Vers l'optique intégrée à l'échelle nanométrique : couplage plasmon-émetteur dans des structures plasmoniques

Towards integrated optics at the nanoscale : plasmon-emitter coupling using plasmonic structures

• Auteur / Autrice : Nancy Rahbany
• Direction : Renaud Bachelot, Christophe Couteau
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux, Mécanique, Optique et Nanotechnologie
• Date : Soutenance le 25/03/2016
• Etablissement(s) : Troyes
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Sciences pour l'Ingénieur (Troyes, Aube)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Charles Delaunay / ICD
• Jury : Président / Présidente : Pascale Senellart
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Renaud Bachelot, Christophe Couteau, Pascale Senellart, Gérard Colas des Francs, Jean-Pierre Hermier, Mete Atature
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Gérard Colas des Francs, Jean-Pierre Hermier

Mots clés

Mots clés contrôlés

Fluorescence

Nanoparticules

Photoluminescence

Plasmons

Optique intégrée

Optique quantique

Nanophotonique

Mots clés libres

Nanophotonique

Optique quantique

Optique intégrée

Plasmons

Photoluminescence

Nanoparticules

Fluorescence

Nanophotonics

Quantum optics

Integrated optics

Plasmons (physics)

Photoluminescence

Nanoparticles

Fluorescence

Résumé

L'objectif de ce travail de thèse est d'étudier le couplage plasmon-émetteur dans des structures plasmoniques hybrides, visant à renforcer l’interaction lumière-matière à l'échelle nanométrique. Contrairement aux cavités optiques dont le volume de modes est limité par la diffraction, les cavités plasmoniques offrent un unique avantage d’efficacité du confinement sub-longueur d'onde. Cela peut conduire à l’accroissement de la fluorescence des émetteurs placés dans leur voisinage. Pour cela, nous proposons comme dispositif de focalisation une structure intégrée d’un réseau annulaire avec des nanoantennes afin de garantir une meilleure efficacité. Ce dispositif bénéficie du couplage entre des plasmons polaritons de surface (SPP) qui se propagent à partir du réseau et des plasmons localisés de surface (LSP) localisés aux niveaux des nanoantennes afin de parvenir à une augmentation de champ plus élevée. Nous présentons une étude de caractérisation de la plate-forme plasmonique constitué du réseau de diffraction métallique annulaire, d’une nanoantenne en étoile, et la structure intégrée réseau/nanoantenne. Nous montrons comment cette structure peut conduire à une plus grande émission des molécules de colorants ainsi que de centre SiV du diamant. La combinaison du confinement sub-longueur d'onde des LSP et l'énergie élevé des SPP dans notre structure conduit à une focalisation précise qui peut être mis en œuvre pour étudier le couplage plasmon-émetteur dans les régimes de couplage faibles et forts

There is a growing interest nowadays in the study of strong light-matter interaction at the nanoscale, specifically between plasmons and emitters. Researchers in the fields of plasmonics, nanooptics and nanophotonics are constantly exploring new ways to control and enhance surface plasmon launching, propagation, and localization. Moreover, emitters placed in the vicinity of metallic nanoantennas exhibit a fluorescence rate enhancement due to the increase in the electromagnetic field confinement. However, numerous applications such as optical electronics, nanofabrication and sensing devices require a very high optical resolution which is limited by the diffraction limit. Targeting this problem, we introduce a novel plasmonic structure consisting of nanoantennas integrated in the center of ring diffraction gratings. Propagating surface plasmon polaritons (SPPs) are generated by the ring grating and couple with localized surface plasmons (LSPs) at the nanoantennas exciting emitters placed in the gap. We provide a thorough characterization of the optical properties of the simple ring grating structure, the double bowtie nanoantenna, and the integrated ring grating/nanoantenna structure, and study the coupling with an ensemble of molecules as well as single SiV centers in diamond. The combination of the sub-wavelength confinement of LSPs and the high energy of SPPs in our structure leads to precise nanofocusing at the nanoscale, which can be implemented to study plasmon-emitter coupling in the weak and strong coupling regimes