勃艮第大学研究光纤化纳米源和等离子体激元

勃艮第大学（勃艮第大学）科学院勃艮第卡诺跨学科实验室纳米科学系广告是明智的，是明智的。从Nanoso到这些OPTI Q UEPAR阿斯蒙·尤我是特雷。或纤维化在勃艮第大学提交论文通过朱利安·巴特2015年6月18日支持审查委员会由以下人员吉拉德C.图卢兹CEMES CNRS研究主任报告员德雷泽A.格勒诺布尔Néel研究所CNRS研究员报告员马丁O.教授，洛桑联邦审查员格雷夫特J. - J.Palaiseau光学研究所教授审查员GuerinS.勃艮第大学教授，ICB，第戎审查员德雷勒A.勃艮第大学教授，ICB，第戎论文主任法国可乐G.勃艮第大学教授，ICB，第戎论文共同导师光学纳米源的寻址和控制通过集成或纤维化总结：表面极化等离子体激元，由金属纳米结构支持的模式，允许将光限制在亚波长尺度通过克服例如，金属纳米线构成一维等离子体激元引导器，其允许相反，金属中的能量损失因此，一种策略是研究一种混合配置：等离子体激元和光纤，以有效地将纳米源的发射耦合这为实现易于操作的纤维化纳米源铺平了道路，该纤维化纳米在研究了等离子体激元引导附近荧光分子的主要色散通道之后接下来，我们研究了由拉伸和金属化光纤组成的混合结构的行为最后，我们表明，在光学纳米源的通过集成或光纤等离子体激元摘要：表面等离子体激元极化子（SPP）可以在亚波长维度上限制光由于它们不受衍射的限制，因此它们对光学纳米源的寻址和控制非常感兴趣。例如，金属纳米线定义了具有寻址或耦合量子发射体的巨大潜力的1D等离子体因此，SPP为集成光学应用提供了巨大的机会。然而，SPP受到欧姆损耗的影响，这使得等离子体激元组件的应用变得不稳定。在此背景下，我们研究了混合等离子体激元-光子结构有效地将发射器耦合到光纤模式的可能性。这种结构为光纤化单光子纳米源或高分辨率光学探针铺平了道路。在这篇论文手稿中，我们首次研究了荧光分子和金属纳米线之间的耦合速率，这要归功于格林的二元形式。这使我们能够通过优化等离子体激元的形状（晶体纳米线，慢模式）来区分不同的色散通道和增强进入等离子体激元引导模式的能量转移。然后，我们研究了金属涂层锥形光纤中的能量传播最终，我们实现了超过50%能量的最佳配置。由放置在衬底上的量子发射器发射的光被转移到光纤中。谢谢你这篇论文开始于2009年，是由于校长M的善意。Gey，P. Alliot和P. Grand来自埃菲尔高中（第戎），在完成本论文期间，我在那里我还要感谢勃艮第大学的博士研究主任和科学委员会，他们同意在这6年（2009-2015）中支持这篇论文。如果没有来自法兰克人的杰拉德·科拉斯的帮助和指导，这项工作显然是不可能完成的，他一直陪伴着我，支持着我。他的教学法和他的耐心我还要衷心感谢阿兰·德勒，他对我的信任。我还要感谢Alexandre Bouhelier、Jean Claude Weeber和Kamal Hammani，感谢他们不断进行的相关科学讨论。我热烈欢迎Elly Lacroute的出色表现。我 还 要感 谢 Christian Girard 、 Aurélien Drezet 、 Olivier Martin 、 Jean-JacquesGreffet和Stéphane Guérin，他们让我有幸成为我论文答辩的评审团在完成这份手稿的过程中，我想到了我的妻子，感谢她对我无数次试图解释这项工作的无限耐心，也想到了我也要感谢我的父母，他们一直非常好奇和感兴趣，想知道这篇论文的标题可能意味着什么九目录引言11最新技术水平1.1动机31.2纳米光学和单分子2将发射器耦合2.1色散关系和导模2.2模式的局部密度2.3放松通道2.4耦合效率（β因子）332.5晶体纳米线2.6基质的影响...........................................................................................................2.7结论433带隙边缘损耗和耦合的影响453.1准静态行为3.2等离子体激元珀塞尔因子3.3准静态系统3.4类似准静态系统3.5合作率3.6结论594用于光学近场的等离子体激元探针614.1金属化光纤的模式...............................................................................................4.2存在损耗时的耦合模式理论684.3超聚焦704.4第74章5光纤纳米源755.1使用FET 76进行建模5.2几何形状的优化0J5.3点-表面连接5.4第89章6一般结论和展望91格林93张量方法A.12D 93导轨的模式求解器A.2共振状态A.3矩形截面的Gint表达式B 损失对排放率的影响B.1无损失的βSPPB.2非辐射率的计算C 金属化纤维101C.1模态字段C.2有损耗耦合系数的计算C.3 我的意思是，我的意思是，|b2|................................................................... 111D 光纤纳米源113D.1 验证偶极子113的D.2 优化计算窗口的大小1141·简介本研究的目的是确定纳米发射器和金属导向结构之间的主要耦合机制，以所提出的技术利用表面等离子体激元极化子（SPP），其是限制在金属和电介质之间的界面处的本征模等离子体激元-极化子是由电磁波与等离子体（自由电荷气体）的集体振荡耦合产生的在我们的例子中，等离子体由金属的导电当电振荡被限制在金属表面时，这种模式被称为表面等离子体激元-极化子。这种仅涉及极化电荷的表面密度的模式可以由纳米尺寸的金属结构第一个等离子体激元引导器的提议可以追溯到1997年，其中一个由金属纳米线组成，可以支持极其有限的等离子体激元模式[1]。通过克服这种新技术允许在为了金属化。第2章详细介绍了荧光分子在等离子体激元引导附近的主要色散通道第3章致力于通过选择发射波长或导轨尺寸来一个重要的挑战是第4章最后，第5章研究了拉伸光纤的金属化部分的几何形状，从2011年至今关于这一主题的大量文献中可以看出，本论文开头所做的选择是相关的我们通过以下出版物参与了这一运动：····2勃艮第大学– 与二维等离子体激元发运耦合的点状偶极发射体的珀塞尔因子，J. Barthes，G.法国的可乐，A. Bouhelier，J. - C. Weeber和A. Dereux，物理评论B，84，073403（2011）– 等离子体激元尖端的耦合损耗局域模理论描述，J. Barthes，G.法国的可乐，A.布埃利耶和A. Dereux，《新物理学杂志》，第14期（2012）– 偶极发射体耦合成一维表面等离子体激元，J.巴特，A.布赫利埃，A.和G.《自然科学报告》（2013年）– 用于光纤单光子源和纳米光谱学应用的等离子体近场探针。巴特，S.德罗姆，F.瓦尔迪维亚-瓦莱罗，A.布赫利埃，A.德雷勒和G.法国可乐，正在准备中。3第一章E tde1.1动机1.1.1纳米光子学和等离子体激元无论是为了更好地理解现象还是为了提高当前系统的性能，减小系统尺寸的需要都是至关重要的。因此，纳米科学和纳米技术已经成为物理学、化学、生物学、工程学等领域大量研究的主题。例如，微电子工业寻求在芯片上集成尽可能多的元件以增加这些计算能力。如今，元件尺寸可达然而，纳米电子元件的带宽仅限于几GHz左右[5]。图1.1 -不同组件技术的运行速度和关键尺寸，突出了它们的优缺点经[6] S许可转载。布兰德，版权所有2006年。另一方面，光子学允许实现高得多的带宽（大约THz），这使得它对于非常高的数据速率传输是不可避免的，并且导致了对光学器件小型化的图1.1）。从4勃艮第大学-约约自20世纪70年代以来，在集成光子学领域取得了许多进展然而，元件的最小尺寸受到衍射的限制。在可见光范围内，其数量级为自20世纪90年代末以来，基于等离子体激元的新组件已经出现[8]。L’utilisation d’ondes de charges de surfacessur des supports métalliques plutôt que des électrons ou des photons permet alors decombiner la miniaturisation de la micro- électronique à la bande passante与此同时，通过将光限制在波长范围内纳米技术的研究带来了巨大的希望，因为材料在纳米尺度上的光学响应。这些特性使得我们可以非详尽地提高化学传感器（污染阈值）或生物传感器（早期诊断）与微电子元件相比，纳米光子元件的制造大大控制和操纵量子保密照相术所需的1.1.2数量级、难度和锁定纳米结构的光学响应L’interaction de la lumière avec la matière dé-pend fortement des dimensions caractéristiques当材料的尺寸（d）、光波长（λ）和/或电子响应的特征长度δ可以比较时，我们看到了新的现象（见图1.2）。因此，根据材料的介电行为（等离子体）金属或半导体。d对于电介质材料，电子结构对其光学响应的影响很小。因此，特征维数仅取决于折射率为n的介质中的波长光学响应受到衍射的限制，即图1.2-可见光和近红外范围内的最小尺寸约为L’étude des matériaux diélectriques dedimensions proches de cette limite est l’objet 其中包括光学近场显微镜[10]和用于控制荧光发射的光学微腔的工作我们将在第1.2.1节中讨论这些问题。····勃艮第大学5约约约约约约.Σ在金属的情况下，它在可见光范围内约为因此，在这些尺寸（d10nm）下的纳米结构显示出原始的光学响应我们将看到，这样的物体支持被称为等离子体激元表面极化子（SPP）的特殊模式，这种模式是由电磁波和金属表面自由电子的集体振荡耦合产生的由于所考虑的尺寸大于最后，半导体材料的行为由激子（或电子-空穴对它们的延伸以玻尔半径为特征，约为10因此，半导体纳米晶体（d10nm）表现出特定的光学响应。它们的电子结构它也被改变，因为它是由激子的行为控制的。在几纳米的纳米晶体中出现的量子限制导致它们的能级的量子化然后，它们可以被称为光-物质相互作用有效吸收截面表征了光-物质相互作用的有效性对于荧光分子，在室温下与高度聚焦光束的表面相比，其数量级这种不匹配反映了需要克服的技术问题，以便可比表面他们的决议是当今的一个重大问题; 2014年诺贝尔奖因此授予E.莫纳，E.Betzig和S.他们在纳米镜方面的工作有几种策略可以提高增加有效吸收截面的方法。在非常低的温度（T10K）的极限下，它可以达到极限值：<σABS = 3λ2（1.1）2π这表明该分子实际上可以吸收来自聚焦光束的所有能量。增加交互时间。分子在电磁腔中的位置（参见图1.3.a）中的高质量因子显著增加了光-物质相互作用的时间。将发射耦合到腔模式加速了荧光的速率（参见。图1.3（b）.··6勃艮第大学约（c）QB不在共振中共振QB   ns  ns能量（eV）时间（ps）（a）（b）图1.3-（a）布拉格反射镜光学微腔的光谱和品质因数（b）Q 5000。经[14]许可转载，APS，版权所有1998。(c)纳米源在共振（实心线）和非共振（虚线）时的时间响应。经[15]许可转载，IEEE出版物，版权所有1999。限制激发场。将光限制在与分子相当的尺寸上增加了相互作用的可能性由于近场光学或等离子体激元结构的使用，在衍射极限以下的工作是可能的这种方法在本工作中是首选的，并在以下段落中进行了讨论1.2纳米光学与单1.2.1近场光学和等离子体激元近场光学显微镜光学近场显微镜（或SNOM，扫描近场光学显微镜）是局部探针显微镜家族（电子扫描隧道显微镜-STM、原子力显微镜-AFM等）的一部分。它是从20世纪90年代发展起来的。它涉及在亚波长尺度上测量表面的光学性质。近场光学显微镜探针通常分为两类：– 作为近场散射中心的无孔探针然后可以在远场中检测散射场，从而给出近场强度的测量图1.4.a）。[16]– 基于使用拉伸的光纤的孔径探头除了在它的边缘（cf.图1.4.b）。[17]还应注意的是，检测到的信号的性质取决于探头，但也取决于成像模式：照明或近场检测19。实际上，在检测模式下，·勃艮第大学7100纳米（a）（b）图1.4-（a）无开口探头。经[17] AIP Publi- shing LLC许可复制，版权所有2003年。(b)带开口的探头。经[18]许可转载，OSA，版权所有2006。衍射极限和 光约束近场光学显微镜或纳米物体的操作可以通过拉伸的光纤来完成（参见图1.5.a）。用于近场或纳米物体操纵的光纤的外端处的曲率半径另一方面，如果模态场在波长范围内被很好地限制在光纤的芯中，则当光纤的半径具有亚波长尺寸时，模态场在光纤之外延伸得很大图1.5.b）。a)（b）图1.5经[20]许可转载，AIP，版权所有1999。(b)由HE 11模式拉伸和激发的光纤的电功率密度线λ= 488 nm处的模拟，经[10]许可复制，剑桥大学出版社，版权所有2006年。通过用几十纳米的光学不透明膜金属化光纤，同时在其末端留下开口，我们能够限制光。8勃艮第大学SPP⊥SPP其尺寸与开口的尺寸相当不幸的是，这种通信是以低透射率为代价的金属化的形状和控制是优化导向和在末端获得最佳亮度的关键因素必须在限制和峰值输出信号强度之间找到折衷。通常使用约100nm的开口这导致寻找在保持足够的光强度的同时有效地限制电磁波的解决方案等离子体激元为这一挑战提供了一个新颖的答案特别是，我们将在第4章和第5章中研究等离子体表面等离子体激元是位于金属表面的自由电子的集体振荡。然后，这些电荷的运动伴随着电磁场的振荡，该电磁场被限制在金属表面的几十纳米内。这种由电磁波和金属自由电荷之间的耦合产生的模式被称为表面极化子等离子体激元（SPP）。然而，我们将区分SPP和局域表面等离子体激元（LSP），前者传播并能够在几十微米内进行光学引导，后者出现在纳米颗粒上。后者不传播，但允许电磁场的三维约束这里我们回顾一下SPP的主要性质。图1.6.a显示了表面等离子体激元的主要特征。例如，平面金属/电介质界面支持定域等离子体激元，该等离子体激元被限制在表面上并沿着界面传播几十微米。它这也需要亚波长限制，介电部分，因为波矢量因此，介电部分中的空间电压由纯虚矢量控制kΩ=i/δ，其中δ是介电介质中的特征约束常数。donneparδ=λ/（2π√n2−n2）。我的意思是，我的意思是导致强约束（δ λ）。然而，这种亚波长限制是这是以金属中显著的焦耳损耗为代价此外，d’un tel mode est mal aisée en raison de son vecteur d’onde élevé et nécessite d’utili-ser 或L’intensité此行为是以下应用程序的基础– 生物化学表面等离子体共振传感器（PSR）;– 用于集成光子学的等离子体激元导向器[27，6，9]。这些指南似乎是微电子学和集成光子学之间缺失的一环。它们将允许将小型化和宽带健康结合起来。图1.6.b显示了金属-金属纳米颗粒支持的局部等离子体激元。这一次的光约束是三维中的亚波长一些定域模式（例如偶极模式）是辐射的，提供近场和远场之间这是纳米概念的基础勃艮第大学910 µm（一）b)（d）能量损失的测量探测器近场银等离子体激元激光激发样品电子束图1.6（b）金属表面近场能量的测量原理(c)定域等离子体激元的电子能损失光谱（ELP）图像。(d)测量聚焦在金属棱镜上的电子束能量损失的原理。经[26]麦克米伦出版社许可转载，版权所有2007。c））1.75电子伏特鳗鱼30纳米10勃艮第大学-另一方面，与高电磁场强度相关的强光限制导致与发射体的有效耦合，从而产生增强光谱用于光学近场的等离子体激元探针定域等离子体激元模式的强约束使得克服因此，附着在局部探针（AFM型）末端的金属纳米颗粒然而，这需要在纳米粒子的等离子体激元共振中工作，并且限制了应用领域L’utilisation de l’effet de pointe est en général privilégié puisqu’ilaboutit这种配置是尖端-表面结中的增强光谱（尖端增强表面光谱）的基础，它允许通过纳米级控制尖端表面距离来非常精细地控制此外，光场的强限制还允许通过由此产生的场梯度力捕获纳米颗粒，并允许操纵纳米物体[33，34]。漫射器中心文献中研究的一些选择包括在拉伸光纤的末端制造光学纳米天线[20，35]。这种配置允许在光纤中进行有效耦合，但特别难以实现，并且结构的尺寸必须根据研究的波长来确定1 µm图1.7-沿空气中银尖的纵向电场Ez的模拟。波长等离子体激元的传播及其尖端限制是清晰可见的。另一种方法是可能的。它包括将传播等离子体激元（SPP）和尖峰效应相结合，以在给定方向上传播信号并将其限制在纳米尺寸上。例如，金属尖端在金属/空气界面处支持等离子体激元模式图1.7）。传播等离子体激元模式的激发和检测并不容易。已经提出了两种原始的AP方法。第一种方法是将拉伸的光纤金属化，并在金属膜上蚀刻耦合网络[36]。图1.8.a）。这种配置导致在大约10纳米的尺寸上形成金属尖端100纳米