Étude en champ proche optique de sources plasmoniques actives dans l'infrarouge et spectroscopie locale de l'émission thermique PDF Download
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Author: Arthur Babuty
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Languages : fr
Pages : 167
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Book Description
Nous présentons l'étude en microscopie optique en champ proche à pointe diffusante (a-SNOM) de lasers à cascade quantique (QCLs) spécialement conçus pour la génération électrique de plasmons-polaritons de surface (SPPs) dans le moyen infrarouge. Ces derniers sont générés soit en structurant la surface du ruban du QCL avec un réseau métallique en or, soit par couplage direct à la sortie de la facette du laser avec une piste métallique. Lorsque cette piste est périodiquement structurée, nous montrons qu'il est possible de conférer aux SPPs du moyen infrarouge des propriétés de confinement semblable à celles des SPPs du visible. La structuration de l'extrémité du réseau sous la forme d'une pointe nous a aussi permis de mettre en évidence la concentration de l'énergie des SPPs sur un "point chaud" de taille sub-longueur d'onde. Nous présentons aussi la spectroscopie de l'émission thermique en champ proche réalisée en couplant un a-SNOM, fonctionnant sans illumination externe, avec un spectromètre à transformée de Fourier (FTIR). En investiguant des matériaux polaires présentant des modes de surface appelés phonons-polaritons de surface, nous avons mesuré leurs spectres caractérisés en champ proche par un pic monochromatique. Ce résultat constitue la première démonstration expérimentale de la cohérence temporelle de l'émission thermique en champ proche. Nous montrons sur base d'un modèle théorique développé par nos collaborateurs, que nous mesurons les variations spectrales de la densité locale de modes optiques (LDOS). Ce nouvel instrument nous a permis de développer un nouveau mode de spectroscopie infrarouge résolue spatialement à une échelle sub-longueur d'onde.
Author: Arthur Babuty
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Languages : fr
Pages : 167
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Book Description
Nous présentons l'étude en microscopie optique en champ proche à pointe diffusante (a-SNOM) de lasers à cascade quantique (QCLs) spécialement conçus pour la génération électrique de plasmons-polaritons de surface (SPPs) dans le moyen infrarouge. Ces derniers sont générés soit en structurant la surface du ruban du QCL avec un réseau métallique en or, soit par couplage direct à la sortie de la facette du laser avec une piste métallique. Lorsque cette piste est périodiquement structurée, nous montrons qu'il est possible de conférer aux SPPs du moyen infrarouge des propriétés de confinement semblable à celles des SPPs du visible. La structuration de l'extrémité du réseau sous la forme d'une pointe nous a aussi permis de mettre en évidence la concentration de l'énergie des SPPs sur un "point chaud" de taille sub-longueur d'onde. Nous présentons aussi la spectroscopie de l'émission thermique en champ proche réalisée en couplant un a-SNOM, fonctionnant sans illumination externe, avec un spectromètre à transformée de Fourier (FTIR). En investiguant des matériaux polaires présentant des modes de surface appelés phonons-polaritons de surface, nous avons mesuré leurs spectres caractérisés en champ proche par un pic monochromatique. Ce résultat constitue la première démonstration expérimentale de la cohérence temporelle de l'émission thermique en champ proche. Nous montrons sur base d'un modèle théorique développé par nos collaborateurs, que nous mesurons les variations spectrales de la densité locale de modes optiques (LDOS). Ce nouvel instrument nous a permis de développer un nouveau mode de spectroscopie infrarouge résolue spatialement à une échelle sub-longueur d'onde.
Author: Léo Greusard
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Languages : fr
Pages : 234
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Dans cette thèse, nous adaptons un microscope optique en champ proche à ouverture (SNOM) utilisant une sonde pyramidale creuse et métallisée avec une nano-ouverture au sommet, pour une opération dans le proche infrarouge (IR). Nous employons ce microscope SNOM pour caractériser des diodes laser à multipuits quantiques contraints munies de structures métalliques et conçues pour la génération électrique et intégrée de plasmons-polaritons de surface (SPPs) aux longueurs d’onde télécom. Ces derniers sont excités en structurant la surface du ruban laser avec un réseau en or. L’étude de la distribution du champ dans le plan transverse sur la facette des dispositifs permet également d’analyser l’influence de la structuration métallique sur la cavité et de démontrer un éventuel couplage entre les modes diélectriques et les modes SPPs. Nous développons enfin une technique d’imagerie super-résolue à large plage spectrale (visible-proche IR-IR) exploitant l’action d’un champ électromagnétique modulé en intensité sur la pointe d’un microscope à force atomique. L’étude en fonction de la fréquence de modulation permet de distinguer plusieurs mécanismes mis en jeu dans l’interaction champ-pointe. Nous validons sa capacité à sonder des champs évanescents et des ouvertures sub-longueur d’onde dans un écran métallique, pour une gamme allant du visible jusque dans le moyen IR.
Author: Paul-Arthur Lemoine
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Languages : fr
Pages : 132
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Les microscopes en champ proche optique à pointe diffusante conventionnels (aSNOM) se composent généralement de trois éléments indispensables. Une illumination externe de type laser qui permet la génération d’un champ électromagnétique au niveau de la surface de l’échantillon. Une sonde locale de taille sub-longueur d’onde qui diffuse localement les ondes évanescentes présentes sur la surface tout en remplissant son rôle de pointe de microscope à force atomique. Et enfin un détecteur optique. Le tout est supervisé par une électronique de contrôle qui assure l’asservissement de la sonde et ses déplacements. De tels systèmes permettent l’acquisition de la topographie et de la réponse optique d’un échantillon à la longueur d’onde du laser d’excitation avec une résolution proche de 50nm. Nous avons développé un microscope à pointe diffusante opérant dans la gamme d’énergie infrarouge 6μm-12μm et qui fonctionne sans aucune source externe. Dans ce dispositif, baptisé TRSTM (thermal radiation scanning tunnelling microscope), l’échantillon est chauffé jusqu’à une température de 180°C et devient lui-même la source du rayonnement électromagnétique du dispositif. Le TRSTM sonde la densité locale d’états électromagnétiques à la surface de la structure. L’étude d’îlots d’or déposés sur du carbure de silicium (SiC) a permis de révéler par mesure directe la présence de phonons-polaritons sur le SiC et de mettre en évidence la cohérence du rayonnement thermique en champ proche associée à la présence de plasmons de surface sur l’or. Nous avons poussé l’étude en nous intéressant à la dépendance du signal en fonction de la distance pointe – surface et confronté les données expérimenta
Author: Sakina Benrezzak
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Languages : fr
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: AGNES.. PIEDNOIR
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Languages : fr
Pages : 180
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NOUS AVONS REALISE UN MICROSCOPE OPTIQUE EN CHAMP PROCHE PERMETTANT UNE SPECTROSCOPIE LOCALE DANS LE DOMAINE INFRAROUGE. CET INSTRUMENT DEPASSE LA RESOLUTION SPATIALE DES MICROSCOPES INFRAROUGES CONVENTIONNELS QUI EST LIMITEE PAR LA DIFFRACTION. POUR FRANCHIR CE SEUIL, IL EST NECESSAIRE DE DETECTER ET D'ANALYSER LE CHAMP PROCHE QUI CONTIENT LES INFORMATIONS SUB-LONGUEUR D'ONDE. AINSI, IL EST POSSIBLE DE DONNER UNE SIGNATURE CHIMIQUE LOCALE DES HETEROGENEITES DE SURFACE. LE PRINCIPE DE CE MICROSCOPE EST BASE SUR LA DIFFRACTION FRUSTREE DE L'ONDE EVANESCENTE QUI EXISTE EN SURFACE D'UN SUBSTRAT ECLAIRE EN REFLEXION TOTALE INTERNE. LA CONVERSION DU CHAMP PROCHE EN CHAMP PROPAGATIF SE FAIT AVEC LA POINTE D'UNE FIBRE OPTIQUE EN VERRE DE FLUORURES. LA RESOLUTION SPATIALE EST EN PARTIE LIMITEE PAR L'EXISTENCE D'UN FOND CONTINU DU AU RAYONNEMENT THERMIQUE ET A LA DIFFUSION. CE PROBLEME A PU ETRE ELIMINE GRACE A DES TECHNIQUES D'OSCILLATION DE LA FIBRE OU DE METALLISATION DES BORDS DE LA POINTE. DES IMAGES DE MOTIFS DE SILICE, D'EPAISSEUR 100 NM, DEPOSES SUR SILICIUM ONT ETE CONSTRUITES AVEC DEUX SOURCES INFRAROUGES INTENSES: UN ARC A CASCADE ET LE LASER A ELECTRONS LIBRES CLIO. LA RESOLUTION SPATIALE EST DE L'ORDRE DU MICRON ; LE CONTRASTE N'EST PAS DIRECTEMENT LIE A LA TOPOGRAPHIE, MAIS PEUT TOUTEFOIS ETRE INTERPRETE DANS LE CADRE DES THEORIES EXISTANTES. DE PLUS, LE SPECTRE INFRAROUGE LOCAL DU DOUBLET D'ABSORPTION CARACTERISTIQUE D'UNE RESINE PHOTOSENSIBLE A PU ETRE OBTENU AVEC UNE RESOLUTION SPECTRALE DE QUELQUES NOMBRES D'ONDE. LES PERSPECTIVES ENVISAGEES POUR AMELIORER LES PERFORMANCES DE CE MICROSCOPE (RESOLUTIONS SPATIALE ET SPECTRALE, EXTENSION DU DOMAINE DE LONGUEURS D'ONDE, ETC) SONT DISCUTEES
Author: Alain Richard
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Languages : fr
Pages : 308
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Book Description
L'étude optique d'objets individuels de taille nanométrique (nanoobjets) suppose de développer des outils de sélection spatiale et d'analyse optique à des échelles "ultimes". J'ai réalisé un dispositif dédié à ce type d'études, en combinant la microscopie optique en champ proche à balayage et des méthodes spectroscopiques de fluorescence ou de diffusion Raman. Les informations sur les nanoobjets sont obtenues par imagerie optique hyperspectrale. En chaque point exploré de l'échantillon sont acquis le flux total du signal émis et son spectre enregistré sur un grand domaine spectral.J'ai élaboré à cet effet des dispositifs instrumentaux spécifiques parmi lesquels un capteur de distances nanométriques original, de type "shear-force", entièrement électrique. Le balayage de l'échantillon est assuré par un scanner de 50 micronmètres de dynamique que j'ai réalisé a l'aide d'actionneurs piézoéléctriques. L'hystérésis est compensée par un capteur optique de positions indispensable au re ositionnement précis d'un objet dans la zone d'excitation de champ proche...
Author: Martin Berthel
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Languages : fr
Pages : 0
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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: Jean-Yves Laluet
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Languages : fr
Pages : 228
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Book Description
C'est à la croisée des besoins de miniaturisation de l'optique et de l'avènement des nouvelles technologies que l'optique à base de plasmons de surface (PS) se développe. Le travail présenté dans cette thèse a eu pour but de développer différentes structures et approches pour générer, contrôler et détecter les PS avec l'idée de composer des circuits photoniques hybrides au sein desquels un signal optique est converti en signal plasmonique, manipulé puis reconverti. Les réseaux métalliques de trous sublongueur d’onde, qui ont suscité un vif intérêt suite à la découverte du phénomène de transmission exaltée de la lumière, peuvent également être utilisés comme sources locales de PS. Nous montrons à l’aide d’une modélisation simple et de mesures de champ proche optique comment obtenir des faisceaux PS de grande qualité optique. Des configurations de sources à faisceaux multiples ou unique sont ensuite proposées, et la question de la taille optimale de la structure est traitée. Parallèlement, la question de l'efficacité du couplage de la lumière aux PS est étudiée. Cette étude est menée sur des fentes uniques sublongueur d'onde en analysant les images enregistrées dans le plan Fourier d'un microscope optique à champ de fuite. Une modélisation basée sur une interférence de type Fano permet d'extraire la valeur de l'efficacité de couplage et montre l'existence d’une taille de fente optimale. Enfin, des optiques réfractives sont développées pour contrôler la propagation des PS. Les prismes et lentilles à PS réalisés permettent de dévier et de concentrer le flux plasmonique. Des milieux à gradients d’indice sont aussi obtenus par un contrôle précis des outils de nanofabrication.
Author: GILLES.. PARENT
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Languages : fr
Pages : 182
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Book Description
DANS CE TRAVAIL DE THESE, DEUX TYPES DE PHENOMENES TRANSITOIRES ONT ETE MODELISES. LA PREMIERE PARTIE EST CONSACREE A L'ETUDE DE L'INFLUENCE D'UNE SURFACE RUGUEUSE NON ALEATOIRE SUR LA DUREE DE VIE DE FLUORESCENCE D'UNE MOLECULE AU VOISINAGE DE CETTE SURFACE. CETTE ETUDE SE RAMENE EN FAIT A UN CALCUL DE DIFFRACTION PAR UNE SURFACE D'UN CHAMP INCIDENT CORRESPONDANT AU CHAMP EMIS PAR UN DIPOLE. CE CALCUL DE DIFFRACTION EST REALISE PAR UN DEVELOPPEMENT EN ONDE PLANES DU CHAMP ELECTROMAGNETIQUE (METHODE DE RAYLEIGH). CE FAISANT UN PSEUDO FONCTION DE TRANSFERT RELIANT LES VARIATIONS DE DUREE DE VIE AU PROFIL DE LA SURFACE EST INTRODUITE. CETTE FONCTION DE TRANSFERT FACILITE GRANDEMENT LES CALCULS ULTERIEURS ET L'INTERPRETATION DES RESULTATS. LA FONCTION DE TRANSFERT EST ETUDIEE POUR DES SURFACES DIELECTRIQUES ET METALLIQUES, ET DES EXEMPLES D'IMAGES NUMERIQUES SONT PRESENTES. L'APPLICATION A LA MICROSCOPIE OPTIQUE DE CHAMP PROCHE EST LARGEMENT DISCUTEE : RESOLUTION, DYNAMIQUE DU SIGNAL, FIDELITE DE L'IMAGE LA SECONDE PARTIE ETUDIE LA PROPAGATION DE DISTRIBUTIONS INITIALES DE CHAMP ELECTROMAGNETIQUE CORRESPONDANT A DES IMPULSIONS LUMINEUSES ULTRA-BREVES. CETTE PROPAGATION EST REALISEE A L'AIDE D'UNE DISCRETISATION DIRECTE DES EQUATIONS DE MAXWELL (METHODE FDTD). L'ALGORITHME PERMETTANT DE PRENDRE EN COMPTE LA DISPERSION DES MATERIAUX METALLIQUES EST PREALABLEMENT TESTE PAR COMPARAISON AVEC DES RESULTATS ANALYTIQUES OBTENUS DANS LE CAS D'UNE PROPAGATION A TRAVERS UNE COUCHE PLANE. CETTE METHODE EST ENSUITE APPLIQUEE A LA PROPAGATION DE PLASMONS DE SURFACES SUR DES SURFACES NON PLANES PUIS A LA PROPAGATION DANS UN MODELE 2D DE POINTES DIELECTRIQUES, RECOUVERTES OU NON D'UNE COUCHE METALLIQUE. PAR AILLEURS, VIA LA TRANSFORMEE DE FOURIER, LES RESULTATS TEMPORELS OBTENUS PAR CETTE METHODE SONT EQUIVALENTS A UNE ETUDE SPECTROSCOPIQUE EN REGIME PERMANENT.
Author: Matthieu Roblin
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Languages : fr
Pages : 202
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Book Description
Cette thèse est consacrée à l’étude théorique et expérimentale de guides d’onde plasmoniques fonctionnant à la longueur d’onde de 1,55μm. Ces guides d’onde plasmoniques sont envisagés comme interconnexions optiques avec un confinement latéral sub-longueur d’onde. Différents codes de simulations ont été développés à la fois comme outils de prédiction pour la conception des composants mais également pour comparer systématiquement les résultats du calcul avec les mesures expérimentales. Un premier modèle 2D basé sur une approche multicouche a été utilisé pour identifier les modes plasmoniques sur des structures planaires. Un solveur de mode a ensuite permis de déterminer les modes propres dans des guides d’onde plasmoniques de formes diverses. Finalement, ces deux codes ont été utilisés pour implémenter une source optique dans un code FDTD (Finite-Difference Time-Domain) utilisé pour simuler numériquement, par éléments finis, des structures plasmoniques en 2D ou 3D. Deux catégories de guides d’onde plasmoniques ont été fabriquées par lithographie par faisceaux d’électrons. Un montage de microscopie en champ proche SNOM fonctionnant par étro-injection laser a été pour caractériser expérimentalement les propriétés optiques de ces structures. La première catégorie est constituée de bandes métalliques en or caractérisées par une longueur de propagation élevée mais un confinement latéral limité. La seconde catégorie est constituée par des rubans en polymère déposés sur une couche d'or. Ces guides, dits DLSPP, présentent un confinement optique sub-longueur d’onde qui permet de combler l’écart d’échelle entre des composants optiques et des circuits intégrés électroniques.
