Capteur à fibre optique basé sur le principe de Résonance de

Capteur `a fibre optique bas´e sur le principe de
R´esonance de Plasmons de Surface : optimisation pour
la d´etection d’esp`eces chimiques
Karla Balaa
To cite this version:
Karla Balaa. Capteur `a fibre optique bas´e sur le principe de R´esonance de Plasmons de Surface :
optimisation pour la d´etection d’esp`eces chimiques. Mati`ere Condens´ee [cond-mat]. Universit´e
de Nantes, 2007. Fran¸cais. <tel-00291177>
HAL Id: tel-00291177
https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00291177
Submitted on 27 Jun 2008
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UNIVERSITE DE NANTES
ÉCOLE DOCTORALE
SCIENCES ET TECHNOLOGIES
DE L’INFORMATION ET DES MATERIAUX
Année : 2007
Thèse de Doctorat de l’Université de Nantes
Spécialité : SCIENCES DES MATERIAUX
Présentée et soutenue publiquement par
Karla BALAA
le 16 février 2007
à l’Université de Nantes
Capteur à fibre optique basé sur le principe de Résonance de
Plasmons de Surface : optimisation pour la détection
d'espèces chimiques
Jury
Président M. LEFRANT Serge, Professeur d’Université, NANTES
Rapporteurs M. BARCHIESI Dominique, Professeur d’Université, TROYES
M. HUMBERT Bernard, Professeur d’Université, NANCY
Examinateurs M. LOUARN Guy, Maître de Conférences, NANTES
M. MINEA Tiberiu, Chargé de Recherche CNRS, ORSAY
M. BOUKHERROUB Rabah, Directeur de Recherche CNRS, VILLENEUVE D’ASCQ
Directeur de Thèse : M. Guy LOUARN
Laboratoire : Institut des Matériaux Jean Rouxel de Nantes
Composante de rattachement du directeur de thèse : Ecole polytechnique, Université de Nantes
Co-encadrant : M. Tiberiu MINEA
Laboratoire : Laboratoire de Physique des Gaz et Plasmas - Orsay
N° ED 0366-297

Remerciements
Le travail présenté dans ce manuscrit a été réalisé au sein de l’institut des Matériaux Jean
Rouxel (IMN) de l’Université de Nantes ; il a été dirigé par Monsieur Guy Louarn et co-encadré par
Monsieur Tibériu Minea ; je tiens à leur exprimer ma profonde gratitude et toute ma
reconnaissance pour leur encadrement.
Je remercie Messieurs Dominique Barchiesi et Bernard Humbert pour m’avoir fait l’honneur
de rapporter cette thèse. Je remercie également Monsieur Rabah Boukherroub pour avoir
examiner mon travail, ainsi que Monsieur Serge Lefrant pour avoir présider le jury.
Je remercie tout particulièrement Monsieur Olivier Chauvet, directeur de l’équipe de
Physique des Matériaux et Nanostructures de l’IMN, pour son accueil au sein de l’équipe, ses
conseils et les discussions enrichissantes.
Je remercie toutes les personnes, secrétaires, techniciens, ingénieurs et chercheurs au sein
du laboratoire, qui m’ont accordé leur aide avec beaucoup de compétence, patience et
enthousiasme, en particulier Messieurs Alain Barreau, David Albertini, Guirec Ollivier, Vincent
Fernandez, Jean-Yves Mevellec, Jean-Charles Ricquier et Mesdames Marie-Paule Besland, Annie
Simon, Françoise Lari …
Mon séjour en France a été financé par le Conseil National de la recherche Scientifique
Libanais (CNRS-L) ; je présente mes sincères remerciements à son secrétaire général Monsieur
Mouin Hamzé et le responsable du programme des bourses Monsieur Charles Tabet.
Je ne saurais oublier tous mes collègues et mes amis au labo, Diyana, Eloise, Malak,
Tahereh, Florian, Jean Marc, Sadia, Martin, Aurélien, Stéphane, Cedric, Mohammed, Cristian,
Xao-Hua, Chih-Wen… Et les anciens doctorants auxquels je pense souvent, Pierre, Lotfi et
Mélissa. Un énorme merci à Fady, Stefanos, Julien et à toi Marc parce que tu étais présent pour
me donner le soutien et l’aide à accomplir cette thèse ; même si ce n’était pas toujours simple, je
te remercie pour le très bon moment qu’on a partagé durant ces années.
Je pense aussi à mes amis au Liban et à mes amis en France, spécialement les « voisins »,
(Benoît, Erell, Myriam, Alex, Fred, Vincent, Caro, Guillaume et Laurent) et les délicieux moments
culinaires passés ensemble.
Je dédie ce mémoire à ma famille que j’aime tant.

Sommaire
INTRODUCTION 1
CHAPITRE I : RESONANCE PLASMONS DE SURFACE : ORIGINE ET
APPLICATIONS
I.1 ─ INTRODUCTION 6
I.2 ─ ONDES EVANSECENTES ET PLASMONS 7
I.2.1 ─ Quelques dates clés 7
I.2.2 ─ Plasmon-polariton et plasmon de surface 8
I.3 ─ LE METAL PARFAIT 9
I.3.1 ─ Modèle de Drude (P. Drude, 1900) 9
I.3.2 ─ Fonction diélectrique du métal parfait 10
I.3.3 ─ Dispersion spectrale et fréquence de plasmons 11
I.3.4 ─ Perte d’énergie et fréquence plasmons 13
I.3.5 ─ Transition hybride et théorie quantique 14
I.4 ─ GAZ D’ELECTRONS DANS UN ESPACE SEMI-INFINI :
PLASMONS DE SURFACE 16
I.4.1 ─ Relation de dispersion des plasmons de surface 16
I.4.2 ─ Extension spatiale et longueur de propagation des PS 19
a) Extension spatiale suivant la direction transverse à l’interface (Oz) 19
b) Longueur de propagation le long de l’interface (Ox) 21
I.4.3 ─ Choix du métal 22

I.5 ─ TECHNIQUES OPTIQUES DE COUPLAGE 22
I.5.1 ─ Relation de couplage 22
I.5.2 ─ Description des différents modes de couplage entre PS et lumière 24
a) Couplage par prisme ou fibre optique (mode ATR) 24
b) Couplage par réseau de diffraction et par la rugosité 27
c) Couplage directionnel dans un guide d’onde 28
d) Pointe champ proche 29
I.6 ─ APPLICATIONS DU PRINCIPE SPR 29
I.6.1 ─ SPR pour la microscopie et l’investigation des interfaces et surfaces 30
I.6.2 ─ SPR pour la photonique 31
I.6.3 ─ SPR pour la détection et les mesures biochimiques 31
I.7 ─ CONCLUSION 33
Références 34
CHAPITRE II : MISE EN OEUVRE DES CAPTEURS SPR À FIBRE
OPTIQUE
II.1 ─ INTRODUCTION 38
II.2 ─ GÉNÉRALITÉS SUR LES FIBRES OPTIQUES 38
II.3 ─ CAPTEUR À FIBRE OPTIQUE (CFO) 40
II.3.1 ─ Définition 40
II.3.2 ─ Avantages des capteurs à fibre optique 40
II.3.3 ─ Architectures des CFO 41
II.3.4 ─ Configurations des capteurs SPR à base de fibres optiques 42
II.4 ─ RÉALISATION DE CAPTEURS SPR À FIBRES OPTIQUES 46
II.4.1 ─ Choix des fibres 47
II.4.2 ─ Dénudage et gravure des fibres 48