Étude de l’interaction rayonnement-matière en champ proche de nanostructures par microscopie de fluorescence super-résolue.

Study of light-matter interaction in the near field of nanostructured objects by fluorescence super-resolved microscopy.

• Auteur / Autrice : Guillaume Blanquer
• Direction : Yannick De Wilde
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 16/12/2019
• Etablissement(s) : Paris Sciences et Lettres (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique en Île-de-France (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Langevin-Ondes et images (Paris ; 1997-....) - Institut Langevin - Ondes et Images
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Ecole supérieure de physique et de chimie industrielles de la Ville de Paris (1882-....)
• Jury : Président / Présidente : Sandrine Lévêque-Fort
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Yannick De Wilde, Sandrine Lévêque-Fort, Guillaume Bachelier, Renaud Bachelot, Christophe Sauvan, Valentina Krachmalnicoff
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Guillaume Bachelier

Mots clés

Mots clés libres

Microscopie de super-Résolution en molécule unique

Durée de vie de fluorescence

Plasmonique

Nano-Antennes

Densité locale d’états electromagnetiques

Guide d'onde optique

Single-Molecule localization microscopy

Fluorescence lifetime

Plasmonics

Nano-Antenna

Locale density of electromagnetic states

Optical waveguide

Résumé

Au cours de cette thèse nous nous sommes intéressés à l’interaction de la lumière avec l’environnement aux échelles nanométriques. Les candidats idéaux pour sonder cette interaction en nanophotonique sont les émetteurs fluorescents car leurs propriétés d’émission sont fortement dépendantes de l’environnement qui les entoure. Le taux d’émission spontanée de ces émetteurs donne notamment une mesure directe de la densité d’états électromagnétiques et constitue à ce titre le paramètre le plus adéquat pour rendre compte de ces interactions.Cette thèse est organisée en deux parties. La première porte sur le développement et l’utilisation d’une technique de microscopie super-résolue en champ large du taux de désexcitation de molécules uniques. Cette technique se base sur la mesure simultanée du taux de désexcitation de chaque molécule par une matrice linéaire de détecteurs de photons uniques et de leur position par une caméra amplifiée. Les résultats expérimentaux obtenus en champ proche d’un nanofil d’argent ont été analysés et comparés à des simulations numériques. Grâce à cette analyse, l’effet de mirage plasmonique induit par le nanofil a pu être mis en évidence. De plus, en effectuant une sélection sur le taux d’émission spontanée mesuré pour chaque molécule et la taille de la tache de diffraction correspondante, il a été possible de déduire l’orientation du moment dipolaire des molécules et leur position réelle sur l’échantillon.La seconde partie de cette thèse a été consacrée à l’étude de guides d’ondes optiques nanostructurés. En particulier, l’influence d’une nanofibre en silice sur la distribution d’un champ optique généré par un faisceau laser collimaté a été mise en évidence expérimentalement grâce à une sonde fluorescente à balayage. Les données recueillies sont en très bon accord avec des simulations basées sur la théorie de Mie. De plus, une structure de guide d’ondes hybride diélectrique/plasmonique a été étudiée. Cette structure a pour objectif d’optimiser le couplage de la fluorescence d’un émetteur fluorescent dans un guide d’onde optique diélectrique par l’intermédiaire d’une antenne plasmonique. Des simulations ont permis d’aboutir à un design ainsi qu’à la réalisation d’un premier échantillon. Une approche expérimentale est également proposée pour la caractérisation de ce dispositif optique.

In this thesis we study the interaction of light with the environment at the nanoscale. Fluorescent emitters are ideal candidates to probe this interaction because their emission properties strongly depend on the surrounding environment. The emitters’ decay rate is directly linked to the local density of electromagnetic states, which is therefore the most appropriate parameter to quantify the interactions with the environment.This thesis is organized into two parts. The first one concerns the development and the implementation of a wide-field super-resolved lifetime microscopy technique at the single molecule level. This technique is based on the simultaneous measurement of single-molecules’ decay rate with a linear matrix of single photon detectors and of their position with an amplified camera. Experimental results obtained in the near-field of a silver nanowire are analyzed and compared with numerical simulations. Such comparison provides the evidence of the plasmonic mirage effect induced by the presence of the nanowire. Moreover we show that, by making a selection on the measured decay rate and on the size of the corresponding point spread function, it is possible to deduce the orientation of the molecular dipole moments and their real position on the sample.The second part of this thesis is focused on the study of nanostructured optical waveguides. We report on the measurement, performed with a fluorescent scanning near-field microscope, of the field generated around a tapered silica nanofiber by a collimated beam perpendicular to it. The results are in very good agreement with numerical simulations based on Mie theory. We also study a dielectric/plasmonic hybrid waveguide. A plasmonic nanoantenna fabricated on top of a dielectric optical waveguide enhances the coupling of the emission of a fluorescent emitter to the guided mode. The design and fabrication of an optimized device are achieved thanks to numerical simulations. An experimental approach is also proposed to characterize this device.