Optical nano-antennas : passive properties and active control

par Caijin Huang

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Alain Dereux et de Alexandre Bouhelier.

Soutenue le 12-03-2010

à Dijon , dans le cadre de École doctorale Carnot (Dijon) , en partenariat avec Laboratoire Interdisciplinaire Carnot de Bourgogne (Dijon) (laboratoire) .

Le président du jury était Carmen Marco de Lucas.

Le jury était composé de Benoît Cluzel, Jérôme Wenger, Thierry Grosjean.

Les rapporteurs étaient Nordin Felidj, Renaud Bachelot.

  • Titre traduit

    Nano-antennes optiques : propriétés passives et contrôle actif


  • Résumé

    Les nano-antennes optiques sont de nouveaux éléments, généralement métalliques, permettant d’améliorer les interactions électromagnétiques entre le rayonnement lumineux et un objet sub-longueur d’onde. Ces dispositifs innovants, fonctionnant dans une gamme de longueur d’onde correspondant au spectre visible et proche infrarouge, répondent à certaines contraintes inhérentes à l’optique lorsque les échelles d’interactions relèvent du nanomètre. En particulier, les propriétés des antennes optiques métalliques sont régies par l’apparition de résonances plasmons qui permettent, d’une part de confiner le champ électromagnétique dans des volumes très inférieurs aux limites imposées par la diffraction, et d’autre part d’exalter fortement les processus optiques à faibles sections efficaces. L’objectif de cette thèse est de comprendre par l’expérience quels sont les paramètres clés qui caractérisent une nano-antenne optique afin d’en contrôler son fonctionnement. Ces paramètres ont été accessibles expérimentalement grâce au développement d’une microscopie adaptée basée sur une illumination diascopique à faible ouverture numérique avec soit une détection coronographique confocale ou conoscopique. Cet appareillage nous a permis de mesurer la capacité d’une antenne optique unique à diffuser un rayonnement lumineux. Les études ont débutées avec des systèmes modèles simples (nanoparticules) pour évoluer vers des antennes couplées (dimères). Par analogie avec le domaine radiofréquences, les paramètres importants d’une antenne optique que sont la plage fréquentielle, le désaccord, le gain et le diagramme de rayonnement ont été définis et mesurés. L’influence des caractéristiques morphologiques de l’antenne sur ces paramètres a complété l’étude. Toujours par comparaison avec les antennes radiofréquences, nous avons introduit le concept de tuner optique. Le principe est de modifier la réponse optique de la charge de l’antenne, c’est-à-dire le milieu dans lequel elle émet son rayonnement. Dans ce but, nous avons utilisé un milieu anisotrope composé des molécules de cristal liquide dont l’orientation de l’ellipsoïde des indices peut être commandée par un champ électrostatique. Le fonctionnement du tuner, c’est-à-dire l’accord de l’antenne à une fréquence de travail, a été démontré pour des antennes optiques couplées.


  • Résumé

    Optical nanoantennas are a new class of optical devices, generally constituted of metal nanoparticles, used for enhancing the interaction between an electromagnetic wave and a nano-scale object. These components are operating in the visible to near infra-red part of the spectrum and are offering solutions for the inherent limitations of optics at the nanometer scale. In particular, the properties of optical antennas are governed by the surface plasmon resonances of the underlying structure. These resonances are associated with a large field confinement, beyond the diffraction limit, and an enhancement of the local electromagnetic response that is used to amplify weak optical processes. The objective of this doctoral thesis is to understand by an experimental approach what are the key parameters characterizing an optical antenna with the aim to control its operation. Through the development of an original microscopy based on a low numerical aperture diascopic illumination and a subsequent spatial filtering, the scattering characteristics of a single optical nano-antenna were successfully measured. Our approach was first tested with simple model antennas (nanoparticles) before investigating multi-element coupled antennas (dimers). In analogy to radiofrequency theory, we have defined and measured important antenna characteristics: operating frequency, detuning factor, gain and emission diagram. We have studied the influence of the morphology of the antenna on these characteristics. Continuing the comparison with microwave antennas, we have introduced the concept of an optical tuner. The operating principle is to modify the medium in which the antenna is emitting its radiation i.e. the load of the device. To this aim, we have employed anisotropic liquid crystal molecules. With this load medium, the orientation of the anisotropy can be controlled by a static electric field. The operation of the optical tuner, i.e. tuning of the antenna to a broadcasting frequency, is demonstrated for electromagnetically coupled antennas.


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