Fabrication of submicrometer 3D structures by one-photon absorption direct laser writing and applications

par Mai Trang Do

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Ngoc Diep Lai.

Soutenue le 19-01-2015

à Cachan, Ecole normale supérieure , dans le cadre de École doctorale Sciences pratiques (1998-2015 ; Cachan, Val-de-Marne) , en partenariat avec Laboratoire de Photonique Quantique et Moléculaire (laboratoire) .

Le jury était composé de Sylvain Girard, Etienne Brasselet, Isabelle Ledoux-Rak.

Les rapporteurs étaient Bruno Bêche, Delphine Marris-Morini.

  • Titre traduit

    Fabrication et applications de structures 3D submicrométriques par écriture laser direct utilisant l'absorption à un photon


  • Résumé

    Ce travail porte sur l’étude d’une nouvelle technique de microscopie basée sur le phénomène d’absorption linéaire ultra-faible (LOPA) de matériaux photosensibles pour la fabrication de structures submicrométriques à deux et à trois dimensions (2D, 3D). Premièrement, nous avons étudié théoriquement la distribution de l'intensité lumineuse dans la région focale d’un objectif de microscope de grande ouverture numérique en fonction des différentes conditions de travail, telles que la propagation de la lumière dans un milieu absorbant avec variation d'indice de refraction. Nous avons démontré que lorsque l'on travaille avec un matériau quasi homogène ayant de très faible absorption à la longueur d’onde du faisceau d’excitation, le faisceau laser peut être focalisé en profondeur à l'intérieur du matériau, ce qui permet de manipuler optiquement des objets en 3D. Nous avons ensuite démontré expérimentalement l'utilisation de cette technique pour fabriquer des structures à la demande. Différentes structures 2D et 3D submicrométriques ont été crées en résine SU-8, en utilisant un laser continue de faible puissance à 532 nm. Ces résultats sont similaires à ceux obtenus par la méthode d’absorption à deux photons, mais le coût de fabrication a été énormément réduit. De plus, nous avons démontré qu'il est possible de fabriquer des structures photoniques à base de polymère contenant une seule nanoparticule (NP), en utilisant un procédé à deux étapes. En effet, nous avons d'abord déterminé avec précision la position d'une seule NP d’or, en utilisant une puissance d’excitation très faible, puis nous l'avons insérée dans une structure photonique par une puissance d’excitation plus élevée. Le couplage d'une NP d’or et d'une structure photonique à base de polymère a été ensuite étudié théoriquement et expérimentalement, montrant une amélioration importante de la collection des photons émis par la NP.


  • Résumé

    This work deals with a novel microscopy technique based on the ultra-low one-photon absorption (LOPA) mechanism of photosensitive materials for fabrication of arbitrary two- and three-dimensional (2D, 3D) submicrometer structures. First, we theoretically investigated the intensity distribution at focusing region of a high numerical aperture objective lens as a function of various working conditions, such as propagation of light mismatched refractive index and/or absorbing media. We demonstrated that when working with refractive index mismatch-free and very low absorption conditions, the light could be focused deeply inside the material, allowing a 3D optical manipulation. We then demonstrated experimentally the use of this simple technique for fabrication of desired structures. Different 2D and 3D structures, with a feature as small as 150 nm, have been created in SU-8 photoresist by using a low power and continuous-wave laser emitting at 532 nm. Furthermore, we demonstrated that it is possible to fabricate a polymer-based photonic structure containing a single nanoparticle (NP), by using a double-step method. Indeed, the LOPA microscopy allowed us first to accurately determine the location of a single gold NP and then to embed it as desired into an arbitrary SU-8 photonic structure. The coupling of a gold NP and a polymer-based photonic structure was theoretically and experimentally investigated showing a six-fold photons collection enhancement as compared to that of a NP in unpatterned film.


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