Dispositifs photoniques innovants pour le piégeage optique : Cavité étendue à double période et structure hybride cristal photonique-nano antenne

Original photonic devices for optical trapping : Double period extended cavity and photonic crystal – nano antenna hybrid device

• Auteur / Autrice : Laurent Milord
• Direction : Taha Benyattou
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Optique et laser
• Date : Soutenance le 30/03/2016
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Électronique, électrotechnique, automatique (Lyon)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des Nanotechnologies de Lyon (Ecully, Rhône) - Institut des Nanotechnologies de Lyon - Site de l'INSA / INL
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Institut national des sciences appliquées (Lyon ; 1957-....)
• Jury : Président / Présidente : Xavier Letartre
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Taha Benyattou, Xavier Letartre, Benoît Cluzel, Romuald Houdré, Thierry Grosjean, Cécile Jamois
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Benoît Cluzel, Romuald Houdré

Mots clés

Mots clés contrôlés

Faisceaux, Dynamique des

Faisceaux laser

Nanoparticules

Optique physique

Mots clés libres

Physique du bâtiment

Optique

Laser

Pinces optiques

Nanoparticules

Cavité

Cristal photonique

Photonique

Diffraction

Physics

Optics

Laser

Optical tweezer

Nanoparticles

Cavity

Photonic Crystal

Photonics

Diffraction

Résumé

Depuis les premiers travaux d’Ashkin sur les pinces optiques classiques, beaucoup d’efforts ont été fait pour piéger des nano particules. Néanmoins, elles peuvent difficilement piéger des particules inférieures à 200 nm à cause des limites imposées par la diffraction. Cette limite peut être dépassée grâce aux forces optiques de gradient provenant du champ évanescent généré et amplifié par des nano cavités photoniques. Cependant, cette approche est confrontée à deux verrous importants pour les applications : La surface de piégeage est très faible ce qui rend peu probable la capture d’une nanoparticule animée d’un mouvement brownien et pour les pinces « ultimes » de type nanoantenne où le mode est confiné dans des régions nanométriques, leur excitation en espace libre n’est pas très efficace. L’objectif de ce travail vise à lever ces deux verrous. Pour augmenter la surface de piégeage, nous présenterons d’abord une approche utilisant le mode de Bloch d’une cavité étendue à double période dans un cristal photonique fabriqué sur SOI. Nous montrerons que cette approche permet le piégeage de particules de 200, 100 et 75 nm sur une surface étendue de 5x5 µm² en utilisant un faisceau laser d’excitation en espace libre. Dans un deuxième temps, nous nous intéresserons à l’excitation optique en espace libre de structures nanométriques. Nous présenterons une structure hybride nano antenne – cristal photonique, où le cristal photonique joue le rôle de réservoir à photons pour la nano antenne. Cela permet ainsi un effet « entonnoir à photon» où la lumière issu d’un faisceau large (5µm) est concentrée dans la nanoantenne. Nous démontrerons la pertinence de cette approche par le piégeage particules de 100 nm.

Since the first work on optical tweezers by Ashkin, a lot of efforts have been made to trap nanoparticles. However, optical tweezers are diffraction limited and can hardly trap particles below 200 nm. This limit can be overstepped using the optical gradient forces of an evanescent field generated and amplified by a photonic nano cavity. Nonetheless, this approach faces two major issues for applications: the trapping section is very small, making the capture of a Brownian motion animated particle very unlikely, and for the “ultimate” nano antennas with nanometric optical modes, their excitation from free space is not effective. The goal of this work is to overcome these two difficulties. To increase the trapping surface, we will first present a device using slow Bloch modes within a double period extended cavity designed in a photonic crystal made out of SOI. We will show that this approach allow for the trapping of 200, 100 and 75 nm particles on an extended surface of 5x5 µm² using a free space laser beam excitation. Secondly, we will investigate the free space excitation of nanometric structures. A photonic crystal – nano antenna mixed structure will be presented, where the photonic crystal is used as a photon pool for the nano antenna. This lead to a funnel effect where the light coming from a large free space laser beam (5µm wide) is focused into the nano antenna. The trapping of 100 nm particles will demonstrate the relevance of this approach.