Littérature scientifique sur le sujet « Optical nanosources »

Chiral plasmonic nanostructures with tunable handedness-dependent absorption in the visible and infrared offer chiro-optical control at the nanoscale. Moreover, coupling them with emitting layers could lead to chiral nanosources, important for nanophotonic circuits. Here, we propose plasmonic elliptical nanohole arrays (ENHA) for circularly dependent near-infrared and visible emission. We first investigate broadband chiral behavior in an Au-ENHA embedded in glass by exciting it with plane waves. We then study the coupling of ENHA with a thin emitting layer embedded in glass; we focus on the emission wavelengths which provided high chirality in plane-wave simulations. Our novel simulation set-up monitors the chirality of the far-field emission by properly averaging a large set of homogeneously distributed, randomly oriented quantum sources. The intrinsic chirality of ENHA influences the circular polarization degree of the emitting layer. Finally, we study the emission dependence on the field distribution at the excitation wavelength. We demonstrate the chiral absorption and emission properties for Au-ENHA emitting in the near-infrared range, and for Ag-ENHA which is excited in green range and emits in the Lumogen Red range. The simple geometry of ENHA can be fabricated with low-cost nanosphere lithography and be covered with emission gel. We thus believe that this design can be of great importance for tunable chiral nanosources.

Here, we investigate the correlation between the heat generated by gold nanoparticles, in particular nanospheres and nanobipyramids, and their plasmonic response manifested by the presence of Localized Surface Plasmon Resonances (LSPRs). Using a tunable laser and a thermal camera, we measure the temperature increase induced by colloidal nanoparticles in an aqueous solution as a function of the excitation wavelength in the optical regime. We demonstrate that the photothermal performances of the nanoparticles are strongly related not only to their plasmonic properties but also to the size and shape of the nanoparticles. The contribution of the longitudinal and transversal modes in gold nanobipyramids is also analyzed in terms of heat generation. These results will guide us to design appropriate nanoparticles to act as efficient heat nanosources.

We report nanophotonic silicon-based devices for hybrid integration: 1D photonic crystal (PhC) on optical fiber, i. e. fiber Bragg grating (FBG) sensing probe integrated in fiber laser structure for chemical sensors and slotted planar 2D PhC cavity combined with carbon nanotube (CNT) towards light nanosources. The experiments have been carried out by integrating 1D PhC on optical fiber in fiber laser structure. This structure possesses many advantages including high resolution for wavelength shift, high optical signal-to-noise ratio (OSNR) of about 50~dB, the small full width at half-maximum (FWHM) of about 0.014~nm therefore its accuracy is enhanced, as well as the precision and capability are achieved for remote sensing. Low nitrate concentration in water from 0 to 80 ppm has been used to demonstrate its sensing ability in the experiment. The proposed sensor can work with good repeatability, rapid response, and its sensitivity can be obtained of \(3.2\times 10^{ - 3}\) nm/ppm with the limit of detection (LOD) of 3~ppm. For 2D PhC cavity, enhancement of photoluminescence of CNT emission is observed. The semiconducting single-walled carbon nanotubes (s-SWNTs) solution was prepared by polymer-sorted method and coupled with the confined modes in silicon slotted PhC cavities. The enhancement ratio of 1.15 is obtained by comparing between the PL peaks at two confined modes of the cavity. The PL enhancement result of the integrated system shows the potential for the realization of on-chip nanoscale sources.

Gold nanoparticles (GNPs) have proven to be good nano-sources of heat in the presence of specific electromagnetic radiation. This process, in fact, becomes strongly enhanced under plasmon resonance. In particular, the amount of generated heat and the consequent temperature increase depend on the number of GNPs that are collectively excited and on their relative distance. As a result, the regime of heat localization is deeply controlled by this last parameter. Full Text: PDF ReferencesHutter, E., and Fendler, J. H. "Exploitation of localized surface plasmon resonance". Advanced Materials 16.19, 1685-1706 (2004) CrossRef Liz-Marzán, L. M., Murphy, C. J., & Wang, J. "Nanoplasmonics". Chemical Society Reviews, 43(11), 3820-3822 (2014). CrossRef Maier, S. A. "Plasmonics: fundamentals and applications". Springer Science & Business Media (2007). CrossRef Palpant, B. "Photothermal properties of gold nanoparticles. Gold nanoparticles in physics, chemistry and biology". Imperial College Press, London, (2012). DirectLink Baffou, G. and Quidant R. "Thermo-plasmonics: using metallic nanostructures as nanosources of heat". Laser & Photonics Reviews, 7(2):171?187, (2013). CrossRef Pelton, M., Aizpurua, J., & Bryant, G. "Metal?nanoparticle plasmonics". Laser & Photonics Reviews, 2(3), 136-159 (2008). CrossRef Kreibig, U., & Vollmer, M. "Optical properties of metal clusters" (Vol. 25). Springer Science & Business Media (2013). DirectLink J., Prashant K., S. Eustis, and M. A. El-Sayed. "Plasmon coupling in nanorod assemblies: optical absorption, discrete dipole approximation simulation, and exciton-coupling model." The Journal of Physical Chemistry B 110 (37) 18243-18253 (2006). CrossRef Jain, P. K., & El-Sayed, M. A. "Surface plasmon coupling and its universal size scaling in metal nanostructures of complex geometry: elongated particle pairs and nanosphere trimmers". The Journal of Physical Chemistry C, 112(13), 4954-4960 (2008). CrossRef Chapuis, P. O., Laroche, M., Volz, S., & Greffet, J. J. "Radiative heat transfer between metallic nanoparticles". Applied Physics Letters, 92(20), 201906 (2008). CrossRef Jain, P. K., & El-Sayed, M. A. "Plasmonic coupling in noble metal nanostructures". Chemical Physics Letters, 487(4), 153-164 (2010). CrossRef Cataldi, U., Caputo, R., Kurylyak, Y., Klein, G., Chekini, M. Cesare Umeton, C., Bürgi, T. "Growing gold nanoparticles on a flexible substrate to enable simple mechanical control of their plasmonic coupling". J. Mater. Chem. C, 2, 7927-7933 (2014). CrossRef

In this paper, we propose and simulate the surface plasmon polariton nanofocusing process by using Finite-difference Time-domain (FDTD) method. The maximum enhancement factor at the taper end area is optimized with different wavelength of the excitation laser. With the advantage of SNOM, the SPP nanofocusing is experimentally observed by illuminating the tapered CdS nanoribbon deposited on the Ag film. The SPP dispersion is used to predict the optimal taper angles of the structure. As the emission of the focused SPP at the taper end, the proposed plasmonic structure can be severed as a light nanosource emitter in the future optical integrated circuits.

Optical microcavities exhibit high resonance quality, so that, they are of key interest for the design of low-threshold lasers or for achieving strong coupling regime. But, such systems support modes whose the volume remain diffraction limited.In this manuscript, we are interested in their plasmonic counterparts because they support confined modes at the sub-wavelength scale. First, we study an in-plane plasmonic cavity which is the transposition of 1D optical cavity to surface wave. We characterize the cavity by measuring the fluorescence lifetime of dye molecules deposited inside.Then, we are interested in 3-dimension mode confinement achieved by spherical metal nanoparticles. We discuss on the definition of the mode volume used in cavity quantum electrodynamic and based on the calculation of energy confinement around the particle. We also simulate the fluorescence enhancement of rare-earth ions embedded inside core-shell plasmonic particles. Finally, we disturb the photodynamic emission of a single-photon source by puttingthe extremity of a plasmonic tip nearby the emitter

Les microcavités optiques présentent de hauts facteurs de qualité, c'est pourquoi ces systèmes sont d'un grand intérêt pour la conception de lasers à bas seuil, ou encore, pour l'étude du régime de couplage fort. En revanche, ces systèmes sont soumis à la limite de diffraction de la lumière, et donc les modes qu'ils supportent ont une extension spatiale ne pouvant être en deçà de l'échelle de la longueur d'onde. Dans ce manuscrit de thèse, nous nous intéressons aux systèmes plasmoniques parce qu'ils supportent des modes confinés à l'échelle nanométrique. En premier lieu, nous étudions une microcavité plasmonique planaire, constituée de deux miroirs plasmoniques qui piègent les ondes de surface au sein du système. Nous sondons spatialement les modes de la cavité en mesurant le temps de vie de fluorescence de molécules individuelles dispersées au sein du système. Puis, nous nous intéressons au confinement en 3 dimensions de modes supportés par des nanoparticules métalliques sphériques. Nous discutons de la définition du volume modal basée sur le calcul du confinement d'énergie autour de la particule. Ensuite, nous étudions l'exaltation de fluorescence d'ions de terres rares au sein d'une particule plasmonique de configuration coeur-coquille. Enfin, nous perturbons la photodynamique d'émission d'une source de photon unique en approchant à proximité l'extrémité d'une pointe plasmonique
Optical microcavities exhibit high resonance quality, so that, they are of key interest for the design of low-threshold lasers or for achieving strong coupling regime. But, such systems support modes whose the volume remain diffraction limited.In this manuscript, we are interested in their plasmonic counterparts because they support confined modes at the sub-wavelength scale. First, we study an in-plane plasmonic cavity which is the transposition of 1D optical cavity to surface wave. We characterize the cavity by measuring the fluorescence lifetime of dye molecules deposited inside.Then, we are interested in 3-dimension mode confinement achieved by spherical metal nanoparticles. We discuss on the definition of the mode volume used in cavity quantum electrodynamic and based on the calculation of energy confinement around the particle. We also simulate the fluorescence enhancement of rare-earth ions embedded inside core-shell plasmonic particles. Finally, we disturb the photodynamic emission of a single-photon source by puttingthe extremity of a plasmonic tip nearby the emitter

Cette thèse a pour objectif le développement de la spectroscopie Raman exaltée de pointe (TERS) pour des applications en milieux liquides, et plus particulièrement pour l’étude de membranes lipidiques et de protéines amyloïdes qui sont impliquées dans des maladies neurodégénératives comme la maladie d’Alzheimer. La TERS s’affranchit de la limite de diffraction de la spectroscopie Raman conventionnelle en combinant la haute résolution spatiale de la microscopie à sonde locale et la spécificité chimique de la spectroscopie Raman exaltée de surface (SERS). En utilisant une pointe de microscope à sonde locale métallisée et effilée au niveau nanométrique, la TERS génère une exaltation localisée du signal Raman au sommet de la pointe. Ceci permet l’étude de biomolécules optiquement non-résonnantes à l’échelle nanométrique sans marquage moléculaire et de manière non-destructive. Les défis clés qui sont traités dans ce travail incluent la fabrication de pointes actives en TERS, l’optimisation d’un nouveau système TERS en réflexion totale interne (RTI) pour des utilisations en environnements liquides, et l’exploitation de données complexes obtenues par imagerie TERS hyperspectrale. Des protéines amyloïdes sous forme de fibrilles de protéine Tau ont été étudiées au moyen de notre instrument de RTI-TERS en prenant des fibrilles induites par de l’héparine comme référence pour évaluer la performance du système. Des études TERS de fibrilles Tau induites par de l’ARN ont donné un aperçu des mécanismes de formation sous-jacents des fibrilles amyloïdes. Par ailleurs, ces données ont été utilisées pour explorer le potentiel des méthodes chimiométriques, telles que l’Analyse en Composantes Principales (ACP) et l’Analyse en Cluster Hiérarchique (ACH), pour leur analyse fine. Ces méthodes ont été évaluées dans le contexte des méthodes plus traditionnelles de sélection de pics individuels. Cette thèse détaille aussi le développement d’un système RTI-TERS compatible avec le milieu liquide et son application à l’étude de bicouches lipidiques supportées en milieux aqueux. Cette avancée permet la caractérisation nanométrique de membranes lipidiques dans des milieux biologiquement pertinents et plus réalistes que l’air. Dans la perspective de futurs travaux examinant les interactions protéines-lipides, ces innovations sont cruciales pour comprendre la formation des fibrilles amyloïdes et leurs effets délétères sur les cellules neuronales. Au final, cette thèse a amélioré la TERS en tant qu’outil pour étudier les structures biomoléculaires à l’échelle nanométrique dans le contexte des maladies neurodégénératives, et le système RTI-TERS optimisé fournit une plateforme pour de futures recherches dans des applications biologiques et biomédicales
The aims of this thesis are the development of tip-enhanced Raman spectroscopy (TERS) for applications in liquid media, specifically for the study of lipid membranes and amyloid proteins which are implicated in neurodegenerative diseases like Alzheimer’s. TERS overcomes the diffraction limit of conventional Raman spectroscopy by combining the high spatial resolution of scanning probe microscopy with the chemical specificity of surface-enhanced Raman spectroscopy (SERS). By employing a metal-coated nano-tapered scanning probe microscopy probe tip, TERS generates a localised enhancement of the Raman signal at the tip apex. This enables the study of optically non-resonant biomolecules at the nanoscale in a label-free and non-destructive manner. The key challenges that are addressed in this work include the fabrication of TERS-active tips, the optimisation of our novel total-internal reflection (TIR)-TERS system for use in liquid environments, and the handling of the complex data obtained from hyperspectral TERS imaging. Amyloid proteins in the form of Tau fibrils were studied using this TIR-TERS setup with heparin-induced Tau fibrils being a benchmark for evaluating the performance of the system. TERS studies of RNA-induced Tau fibrils provided insight into the underlying formation mechanisms of amyloid fibrils. In addition, these data were used to explore the use of chemometric methods, such as Principal Component Analysis (PCA) and Hierarchical Cluster Analysis (HCA), for their fine analysis. These methods were evaluated in the context of more traditional peak-picking methods. This thesis also details the development of a liquid-compatible TIR-TERS system and its application to the study of supported lipid bilayers in aqueous media. This advancement enables the nanoscale investigation of lipid membranes in biologically relevant media, which is more representative compared to TERS in air. With the outlook of future works investigating protein-lipid interactions, these innovations are crucial for understanding amyloid fibril formation and their deleterious effects on neuronal cells. To conclude, this thesis enhances TERS as a tool for studying biomolecular structures in the context of neurodegenerative diseases at the nanoscale, and the optimised TIR-TERS system provides a platform for future research in biological and biomedical applications

Un des défis majeurs auquel la communauté de la nano-optique aura à répondre dans les années à venir sera de concentrer l'énergie lumineuse à l'échelle du nanomètre de façon à créer une nanosource optique ou thermique intense à même d'alimenter de futurs dispositifs. Les nanoparticules métalliques, supportant une résonance plasmon de surface, sont idéales pour de telles applications. Dans ce contexte, cette thèse a pour vocation d'apporter un élément de réponse aux problématiques d'optimisation thermique aux échelles nanométriques et de proposer une nouvelle technique de nanothermométrie. A l'aide de simulations numériques, nous avons pu mettre en évidence les propriétés de génération de chaleur des nitrures de titane et de zirconium, dépassant celle de l'or, qui en font alors des matériaux de choix pour concevoir et fabriquer des nanosources thermiques dans le visible. Nous avons également obtenu une morphologie de particules induisant un échauffement maximal pour une longueur d'onde donnée : une nanoétoile à trois branches. Nous avons ensuite fabriqué des nanostructures d'or par lithographie électronique afin de les caractériser par holographie photothermique. En utilisant les deux types d'informations accessibles avec cette technique, l'amplitude et la phase optique, nous nous sommes alors efforcés à quantifier l'élévation de température de nanobâtonnets d'or. L'holographie photothermique d'amplitude a permis d'obtenir des mesures de température semi-quantitatives et, la technique de phase, encore préliminaire, se révèle intéressante et innovante pour étudier les propriétés thermoplasmoniques de nanostructures plasmoniques
Focusing light on the nanoscale in order to create intense optical or thermal nanosources is probably the main challenge facing the nano-optics community, in order to power up future devices. Metallic nanoparticles and their surface plasmon resonance are ideal optical or thermal nanosources.In this context, this thesis aims at providing a possible solution to the issues of thermal optimization at the nanoscale and nanothermometry.By carrying out numerical simulations, we were able to highlight the heat generation properties of titanium and zirconium nitrides, exceeding those of gold, which make them ideally suited in order to conceive and fabricate heat nanosources in the visible. We also managed to obtain a particle morphology inducing a maximum heating at a given wavelength : a three-branchs nanostar.We fabricated gold nanostructures by e-beam lithography in order to characterize them with photothermal holography. By exploiting the two kind of informations available with this far-field optical technique, the amplitude and the optical phase, we strove to quantify the temperature variations of gold nanorods. The photothermal holography setup based on amplitude delivered semi-quantitative temperature measurements, and the phase based-technique, still at a preliminary stage of developpement, proves to be a new and promising tool for the study of optical and thermal properties of plasmonic nanostructures

Ce travail concerne le développement d’un nouveau type de microscopie optique en champ proche (SNOM) basé sur la mise en œuvre de sondes dite actives qui utilisent le signal de génération de seconde harmonique (SHG) d’un petit nombre de molécules orientées. L’orientation de ces molécules est obtenue par l’application d’un champ électrique statique dans une jonction constituée d’une pointe métallique effilée placée à proximité d’un substrat conducteur et immergée dans une solution de molécules dipolaires non-linéaires. L’excitation laser de ces molécules localement orientées permet d’obtenir une polarisation non-lineaire à fréquence double qui constitue une nanosource de lumière intrinsèquement localisée et pouvant interagir avec le champ proche du substrat. Nous nous sommes intéressés à l’imagerie de nano-objets lithographiés par cette technique de SNOM-SHG. Nous avons pu démontrer la possibilité d’obtenir une résolution de l’ordre de 200 nm, soit une résolution meilleure d’un facteur 2 par rapport à la limite de diffraction.Nous avons ensuite étudié les moyens d’optimiser les performances de ce nouveau type de sondes SNOM-SHG. Une voie consiste à exploiter les propriétés d’antenne optique de pointes métalliques effilées, qui peuvent être le siège d’effets d’exaltation du champ électromagnétique résultant de la singularité géométrique de ces objets (extrémité effilée) ou de l’excitation de résonances plasmons. Afin de pouvoir quantifier ces effets, nous avons entrepris la caractérisation, par luminescence à 2 photons (TPL), de nanofils d’or considérés comme objets de référence pour mimer une pointe. Des fils lithographiés ainsi que des fils issus de chimie colloïdale ont été étudiés de façon à mieux comprendre à la fois l’influence de la forme et de la cristallinité des objets sur les exaltations de champ. Des études simultanées de la géométrie et des propriétés optiques d'un nanofil unique ont été menées au moyen d'un microscope optique inversé associé à une excitation laser et couplé à un microscope à force atomique (AFM) dont la pointe est préalablement réglée pour coïncider avec le spot laser. En balayant l’échantillon, nous pouvons directement confronter l’image topographique de l’objet à la cartographie de points chauds enregistrés à sa surface, le signal de TPL étant directement corrélé à la densité locale d’états électromagnétiques. Nous avons pu montrer que les fils lithographiés et les fils colloïdaux présentaient des facteurs d’exaltation locale de champ différents, la cristallinité des objets pouvant aussi être révélée que via l’analyse spectrale du signal de TPL émis. Enfin, un dernier volet important de mon travail a consisté à faire évoluer le banc expérimental précédemment développé au laboratoire de façon à pouvoir réaliser simultanément des caractérisations de type SNOM-SHG et des caractérisations topographiques. Dans ce but, nous avons travaillé à l’intégration d’une tête AFM diapason sur notre banc de microscopie non-linéaire. Au-delà des aspects électroniques liés à l’optimisation du fonctionnement de ce diapason, le couplage du faisceau laser dans le microscope a également été entièrement reconfiguré
This work deals with the development of a new kind of scanning near-field optical microscopy (SNOM) based on the realization of so-called active probes taking advantage of the second harmonic generation (SHG) signal coming from a few oriented molecules. The orientation of these molecules is obtained by applying a static electric field in a junction made of a sharp metallic tip placed close to a conductive substrate and immersed in a solution containing dipolar non-linear molecules. A second order nonlinear polarization is obtained from these locally oriented molecules following their excitation with a laser beam finally leading to a nanosource of light intrinsically localized and able to interact with the near-field of the substrate.We have investigated this SNOM-SHG technique to image nano-objects made by e-beam lithography. We were able to demonstrate that a resolution of about 100 nm could be reached, which appears better (of a factor2) than the diffraction limit.We have then been focusing on the way to improve the capabilities of this new type of SNOM-SHG probes. One approach consists in taking advantage of the optical antenna effects that can occur at the end of sharp tips, where the electromagnetic field can be enhanced due to geometrical effects (sharp extremities) or due to the excitation of plasmon resonances. In order to quantify these field enhancements, we have carried out the characterization of gold nanowires using two-photon luminescence (TPL) ; considering these wires as reference objects that can mimic tips. Nanowires made by e-beam lithography and nanowires synthesized by colloidal chemistry have both been studied in order to have a better understanding of the influence of the shape and the crystallinity on the field enhancements. Simultaneous analysis of the geometry and the optical properties of a single nanowire has been carried out using an inverted microscope associated to a laser excitation and coupled to an atomic force microscopy (AFM) which tip is previously aligned with the laser spot. When scanning the sample, we can directly correlate the topographic image of the object to the mapping of the hotspots recorded on its surface, the TPL signal being directly linked to the electromagnetic local density of states. We were able to evidence that both nanowires made by e-beam lithography or synthesized by colloidal chemistry exhibit different field enhancement factors, the crystallinity of the objects being also revealed following the spectral analysis of the emitted TPL signal.Finally, a last important part of my work has dealt with the evolution of the experimental setup previously developed in the laboratory in order to be able to achieve simultaneously SNOM-SHG type and topographic characterizations. We have therefore been working on the integration of an AFM tuning fork head to our nonlinear optical bench. Above the electronic aspects related on the optimization of the tuning fork implementation, the coupling of the laser beam in the microscope has also been reconfigured