Nano-source/détecteur en champ proche de chiralité optique par

Nano-source/détecteur en champ proche de chiralité optique par nano-antennes sur micro-pointe fibrée
Direction : Thierry GROSJEAN (Optique),
Co-encadrement : Nicolas MARTIN (MN2S)
L’essor de la nano-optique et l’apparition de nouvelles techniques de nano-fabrication ont récemment ouvert
de nouvelles voies de contrôle de la « chiralité » intrinsèque de la lumière et ainsi d’obtenir une « activité
optique » ou une conversion de polarisation à l’aide de métamatériaux ultra minces hautement innovants.
L’objectif de cette thèse est de créer une chiralité optique artificielle confinée dans un volume sublongueur
d’onde à l’extrémité d’une micro-pointe intégrée sur fibre optique, communément utilisée en microscopie en
champ proche. Pour ce faire, nous envisageons la fabrication d’une nouvelle configuration de nano-antenne
chirale optique 3D en bout de pointe, proposant de manière originale une nouvelle approche pour
l'interfaçage électromagnétique optique entre une fibre optique et des entités nanoscopiques chirales. Le
principe de fonctionnement de notre dispositif nano-optique est basé sur l’idée originale d’un couplage
purement champ proche entre la pointe fibrée et la nano-antenne, à travers une résonance optique
nanométrique intermédiaire. Un tel couplage non radiatif permettrait d’atteindre des performances ultimes de
confinement, de contrôle ou de détection optique à l’échelle nanométrique. L’intégration directe de la nano-
antenne chirale 3D sur pointe offre également une architecture ultra-compacte fibrée, c’est-à-dire auto-
alignée, prête à l’emploi, s’affranchissant des composants optiques macroscopiques (objectifs, lentilles, etc.)
et déplaçable en 3D de manière versatile.
Cette thèse s’inscrit dans le projet transverse HELIX créé en 2015 entre les départements Optique et MN2S
de l’institut FEMTO-ST. Ce projet fédère les savoir-faire très spécifiques de ces deux départements par
rapport à l'état de l'art international concernant à la fois la nano-optique et la nano-fabrication. Cette
combinaison unique de compétences est indispensable à la mise en œuvre de ce travail.
Cette thèse s’organise autour de trois points, à savoir (1) l’étude théorique et le design des nanostructures par
méthode numérique FDTD (Finite Difference Time Domain) sur la base de codes déjà disponibles, (2) la
fabrication des nano-antennes sur micro-pointes fibrées par des techniques de dépôt métallique fortement
innovantes et de nanofabrication en salle blanche, et (3) la caractérisation optique des micropointes.
Nous envisageons d’exploiter la capacité de notre nanostructure chirale sur pointe fibrée à générer ou
détecter une polarisation circulaire en champ proche ainsi qu’un « dichroïsme circulaire » à l’échelle
sublongueur d’onde (génération/détection du moment angulaire de spin optique), permettant l’exploration de
l’interaction lumière/matière fondamentale induite par la chiralité optique. Nous étudierons également la
capacité de ces nano-antennes hybrides à contrôler la phase du champ proche optique, notamment à produire
un vortex optique à l’échelle sublongueur d’onde (génération de moment angulaire orbital optique) dont le
potentiel applicatif est très prometteur. Les retombées directes de ce projet concernent de nombreux
domaines d’applications scientifiques et industriels tels que la microscopie optique en champ proche, le
nano-interfaçage et nano-adressage contrôlé en polarisation, la magnéto-optique et l’acousto-optique
nanométrique, le piégeage et la manipulation optique, le développement de nouveaux nano-capteurs pour le
biomédical, la physico-chimie et la nano-mécanique de surface.