le champ proche. L'AFM permet également l'asservissement nécessaire à la régulation de la distance sonde-échantillon. Une étude préliminaire a validé la capacité du microscope optique en champ proche à détecter une onde champ proche de référence, l'onde évanescente de Fresnel montrant ainsi le rôle joué par chacun des paramètres expérimentaux du SNOM. Nous avons réalisé une modélisation du système de détection optique et l'avons comparé aux résultats expérimentaux. Dans la partie principale du manuscrit, nous présentons les images de champs proche optique d'une particule d'or. Ces images sont l'aboutissement d'une étude approfondie où nous avons progressivement amélioré les performances du microscope. Nous nous sommes assurés que l'information extraite de ces images n'est pas issue d'artéfacts. Ces travaux ont permis de déterminer la résonance optique en champ proche d'une particule d'or isolée et une première approche comparative avec des modèles simples a été réalisée. Ces résultats sont prometteurs pour la compréhension du processus de détection des signaux de champ proche et pour leur exploitation en spectroscopie locale.
Author: Kim Anh Aline Pham
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Book Description
L'objectif de ce projet de thèse est de mettre en évidence des phénomènes de chiralité optique induits dans des systèmes plasmoniques. La manipulation des différents degrés de liberté de la lumière est mise en évidence par le biais de techniques expérimentales complémentaires basées sur la tomographie en polarisation, la microscopie à fuites radiatives et la microscopie en champ proche optique (SNOM). D'une part, nous rapportons une méthode de caractérisation non-invasive afin de révéler la présence conjointe de chiralité planaire et volumique au sein de métasurfaces plasmoniques. Pour décrire cette chiralité mixte, une généralisation du modèle de Kuhn est développée. D'autre part, nous démontrons deux dispositifs plasmoniques exploitant le couplage spin-orbite optique pour contrôler les moments angulaires de spin et orbitaux de la lumière. En particulier, le mécanisme réciproque de l'effet spin Hall optique est démontré à l'aide de nano-ouvertures en forme de T: la trajectoire des plasmons de surface est adressée dans le moment angulaire de spin des photons. Cette fonctionnalité est ensuite mise en œuvre dans une expérience de brouillage d'interférence. La génération de vortex plasmoniques est également réalisée par le biais de cavités spirales, dont la chiralité conditionne l'intensité et le moment angulaire orbital des vortex. Enfin, une preuve de concept sur la mesure de la densité locale d'états optique, façonnée par un environnement chiral, est démontrée à l'aide d'une sonde SNOM classique et quantique. Ce travail permet de connecter les grandeurs de densité et de flux de chiralité aux interactions lumière-matière. L'étude de la chiralité dans le contexte de la plasmonique ouvre des perspectives prometteuses dans la nano-manipulation optique, la séparation de molécules chirales et le contrôle de sources quantiques.
Author: Aurelien Drezet
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Pages : 426
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Book Description
En microscopie à champ proche optique dite "à ouverture" la lumière est confinée dans une ouverture de diamètre de l'ordre de 100 nm située en bout d'une fibre optique étirée et métallisée qui fait office de sonde excitatrice locale. Cette microscopie de proximité se carctérise essentiellement par l'utilisation des propriétés non propagatives de la lumière transmise par l'ouverture. Après un rappel des principes de bases de l'optique en champ proche et une description du fonctionnement du microscope utilisé dans ce travail, nous développons une étude théorique et analytique des profils d'émission en champ lointain de la pointe qui permet de justifier les propriétés observées expérimentalement dans ses carctérisations goniométriques. Ensuite, nous présentons un ensemble de résultats expérimentaux concernant l'étude de nano-objets fluorescents susceptibles d'améliorer notre compréhension des propriétés électromagnétiques locales du champ proche de la pointe. cette étude se termine par une discussion théorique sur la validité des modèles communément admis pour le champ proche (modèle de Bouwkamp) et par une présentation des premiers résultats de détection de molécules uniques obtenus à l'aide de ce microscope.
Author: Kevin Foubert
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Languages : fr
Pages : 214
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Book Description
Depuis une vingtaine d’années, l’optique bénéficie des avancées considérables de la microélectronique. Ainsi, il est maintenant possible de produire, guider, confiner ou encore ralentir la lumière sur puce à une échelle sub-longueur d’onde. Dans cette thèse, nous étudions de tels composants par l’intermédiaire d’un microscope en champ proche optique (SNOM). La première partie présente une vision d’ensemble de la situation actuelle en nanophotonique intégrée sur substrat diélectrique. Elle expose plusieurs enjeux et faits marquants récents dans ce domaine. Elle introduit également le principe physique et le fonctionnement d’un SNOM dans les grandes lignes. La seconde partie est consacrée à la microscopie en champ proche optique d’un point de vue instrumental. Après une analyse physique, nous détaillons le montage de notre propre microscope sur le banc de caractérisation optique du laboratoire, avant d’analyser la formation des images optiques obtenues avec cette technique. La troisième partie concerne l’étude de guides d’onde couplés en Silicium sur isolant (SOI), dans lesquels s’intègrent des nano-cavités optiques. Les phénomènes de couplage par recouvrement de champs évanescents sont étudiés numériquement et analytiquement. L’analyse de ces structures grâce au SNOM nous a permis d’une part de vérifier la validité de ces modèles, et d’autre part d’observer directement le guidage et le confinement de la lumière dans un milieu de faible indice de réfraction. Nous montrons cependant que ces résultats restent très sensibles aux aléas de fabrication. Enfin, nous mettons en évidence grâce au SNOM et à des mesures spectrales que la description de structures de N cavités juxtaposées peut être approchée par la théorie des modes couplés.
