Couches minces optiques

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Exaltations géantes du champ



Principal investigators : Aude Lereu, Myriam Zerrad, Claude Amra

Collaborateurs internes : F. Lemarchand (RCMO), J. Lumeau (RCMO), M. Lequime (CONCEPT)
Collaborateurs externes : LICB, IMMM, IES, PhLAM, CPBS
Doctorants : Césaire Ndiaye (thèse ANR SEEC - 2012), CIFRE en attente d’un grand groupe

L’équipe met à disposition, en collaboration avec l’équipe RCMO, son expertise du domaine de la synthèse des couches minces optiques pour concevoir des composants originaux. Le dernier exemple concerne l’optimisation de résonances géantes, sous conditions de réflexion totale, dans des empilements multi-diélectriques, c’est-à-dire hors du champ de la plasmonique plus couramment utilisée.

La méthode de synthèse que nous avons développée est entièrement originale et autorise l’existence d’une exaltation optimale pour des conditions arbitraires d’utilisation (incidence, longueur d’onde, polarisation), ce qui constitue un avantage clé eu égard aux composants plasmoniques (même si la robustesse est moindre) (Fig. 1). Par ailleurs, l’exaltation est inversement proportionnelle à l’indice imaginaire des diélectriques, ce qui conduit à des amplifications jusque-là inégalées (plusieurs décades). La technique a été récemment généralisée pour aboutir à des exaltations conjointes (plusieurs longueurs d’ondes, plusieurs angles), grâce au concept d’« admittance nulle » que nous avons introduit en 2016 (article en cours).

Fig. 1 : Empilement synthétisé pour obtenir une exaltation optique géante à 2 longueurs d’onde / Synthesized dielectric stack to achieve giant optical field enhancement for 2 excitation wavelengths

Dans ces conditions, la majoration de l’amplification dans ces oscillateurs multi-diélectriques ne provient que des bandes passantes (largeur de raie, divergence) ou de la précision sur les paramètres opto-géométriques des composants. L’étape de fabrication doit ainsi être précédée d’une analyse de la robustesse des filtres. On note également que l’exaltation optimale peut être, sur demande, accompagnée d’une absorption totale (100%) malgré la faible valeur des indices imaginaires (quelques 10-6) des matériaux en couches minces. Enfin, les composants peuvent être déposés en extrémité de fibre optique, ce qui confère une valeur ajoutée de flexibilité et de miniaturisation.

Ces travaux théoriques ont été complétés par la mise en œuvre d’une instrumentation dédiée : le diffusomètre "One shot" (Fig. 2) permettant la mesure des exaltations, indispensable à une rétroaction sur la fabrication.

Cette mise en œuvre est délicate et couteuse, notamment en raison de :

- la faible largeur de raie (1pm) qu’il faut pouvoir positionner arbitrairement sur toute une plage spectrale
- la faible divergence du faisceau excitateur, de l’ordre de 0,1 mrd
- l’exaltation de la diffusion, qui accompagne l’optimisation de la résonance
- la précision relative requise sur la géométrie du composant (indices complexes, épaisseurs), qui peut aller jusqu’à 10-4 selon l’amplification visée

Fig. 2 : Diffusomètre one shot
Fig. 3 : Image du faisceau réfléchi par un empilement multi-diélectrique à la résonance
















-  Dans ces conditions, le problème inverse est complexe à résoudre dans la mesure où la résonance (Fig. 3) est pompée conjointement par l’absorption et la diffusion, et réduite de surcroît par l’imprécision sur la formule du composant. A noter ici que les techniques de contrôle in situ de la fabrication sont une nécessité compte tenu des précisions requises.

-  Des mesures en champ proche, de type courbe I(z) (Fig. 4.1) et cartographie (Fig. 4.2) , complètent ces investigations et ont déjà montré une exaltation du champ d’un facteur 300 pour un composant conçu pour supporter une exaltation théorique de 1000. La différence théorie-expérience vient principalement de la divergence du faisceau laser incident. Par les cartographies, nous avons aussi montré l’influence de la polarisation et de l’angle d’incidence sur la résonance en champ proche.

Fig. 4 : Etude en champ proche optique (collaboration Equipe OCP du LICB de Dijon)
1) Courbe I(z) pour accéder aux paramètres du champ évanescent associé à la résonance. 2) Cartographie champ proche pour montrer l’influence de la polarisation (gauche) et de l’angle (droite) d’incidence.

Les applications visées concernent, entre autres, les capteurs par une meilleure sensibilité aux contaminants ; les sources lumineuses par l’optimisation de la puissance et/ou la réduction du seuil laser ; ou encore l’imagerie par une amélioration du rapport signal sur bruit.

Un projet ANR JCJC 2017 vient d’être déposé couvrant les aspects applicatifs en imagerie et capteur.


Publications

- M. Zerrad, C. Ndiaye, A. L. Lereu and C. Amra, "Bandwidths limitations of giant optical field enhancements," to be submitted to Optica (2017)

- A. L. Lereu, M. Zerrad, C. Ndiaye, F. Lemarchand and C. Amra, "Scattering losses in multidielectric structures designed for giant optical field enhancement," Appl. Opt. 53, A412 (2014)

- A. L. Lereu, M. Zerrad, M. Petit, F. De Fornel and C. Amra, "Multi-dielectric staks as a platform for giant optical field," Proc of SPIE Optics+Photonics 9162, 916219 (2014)

- C. Ndiaye, M. Zerrad, A. L. Lereu, R. Roche, P. Dumas, F. Lemarchand and C. Amra, "Giant optical field enhancement in multi-dielectric stacks by photon scanning tunneling microscopy," Appl. Phys. Lett. 103, 131102 (2013)

- C. Ndiaye, F. Lemarchand, M. Zerrad, D. Ausserre and C. Amra, "Optimal design for 100% absorption and maximum field enhancement in thin-film multilayers at resonances under total reflection," Appl. Opt. 50, C382 (2011)



Brevets

- C. Amra, M. Zerrad, F. Lemarchand, "Réflecteur optique résonant à multiples couches minces de matériaux diélectriques, capteur optique et dispositif d’amplification laser comportant un tel réflecteur," French patent number : FR1656159, 2016

- C. Amra, A. L. Lereu, M. Zerrad, "Capteur optique comportant un réflecteur optique résonant à multiples couches minces de matériaux diélectriques," French patent number : FR1655743, 2016

- D. Ausserre, L. Roussille, C. Amra, F. Lemarchand, M. Zerrad, "Procédés optiques pour l’observation d’échantillons et pour la détection ou le dosage d’espèces chimiques ou biologiques," French patent number : FR1257279, 2013, Brevet licencié par la société WatchLive et en cours d’extension aux USA

- C. Ndiaye, F. Lemarchand, M. Zerrad, C. Amra, D. Ausserré, "Optimisation de résonances plasmoniques ou multi-diélectriques à la réflexion totale," (DI 3658-02) 2010

- C. Ndiaye, F. Lemarchand, M. Zerrad, C. Amra, D. Ausserré, "Supports amplificateurs de contraste," (DI 03658-01) 2009



Conférences et Séminaires Invités

- C. Amra, F. Lemarchand, M. Zerrad, A. L. Lereu, "Multi-dielectric stacks as a platform for giant optical field," OIC-2016, Tucson, USA, June 2016

- A. L. Lereu, "Optical field enhancement," CNRS-EWHA Winter School 2016, Seoul, Korea, January 2016

- M. Zerrad, A. L. Lereu, F. Lemarchand, C. Amra, "Multi-Dielectric structures for giant optical field enhancement," OPALS 2015, Alger, Algeria, December 2015

- A. L. Lereu, M. Zerrad, M. Petit, F. De Fornel, C. Amra, "Multi-dielectric stacks as a platform for giant optical field," Paper 9162-43, Active Photonic Materials VI, SPIE, San Diego, USA, August 2014

- A. L. Lereu, M. Zerrad, F. Lemarchand, C. Amra, "Giant optical fields in optimized multi-dielectric stacks," C’Nano PACA Scientific Days, Porquerolles, France, June 2014

- M. Zerrad, C. Ndiaye, A. L. Lereu, F. Lemarchand, C. Amra, "Multi-dielectric planar structures for giant optical field enhancement," JNMO, Evian, France May 2013

- C. Amra , C. Ndiaye, M. Zerrad, F. Lemarchand, "Optimal Design for Field Enhancement in optical coatings," SPIE Optical System Design, Advances in Optical Thin Films IV, 8168-7, September 2011



Contrats

Projet AO Interne Fresnel (porteur M. Lequime) 2015-2016
Projet Région PACA Exog (porteur A. Lereu) 2013
Projet ANR SEEC (porteur C. Amra) 2007-2012



Projets soumis

- Projet ANR JCJC en 2017 (en cours)
- Projet ANR GOALS en 2016, avec l’IES de Montpellier, le LICB de Dijon et l’IMMM du Mans (non financé)
- Projet ANR GOALS en 2015, avec l’IES de Montpellier, le LICB de Dijon et l’IMMM du Mans (non financé)
- Projet ANR - PRCI MultiPAL avec la City university of Hong Kong (non financé)
- Projet ANR GOALS en 2014, avec l’IES de Montpellier, le LICB de Dijon et l’IMMM du Mans (première étape validée, non financé)
- PEPS INSIS Projets exploratoires 2013 : MeMO : Métrologie Multimodale des exaltations Optiques géantes : du champ lointain au champ proche (non financé)
- PEPS INSIS Projets exploratoires 2016 : E-CAPTE : Exaltations optiques géantes pour CApteurs oPtiques ulTra-sensibles et intEgrables (non financé)
- MI – Défi instrumentation aux limites 2016 : EXOG-CAPTE - EXaltations Optiques Géantes pour CApteurs oPtiques ulTra-sensibles et intEgrables (non financé)
- MI - Technologies innovantes au bénéfice de l’interdisciplinarité 2016 : e-TIRF - Microscopie TIRF exaltée par des empilements multi-diélectriques optimisés résonants (non financé)
- MI – Défi instrumentation aux limites 2017 : e-TIRF - Microscopie TIRF exaltée par des empilements multi-diélectriques optimisés résonants applications aux microscopies de fluorescence multimodales. (en cours)
- MI – Défi IMAG’IN 2017 (en cours) : EXTRA-TIRF
- Projet A*MIDEX AAP Interdisciplinarité 2017 (en cours)



Bourses de thèse demandées

- Programme CSC-China Scholarship Council 2014, avec l’école centrale de Marseille
Optimization of giant field resonator : application to the design of new generation optical sensors
- Programme CSC-China Scholarship Council 2015, avec l’école centrale de Marseille
Optimization of giant field resonator : application to the design of new generation optical sensors
- Bourse cofinancée DGA/AMU 2014 (Accepté par la DGA)
Exaltation optique multi-diélectrique géante en espace libre
- Bourse cofinancée DGA/AMU 2015
Exaltation optique multi-diélectrique géante en espace libre