Fondamentaux et applications en nanophotonique résonnante.

Proposé par la Société Française d’Optique, soutenu par la division PAMO

Organisateur : R. Haidar

La conception de nanostructures pouvant interagir de manière résonnante avec la lumière est d'une grande importance pour améliorer les interactions lumière-matière et pour contrôler les distributions de champ aux échelles sub-longueur d'onde. Ces nanostructures offrent des solutions techniques et technologiques à fort potentiel d'innovation. Nos thèmes portent sur la nanotechnologie quantique, la biochimie et la détection chimique, l'optique non linéaire, les métamatériaux, le piégeage optique, les nouveaux matériaux plasmoniques, la théorie et l'analyse modale, entre autres.

Programme :

8h30 : Benjamin Vest (IOGS, Palaiseau) Expériences de plasmonique quantique : revisiter l'optique quantique avec des plasmons de surface

8h50 : Patrice Genevet (CRHEA Nice) Surface plasmon polariton control with Metasurfaces 9h10 : Bruno Palpant (LPQM, Chatenay-Malabry) Impulsions ultrabrèves et électrons chauds :

nouveaux développements pour le plasmon localisé 9h30 : Christelle Monat (INL Lyon) : Vers la réalisation de composants optiques nonlinéaires

intégrés sur puce exploitant du graphène 9h50 : Mathilde Makhsiyan (ONERA Palaiseau) : Contrôle spectral et spatial de l'émissivité à

l'aide de nano-antennes plasmoniques 10h10 : Gaël Latour (IMNC Orsay): Caractérisation de la dégradation du collagène par microscopie

multiphoton corrélée à la nanoscopie infra-rouge •

SFO PAMO Congrès général SFP 2017

Expériences de plasmonique quantique : revisiter l'optique quantique avec des plasmons uniques

Benjamin Vest1, M.-C. Dheur1,E. Devaux2, A. Baron3, E. Rousseau4, J.-P. Hugonin1, J.-J. Greffet1, G. Messin1, F. Marquier1

1 Laboratoire Charles Fabry, Institut d'Optique, CNRS, Université Paris-Saclay, 91127 Palaiseau cedex, France. 2 Institut de Science et d'Ingénierie Supramoléculaire, CNRS, Université de Strasbourg, 67000 Strasbourg, France. 3 Centre de Recherche Paul Pascal, CNRS, 33600 Pessac, France. 4 Laboratoire Charles Coulomb, UMR CNRS-UM 5221, Université de Montpellier, 34095 Montpellier, France.

Les plasmons polaritons de surface sont des excitations collectives d'électrons se propageant

à l'interface entre un diélectrique et un métal. La plasmonique quantique étudie le comportement

quantique des plasmons comme quasiparticules bosoniques, quantas de ces ondes de surface.

Au cours des quinze dernières années, plusieurs groupes ont reproduit les expériences

fondatrices de l'optique quantique avec des plasmons de surface. Les plasmons autorisant le

confinement de la lumière à l'échelle du nanomètre, il par ailleurs est possible de jouer sur

l'interaction entre la lumière et la matière pour contrôler les phénomènes quantiques à l'étude. Les

précédentes expériences ont ainsi donné lieu à de nombreuses propositions de circuits

plasmoniques, qui permettent d'envisager des applications en information quantique.

Figure 1 : Plateforme plasmonique vue au MEB et schéma en coupe. Deux réseaux permettent de lancer

des plasmons uniques en direction d'une séparatrice plasmonique (au centre de l'image). Les plasmons

sont ensuite reconvertis en photons uniques et collectés à l'arrière de la plateforme.

Nous reviendrons sur trois expériences de plasmonique quantique réalisées grâce à une

séparatrice à plasmons (voir Fig. 1) : test de la dualité onde-corpuscule1, intrication entre un

photon et un plasmon2, et interférence à deux plasmons

3. Nous soulignerons l'importance et le

rôle des pertes dans les dispositifs plasmoniques, Nous montrerons que la présence de pertes

permet de contrôler certaines propriétés de la séparatrice et ainsi d'affecter les phénomènes

quantiques observés. En particulier, nous présenterons différentes configurations permettant

d'observer la coalescence ou l'anti-coalescence de plasmons en sortie de la séparatrice.

1. M.C. Dheur et al., Single Plasmon interferences, Science Advances e1501574 (2016) 2. B. Vest et al., Non-Local Control of Single Surface Plasmon, arXiv 1610:07493 (2016) 3. B. Vest et al., Coalescence and anti-coalescence of surface plasmons on a lossy beamsplitter, arXiv 1610:07479 (2016)

Sfo Pamo Congrès général SFP 2017

Surface plasmon polariton control with Metasurfaces

Patrice Genevet1, Daniel Wintz2, Antonio Ambrosio2, Alan She2 and Federico Capasso1

1 Centre de recherche sur l’hétéro-épitaxie et ses applications, Université côte d’azur, Valbonne, France

2 School of Engineering and Applied Sciences, Harvard University, Cambridge, MA, USA

Email : pg@crhea.cnrs.fr

When a charged particle propagates in a medium at a velocity faster than the phase velocity of light in that

medium, it momentarily polarizes a region of material along its trajectory. This polarized region radiates

light at a specific angle to form a wake, or cone of emission known as Cherenkov radiation. The emission

angle of the cone is determined by two parameters, the speed of the particle and the refractive index of the

material. In this presentation, we will show that by creating a running wave of polarization at the interface

between an apertured metallic surface and air that propagates faster than the surface plasmon polariton’s

(SPP) phase velocity, we can generate surface plasmon wakes. Furthermore, by structuring the surface as a

subwavelength spaced grating of rotated apertures, we demonstrate controlled steering of surface plasmon

wakes by changing both the angle of incidence and the polarization of light. This technique is used to design

new types of line couplers and linear SPP focusing devices, opening up new opportunities for the

development of new surface wave devices for optoelectronics.

1. P Genevet, D Wintz, A Ambrosio, A She, R Blanchard, F Capasso, Controlled steering of Cherenkov surface plasmon wakes with a one-dimensional metamaterial, Nature nanotechnology 10, 804–809 (2015)

1

Figure (a) Side-by-side comparison between NSOM images for

light incident on a line of phased delayed apertures at different

angles and the calculated near-field patterns. The linear array

of antenna apertures has a period 𝜞 = 𝟏. 𝟓 𝝁𝒎 . The dashed

lines show the direction of the plasmon wakes. (b) The angles

of the SPP wakes, modified by the presence of local phase

retardations introduced by the aperture antennas, are

extracted from the NSOM images in (a) (blue data points) and

compared with the theoretically expected angles using the

equation above. The results are in excellent agreement. The

error bars represent the standard deviation of measurements

for different alleys. The red data points represent angles

derived from the Fourier transform of the NSOM images

obtained without antennas along the direction of the running

wave of polarization.

Colloque : Fondamentaux et applications en nanophotonique résonnante Congrès général SFP 2017

Impulsions ultrabrèves et électrons chauds : nouveaux développements pour le plasmon localisé

Bruno Palpant

Laboratoire de Photonique Quantique et Moléculaire, CentraleSupélec – Ecole Normale Supérieure Paris-Saclay – CNRS, Université Paris-Saclay, F-92295 Châtenay-Malabry cedex, France

La résonance de plasmon localisé dans les nanoparticules métalliques est un phénomène

aujourd’hui bien connu pour ses développements en termes de couleur, d’exaltation de champ

électromagnétique local et de conversion de lumière en chaleur aux petites échelles. Ces

propriétés, déjà largement exploitées en régime d’excitation lumineuse stationnaire, sont

modifiées par l’utilisation d’impulsions laser subpicosecondes : réponse optique non-linéaire,

modulation du champ proche, localisation accrue de l’émission de chaleur.1 Ces modifications

reflètent la perturbation transitoire ultrarapide de la distribution électronique sous l’effet de

l’injection brève et intense d’énergie. 2 , 3 Au-delà, des processus multiphotoniques peuvent

conduire à l’éjection d’électrons, 4 la création d’un nano-plasma5 et de radicaux libres dans l’eau,6

l’émission large bande de lumière.7

Dans cette communication, nous présenterons les mécanismes régissant la perturbation et la

relaxation électronique dans les nanostructures plasmoniques sous excitation laser pulsée, où

nous montrerons que le caractère athermal de cette distribution peut jouer un rôle important.

Nous explorerons les nouveaux effets qui peuvent être exploités dans les domaines de la

photonique ultrarapide,8 l’imagerie biomédicale et les nouvelles thérapies ciblées.9

1 Photothermal properties of gold nanoparticles, B. Palpant, in “Gold nanoparticles for physics, biology and chemistry”, Ed. C. Louis &

O. Pluchery (World Scientific, 2017). 2 C. Voisin, N. Del Fatti, D. Christofilos, and F. Vallée, Ultrafast electron dynamics and optical nonlinearities in metal nanoparticles, J .

Phys. Chem. B. 105, 2264–2280 (2001). 3 X. Wang, Y. Guillet, R. S. Periasamy, H. Remita, and B. Palpant, Broadband spectral signature of the ultrafast transient optical

response of gold nanorods, J. Phys. Chem. C 119, 7416-7427 (2015). 4 T. Labouret and B. Palpant, Nonthermal model for ultrafast laser-induced plasma generation around a single plasmonic nanorod,

Phys. Rev. B 94, 245426 (2016). 5 E. Boulais, R. Lachaine and M. Meunier, Plasma-mediated nanocavitation and photothermal effects in ultrafast laser irradiation of

gold nanorods in water, J. Phys. Chem. C 117, 9386–9396 (2013). 6 T. Labouret, J.-F. Audibert, R. Pansu and B. Palpant, Plasmon-assisted production of reactive oxygen species by single gold

nanorods, Small 11, 4475-4479 (2015). 7 T. Haug, P. Klemm, S. Bange, and J.M. Lupton, Hot-electron intraband luminescence from single hot spots in noble-metal

nanoparticle films, Phys. Rev. Lett. 115, 067403 (2015). 8 X. Wang, R. Moreira, J. Gonzalez and B. Palpant, Coupling localized plasmonic and photonic modes tailors and boosts ultrafast light

modulation by gold nanoparticles, Nano Lett. 15, 2633–2639 (2015). 9 Z. Zhang et al., Near infrared laser-induced targeted cancer therapy using thermoresponsive polymer encapsulated gold nanorods, J.

Am. Chem. Soc. 136, 7317−7326 (2014).

SFO PAMO Congrès général SFP 2017 Vers la réalisation de composants optiques nonlinéaires intégrés sur puce

exploitant du graphène

A. Pavlova1, M. Kemiche1, J. Lhuillier1, T. Wood1, R. Mazurczyk1, P. Regreny1, P. Rojo-Romeo1, B. Vilquin1, C. Grillet1, S. Callard1, X. Letartre1, C. Monat1 1 Institut des Nanotechnologies de Lyon (UMR CNRS 5270), Ecole Centrale de Lyon, Université de Lyon, 69130 Ecully, France

Après avoir suscité l’intérêt du secteur microélectronique, le graphène, matériau bidimensionnel

constitué d’un monofeuillet de carbone pourrait bien devenir un matériau phare de

l’optoélectronique1. Ses propriétés remarquables, en particulier son absorption universelle sur une large plage de longueurs d’onde, la haute mobilité des porteurs ou sa réponse optique accordable électriquement le prêtent à un large champ d’applications allant de la photodétection, aux

modulateurs ou interrupteurs optiques2. La réponse optique nonlinéaire est également pertinente pour la réalisation de lasers pulsés utilisant l’absorption saturable du graphène ou bien la

génération de fréquences fondée sur la réponse du 3ème ordre du graphène3. Malgré ces propriétés uniques, l’épaisseur monocouche du graphène reste un frein à

l’intégration des composants associés sur puce, et nécessite de trouver des stratégies pour renforcer l’interaction entre la lumière et le graphène. L’objectif du projet GRAPHICS à l’INL

consiste à exploiter les propriétés nonlinéaires du graphène sur puce pour la réalisation de microlasers pulsés et de composants nonlinéaires permettant du traitement tout optique de l’information. L’intégration du graphène sur plate-forme semiconducteur et l’exaltation de son

interaction avec la lumière pour créer des composants efficaces constituent des enjeux importants du projet. Nous aborderons ici différents points et résultats préliminaires de ce projet visant, en particulier, la réalisation de microlasers intégrés sur puce exploitant le graphène. Un design original associé à l’exploitation de modes lents dans des structures à cristaux photoniques sera présenté. Un modèle combinant équations de laser et absorption saturable du graphène met également en évidence la signature optique particulière (bistable rapide) accessible pour ces composants hybrides.

Remerciements : Nous remercions le programme européen H2020 GRAPHICS ainsi que l’institut universitaire de France pour leur soutien financier. 1. F. Bonaccorso et al. “Graphene photonics and optoelectronics”, Nature Photonics, 4, 611 (2010) 2. Q. Bao, "Graphene Photonics, Plasmonics, and Broadband Optoelectronic Devices", ACS NANO 6, 3677 (2012) 3. T. Gu et al. "Regenerative oscillation and 4-wave mixing in graphene optoelectronics" Nature Photonics 6, 554 (2012)

1

SFO : Fondamentaux et applications en nanophotonique résonnante Congrès général SFP 2017

Contrôle spectral et spatial de l’émissivité à l’aide de nano-antennes plasmoniques

Mathilde Makhsiyan1,2, Patrick Bouchon1, Julien Jaeck1, Riad Haïdar1 1 MiNaO, ONERA, The French Aerospace Lab, 91761 Palaiseau, France 2 MiNaO, Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies (C2N-CNRS), 91460 Marcoussis, France,

Les métasurfaces permettent de manipuler la lumière et de contrôler leur réponse

électromagnétique sur des bandes spectrales variées. En particulier, il est possible de contrôler

l’émission thermique et d’obtenir des émissions monochromatiques ou directionnelles, et ainsi de

dépasser la limite du corps noir décrit par la loi de Planck. Par exemple, des émetteurs utilisant

des métasurfaces d’antennes Métal-Isolant-Métal (MIM) ont été réalisés. Cependant, leurs

propriétés optiques sont spatialement homogènes car basées sur la répétition périodique d’un

motif donné.

Ici, nous étudions une métasurface qui possède des propriétés optiques inhomogènes contrôlées,

menant à une modulation spatiale de l’émissivité jusqu’à l’échelle de la longueur d’onde dans

l’infrarouge1. Une métasurface, composée de 100 millions de nano-antennes qui contrôlent

spectralement et spatialement la lumière émise a été réalisée et caractérisée. Chaque antenne,

de dimension petite devant la longueur d'onde, agit comme un émetteur à une polarisation et une

longueur d’onde données, indépendant des antennes voisines. La juxtaposition de ces émetteurs

à l’échelle de la longueur d’onde permet d’obtenir un contrôle spatial, spectral et en polarisation

de la lumière et de coder des images multispectrales et polarisées (Fig. 1). Cela ouvre de

nombreuses perspectives prometteuses dans les domaines des dispositifs anti-contrefaçons et de

la détection d’espèces biochimiques.

Figure 1 : (a) Image visible de l’échantillon. (b) Image d’émission infrarouge dans une polarisation. (c) Image d’émission infrarouge dans la polarisation orthogonale et à différentes longueurs d’onde d’émission.

1. M. Makhsiyan et al., Appl. Phys. Lett. 107(25), 251103 (2015)

1

CBA

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Biophotonique : Techniques optiques pour la biologie et la médecine Congrès général SFP 2017

Caractérisation de la dégradation du collagène par microscopie multiphoton corrélée à la nanoscopie infra-rouge.

Gaël Latour1, Laurianne Robinet2, Alexandre Dazzi3, François Portier4, Ariane Deniset-Besseau3, Marie-Claire Schanne-Klein5

1 IMNC, Univ. Paris-Sud, CNRS, Université Paris-Saclay, 91400 Orsay, France 2 CRC, Sorbonne Universités, Muséum national d'Histoire naturelle, Ministère de la Culture et de la Communication, CNRS, 75005 Paris, France 3 LCP, Univ. Paris-Sud, CNRS, Université Paris-Saclay, 91400 Orsay,France 4 LCMCP, Sorbonne Universités, UPMC Univ Paris 06, CNRS, Collège de France, 75005 Paris, France 5 LOB, Ecole Polytechnique, CNRS, Inserm, Université Paris-Saclay, 91128 Palaiseau, France

Le collagène est un élément majeur de l'architecture des organes chez les mammifères et est

présent notamment dans la peau (au niveau du derme), la cornée, les tendons et ligaments, les

os et les artères. Cette protéine se caractérise par de longs domaines en triple hélice, qui

s’alignent spontanément pour former des fibrilles de 10 à 300 nm de diamètre, qui forment elles-

mêmes diverses structures 3D spécifiques de chaque type de tissu. Sous l’effet de la chaleur ou

d’autres processus, le collagène peut perdre sa structure en triple hélice (dénaturation), ce qui

donne de la gélatine. L’objectif de ce travail est d’associer des techniques complémentaires,

microscopie optique non-linéaire (NLO) et spectroscopie infrarouge à l’échelle nanométrique

(nanoIR), permettant une caractérisation physico-chimique multi-échelle de la dénaturation du

collagène.

L’étude est tout d’abord effectuée

sur des échantillons de référence

constitués de collagène purifié, fibrillé

puis dénaturé (fig. 1). La microscopie

NLO montre que la dénaturation

correspond à une disparition des

signaux de génération de second

harmonique (SHG), spécifique du

collagène fibrillaire qui constitue un

matériau non centrosymétrique1, et à

l’apparition de signaux de

fluorescence. Le nanoIR2,

Figure 1 : Imagerie corrélative SHG / nanoIR d’une fibrille

de collagène. A : image SHG. B : cartographie AFM. C :

spectres infra-rouge acquis aux points de couleur en B.

parfaitement adapté à la taille caractéristique des fibrilles de collagène, montre que la

dénaturation du collagène a pour signature chimique l’apparition d’une bande d’absorption autour

de 1730 cm-1.La corrélation de ces informations morphologique et chimique permet donc de

valider l’imagerie NLO combinant SHG et fluorescence comme diagnostic de l’intégrité structurale

du collagène3, cette technique ayant l’avantage de s’appliquer à des échantillons épais, sans

prélèvement. Un exemple est donné sur des parchemins, objets précieux obtenus à partir d’une

peau animale traitée puis séchée sous tension, et ainsi constitués essentiellement de collagène3.

1. S. Bancelin et al, Nat. Commun. 5 (2014)

2. A. Dazzi and C.B. Prater, Chem. Rev. (2016) 3. G. Latour et al, Sci. Rep. 6, 29863 (2016)

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