Le champ proche optique Théorie et applications

Le champ proche optique
Théorie et applications
Editeurs :
Daniel Courjon et Claudine Bainier
Institut FEMTO-ST. Département d’Optique.
UMR 6174 CNRS . Université de Franche-Comté .
32 avenue de l’Observatoire, 25044 Besançon cedex, France *
www.femto-st.fr
Auteurs ** :
Jean-Marie Vigoureux
Laboratoire de Physique Moléculaire, UMR CNRS 6624, Université de Franche-Comté, 25030 Besançon cedex.
Jean-Jacques Greffet
Rémi Carminati Laboratoire EM2C, UPR CNRS 288,
Ecole Centrale Paris, 92295 Châtenay-Malabry cedex.
Daniel Van Labeke
Michel Spajer Laboratoire d’Optique P.-M. Duffieux, UMR CNRS 6603,
Université de Franche-Comté, 25030 Besançon cedex.
Christian Girard
Gérard Colas des Francs CEMES, 29 rue Jeanne Marvig, BP 4347,
F–31055 Toulouse cedex 4, France.
Dominique Barchiesi
Pascal Royer
Pierre-Michel Adam
Renaud Bachelot
Hervé Wioland
Gregory Wurtz
Laboratoire de Nanotechnologie et d’Instrumentation Optique,
Université de Technologie de Troyes,
12 rue Marie Curie
BP 2060
F- 10010 Troyes cedex.
Frédérique de Fornel
Laurent Salomon
Lotfi Berguiga 
Groupe Optique de Champ Proche,
LPUB-UMR 5027, Université de Bourgogne, 9 av. A. Savary, BP
47870, 21078 Dijon cedex.
Pascal Falgayrettes
Michel Castagné CEM2, Univ. Montpellier 2,
Place E. Bataillon, cc 083, 34095 Montpellier cedex 05.
Georges Lampel
Nathalie Landraud
Jacques Peretti
Viatcheslav Safarov
Claudine Hermann
Laboratoire de Physique de la Matière Condensée,
Ecole Polytechnique,
91128 - Palaiseau cedex.
Philippe Bertrand DGA, SPN/ST/LAS/GE, 8 Boulevard Victor, 75015 Paris.
Roland Duffait
Centre de Transfert des Microtechniques, 39 avenue de l’Observatoire, 25044 Besançon cedex.
Emmanuel Bigler
Laboratoire de Physique et Métrologie des Oscillateurs, 32 avenue de l’Observatoire, 25044 Besançon cedex.
Khaled Karrai
Center for Nano–Science, sektion Physik der Ludwig-Maximilians- Universität, D-80539 München, Germany.
Paul Tchénio
Anne Débarre Laboratoire Aimé Cotton, Bât 505, 91405 Orsay cedex.
Bernard Humbert
Laboratoire de Chimie Physique pour l’Environnement, UMR 7564 CNRS-UHP Nancy I, 405 rue de Vandoeuvre, 54600 Villers-lès-Nancy.
Yong Chen Laboratoire des Microstructures et de Microélectronique, CNRS, 196
avenue Henri Ravéra, 92225 Bagneux.
Yves Souche Laboratoire Louis Néel - CNRS/UJF, BP 166, 38042 Grenoble cedex 9.
Michel Orrit
Centre de Physique Moléculaire Optique et Hertzienne (CPMOH), UMR 5798, Université de Bordeaux I, 351 cours de la Libération,
33405 - Talence cedex.
Collection technique et scientifique des télécommunications
Springer-Verlag France et France Télécom R&D, Paris, 2001
ISBN 2-287-59720-4
* adresse au moment du dépôt sur HAL ** affiliation au moment de la parution de l’ouvrage

Champ Proche Optique: Théorie et Applications
Le champ proche optique
Théorie et applications
Daniel Courjon
Claudine Bainier
ed.
Collection technique et scientifique des télécommunications
SpringerVerlag France et France Télécom R&D, Paris, 2001
ISBN 2287597204
Partie 1/3
Préface
I. Théories et modélisations (pages 1114)
II. Expérimentation
III. Exemples d'applications
Bibliographie (pages 321344)

2

Table des matières
0.1 À propos d’ondes évanescentes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
0.1.1 Les propriétés de l’onde évanescente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
0.1.2 Conséquences de ces caractéristiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
IThéories et modélisations 23
1 Introduction aux concepts 29
1.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
1.2 Propagation d’un faisceau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
1.2.1 Position du problème . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
1.2.2 Formule de propagation du champ: spectre angulaire. . . . . . . . . . . . . . . . 30
1.2.3 La propagation est un analyseur de spectre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
1.2.4 La propagation est un filtre passe-bas de fréquences spatiales . . . . . . . . . . . . 33
1.3 Le principe de Huygens-Fresnel retrouvé . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
1.3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
1.3.2 Développement d’une onde sphérique en ondes planes . . . . . . . . . . . . . . . 34
1.3.3 Le principe de Huygens-Fresnel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
1.3.4 Approximation de champ lointain ou de Fraunhofer . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
1.4 Rayonnement en champ proche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
1.4.1 Champ électrostatique dipolaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
1.4.2 Champ rayonné par un dipôle et limite électrostatique . . . . . . . . . . . . . . . 36
1.4.3 Champ rayonné et champ diffusé . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
1.4.4 Singularité du tenseur de Green et champ local . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
1.4.5 Équation intégrale pour le champ électrique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
2 Modélisation 41
2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
2.2 Détection de champs confinés . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
2.2.1 Position du problème . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
2.2.2 Application du théorème de réciprocité . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
2.2.3 Comment déterminer le champ réciproque? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
2.2.4 Applications: effets de polarisation et réponse spectrale . . . . . . . . . . . . . . 45
2.3 Imagerie de structures diélectriques localisées . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
2.3.1 Position du problème . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
2.3.2 Application du théorème de réciprocité . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
2.3.3 Calcul du signal mesuré . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
2.3.4 Concept de réponse impulsionnelle: validité et utilité . . . . . . . . . . . . . . . . 50
2.3.5 Cas des microscopes sans ouverture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
2.4 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
3

4 TABLE DES MATIÈRES
3 Méthode perturbative 55
3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
3.1.1 Utilisation de la méthode perturbative en champ lointain . . . . . . . . . . . . . . 55
3.1.2 Utilisation de la méthode perturbative en champ proche . . . . . . . . . . . . . . . 56
3.2 Vocabulaire et notations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
3.2.1 Coordonnées et différents vecteurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
3.2.2 Polarisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
3.2.3 Transformation de Fourier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
3.3 Rappels théoriques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
3.3.1 Équations de Maxwell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
3.3.2 Ondes planes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
3.4 Méthode de Rayleigh perturbative . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
3.4.1 Système de multicouches rugueuses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
3.4.2 Développement de Rayleigh . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
3.4.3 Approximation de Rayleigh . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
3.4.4 Réflexion sur un réseau 1D . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
3.4.5 Diffraction par une surface 2D en polarisation quelconque . . . . . . . . . . . . . 62
3.4.5.1 Champs réfléchi et transmis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
3.4.5.2 Champs diffractés au premier ordre de perturbation . . . . . . . . . . . 64
3.4.6 Diffraction par un système de multicouches rugueuses: cas général . . . . . . . . 64
3.5 Méthodes de perturbation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
3.5.1 Équation de Lippman-Schwinger optique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
3.5.2 Développement de Born optique. Approximation de Rayleigh–Gans . . . . . . . . 66
3.5.3 Application de l’approximation de Born à la diffraction par une interface peu ru-
gueuse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
3.6 Limite de validité . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
3.6.1 Validité de la méthode de Rayleigh . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
3.6.2 Validité du développement de perturbation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
3.6.3 Validité du développement de perturbation limité à l’ordre un (approximation de
Born) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
3.6.4 Autre exemple de discussion de la limite de validité . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
3.7 Modèle de STOM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
3.7.1 Principe du microscope tunnel optique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
3.7.2 Modélisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
3.7.3 Calcul de l’intensité détectée . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
3.7.4 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
3.7.5 Formation des images en STOM ........................... 70
3.7.5.1 Filtrage de propagation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
3.7.5.2 Distance et résolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
3.7.6 Fonction de transfert et réponse impulsionnelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
3.7.7 Rappels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
3.7.7.1 Quasi-réponse impulsionnelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
3.8 Mode émission . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
3.8.1 Principe du microscope tunnel optique inversé: I-STOM .............. 72
3.8.2 Modélisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
3.8.2.1 Limite à grande distance d’un spectre d’ondes planes . . . . . . . . . . 73
3.8.2.2 Modélisation de la nano-source . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
3.8.3 Intensité détectée . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
3.9 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
3.9.1 Terme spéculaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
3.9.2 Fonctionnement du I-STOM ............................. 75
3.9.2.1 Réciprocité du I-STOM et du STOM ................... 75
3.10 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75