Etudes théorique et expérimentale du couplage des nanoparticules uniques dans des structures photoniques à base de polymère

Controlled coupling of nanoparticles to polymer-based photonic structures

• Auteur / Autrice : Dam Thuy Trang Nguyen
• Direction : Ngoc Diep Lai
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 26/01/2018
• Etablissement(s) : Université Paris-Saclay (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Electrical, optical, bio : physics and engineering (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : École normale supérieure Paris-Saclay (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 1912-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Photonique Quantique et moléculaire (Cachan, Val de Marne) Cachan
• Jury : Président / Présidente : Jean-Pierre Hermier
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Ngoc Diep Lai, Jean-Pierre Hermier, Manh-Huong Phan, Sophie Brasselet, Isabelle Ledoux-Rak, Catherine Schwob
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Manh-Huong Phan, Sophie Brasselet

Mots clés

Mots clés contrôlés

Photonique

Nanoparticules

Polymères

Mots clés libres

Ecriture directe par laser

Polymère

Structure photonique

Source de photon unique

Plasmonique

Microfabrication

Photonic coupling

Ultralow one-Photon absorption

Nanoparticle

Microfabrication

Résumé

Dans ce travail, nous étudions théoriquement et expérimentalement le couplage entre une nanoparticule unique de différentes natures, comme fluorescente, non-linéaire, plasmonique, etc., et une structure photonique en matériau polymère. Dans un premier temps, nous avons optimisé la méthode dite écriture directe par laser par absorption à un photon pour réaliser des structures photoniques de bonne qualité à la demande. Ensuite, nous avons également exploité l'effet thermique induit par le laser d’excitation continue, pour simplifier la méthode de fabrication LOPA et améliorer les structures fabriquées. Puis nous avons introduit de façon précise une seule nanoparticule unique à un endroit désiré dans la structure photonique. Le couplage nanoparticule/structure photonique a été réalisé par le même système optique. Ce couplage a été démontré par une augmentation du nombre de photon émis par la nanoparticule fluorescente et par une forte amélioration du signal de génération de seconde harmonique. Parallèlement, nous avons effectué des calculs numériques par la méthode FDTD pour prédire les propriétés optiques intéressantes des structures photoniques et pour confirmer les résultats expérimentaux.

In this study, we investigate theoretically and experimentally the nanoparticles/photonic structures coupling. In detail, the work focuses on the elaboration and applications of structured polymer materials, as well as the manipulation of optical properties of various kinds of nano-objects such as gold nanoparticles, magnetic and nonlinear nanoparticles, etc. The coupling of each kind of nanoparticles addresses a specific goal. In order to conduct research, we first build and test an optical confocal setup, which allows us to both image and fabricate nanostructures at a sub-lambda resolution. Besides, we propose a method exploiting the thermal effect caused by a continuous-wave laser source to optimize 2D and 3D structures realized by low one-photon absorption (LOPA)-based direct laser writing (DLW). Then by using this technique, we are capable of precisely determining the position and embedding various kinds of nanoparticles (gold nanoparticles, nonlinear nanoparticles, and magnetic nanoparticles) into arbitrary polymeric photonic structures. The characterization of the fabricated structures is carried out using the same confocal setup. We demonstrate a good enhancement of the optical properties of the nanoparticles embedded inside photonic structures. We also perform numerical calculations by using a FDTD method to confirm the experimental results.