Introduction - Femto-ST

FEMTO-ST / Rapport d’activité ■ 2002-2006
LES ACTIVITES EN
«OPTIQUE»
Introduction
Ce livret comportant 20 fiches résume les
activités de recherche en Optique et
Photonique menées entre 2003 et 2006 au
sein des quatre équipes du Département
d’Optique P.M. Duffieux:
Equipe Nanométrologie et Microsystèmes
pour les Sciences du Vivant (NMSV) :
OP1. Mesure de position subpixel
applications aux sciences du vivant
OP2. Microsystèmes pour la Fécondation In
Vitro
OP3. Bio-Lab on chip pour la détection de
gaz ou d’odeurs : le Bio-nez
OP4. Sonde optique pour la détection des
allergènes
OP5. Applications des continua de lumière
blanche en biologie : microscopie de
fluorescence et spectroscopie de
temps de vol
OP6. Spectro-tomographie optique de
cohérence : développement d’une
sonde optique miniaturisée pour le
diagnostic des lésions cutanées en
temps réel
Equipe Nano-Optique et Champ Proche
(NOCP) :
OP7. Etude de l’émission, de la détection et
de l’effet de pointe (linéaire + non
linéaire) obtenus avec une sonde
champ proche
OP8. Nano-émetteurs/collecteurs pour la
nano-optique
OP9. Nanostructures métalliques
OP10. Cristaux photoniques en niobate de
lithium
OP11. Fabrication et instrumentation pour la
nano-photonique
Equipe Optique Non Linéaire (ONL) :
OP12. Imagerie non linéaire et quantique
OP13. Solitons spatiaux et guides photo-
induits
OP14. Amplification paramétrique sur fibre
optique pour les télécommunications à
haut débit
OP15. Sources laser à fibre de nouvelle
génération
Equipe Optoélectronique (OPTO) :
OP16. Composants photoniques
OP17. Dynamiques non linéaires
OP18. Optique ultrarapide
OP19. Cryptage par Chaos
OP20. Cryptage Quantique
Nous avons choisi, au niveau de FEMTO-ST,
d’organiser les différents livrets de manière à
permettre au lecteur de se forger une opinion
sur la composition et la cohérence
scientifique des futurs départements
souhaités pour la période quadriennale 2008-
2011 (cf. le chapitre Prospective de FEMTO-
ST dans le document de synthèse). Compte
tenu de ce choix, il convient de rajouter 3
fiches supplémentaires au bilan d’activités de
l’Equipe Nano-Optique et Champ Proche. Ces
fiches correspondent aux travaux menés en
micro-optique et en microsystèmes MOEMS :
MN3. Microcapteurs opto-mécaniques
résonnants pour la métrologie in situ
de Microsystèmes
MN4. Métrologie hors plan des MEMS par
interférométrie de Twyman Green
MN5. Système de détection basée sur la
réinjection optique dans une cavité
VCSEL pour la microscopie à sonde
locale
La poursuite de ces activités étant en
cohérence et en synergie avec la charpente
pluridisciplinaire du Département Micro Nano
Sciences et Systèmes dont la création est
proposée, ces trois fiches sont donc
répertoriées au sein du livret préfigurant ce
futur Département.
Enfin, dans chaque fiche, la production
scientifique principale est référencée selon la
liste 2002-2005 donnée dans le bilan
quantitatif, ou fait état de quelques
publications plus récentes ou
particulièrement significatives.

FEMTO-ST / Rapport d’activité ■ 2002-2006
OP7 – Etude de l’émission, de la
détection et de l’effet de pointe
(linéaire + non linéaire) obtenus
avec une sonde champ proche
(dép. Optique, NOCP)
Résumé
Objectif du projet :
La sonde classique d'un microscope optique
en champ proche est une fibre optique taillée
en pointe dont il faut connaître avec la plus
grande précision possible les caractéristiques
d’émission ou de détection. Placée à quelques
nanomètres de la surface de l'objet à
analyser, cette sonde capte le champ proche
électromagnétique et l'achemine vers un
détecteur situé en champ lointain. Le champ
proche est majoritairement composé d'ondes
évanescentes. Celles-ci, contenant
l'information sur les détails fins de l'objet, ne
peuvent se propager seules jusqu'au
détecteur (oeil ou appareil de mesure). La
sonde fine sert donc de collecteur local de ces
ondes. L'image de la surface de l'objet est
alors reconstituée par ordinateur en
attribuant la valeur de l'intensité lumineuse
détectée à chaque position de la sonde. Un
asservissement de la distance entre la sonde
et l'objet est souvent utilisé pour éviter les
problèmes de contact de la sonde avec la
surface.
Personnes impliquées :
Fadi Baida (PR, 30%), Brahim Guizal (MC,
10%), Daniel Van Labeke (PR 50 %) Yves
Pagani (DOC, 100%), Abderrahmane Belkhir
(DOC, 100%), Thierry Laroche (DOC, 100 %)
Collaborations :
IEF Orsay, ESPCI Paris, EPFL Lausanne,
Institute of Optics, Rochester USA.
Soutiens financiers :
Pôle de Compétences en Nanosciences Grand
Est
Description des travaux et
résultats obtenus
La première image présente la
modélisation FDTD 2D d'une sonde de
microscope optique de type SNOM (en
émission). Cette sonde est une fibre optique
monomode taillée en pointe par attaque
chimique, recouverte d’une fine couche
métallique et munie d’une ouverture à son
extrémité. Les paramètres de la
modélisation, donnés sur le schéma,
correspondent à des valeurs expérimentales.
Dans ce cas où la sonde est métallisée à
l’argent, la dispersion du métal est décrite
par un modèle de Drude qui est directement
intégré dans l’algorithme FDTD. L’originalité
de ce travail réside dans le fait que le calcul
est effectué sur une très grande zone (ici
21x40µm2) de l’espace faisant intervenir des
interactions avec des objets de dimensions
très différentes (partie conique de quelques
dizaines de microns et extrémité de quelques
dizaines de nanomètres). Ce calcul a été
rendu accessible sur des ordinateurs de
bureau par l’implémentation d’un maillage
non uniforme permettant une très bonne
description de l’objet.
De la même façon, nous avons modélisé une
expérience réalisée à l’EPFL et qui consistait à
tirer avantage de l’excitation d’une résonance
de type plasmon afin d’exalter l’émission
d’une pointe de microscope champ proche.
Comme le montre la figure ci-dessous, une
bille en or de diamètre 60nm a été fixée à
l’extrémité de la sonde.
Nous avons modélisé cette expérience et
démontré une exaltation de l’intensité
lumineuse transmise d’un facteur 100 en
champ proche et 10 en champ lointain. La
réponse temporelle du signal champ proche
est représentée sur la figure. La courbe en
pointillé correspond à l’impulsion injectée
dans la fibre alors que le signal détecté en

FEMTO-ST / Rapport d’activité ■ 2002-2006
bout de pointe à 5nm de la bille d’or est
représenté par la courbe en trait continu.
L'effet de pointe, quant à lui, conduit
généralement à un confinement du champ
électromagnétique au niveau de l'apex de la
sonde. Ce confinement est très important
pour beaucoup d'applications en champ
proche, par exemple la détection de molécule
unique par augmentation de l'effet Raman
stimulé, la nano lithographie ou encore
l'exaltation de la génération du second
harmonique en bout de pointe.
L'interprétation physique de ce phénomène
n'est pas encore complètement éclaircie. Une
étude théorique complète est nécessaire pour
déterminer l'influence de la nature du métal,
le rayon de courbure de l'apex et le couplage
sonde objet. Certains groupes de recherche
ont réalisé des expériences d’optique non
linéaire en champ proche en utilisant l’effet
de pointe. Pour notre part, nous nous
sommes intéressés à la génération du second
harmonique (SHG : Second Harmonic
Generation). Un exemple de calcul est donné
sur la figure ci-dessous où on a obtenu une
exaltation d’un facteur 2 de la composante
axiale du champ électrique linéaire à
proximité de l’apex d’une sonde en or de
rayon 50nm (calcul FDTD en coordonnées
cylindriques et maillage non uniforme).
Pour décrire la génération du second
harmonique par des nanostructures nous
avons employé deux approches théoriques.
La première est la méthode de Rayleigh
perturbative déjà employée largement dans
notre équipe pour modéliser de façon efficace
les expériences de microscopie optique en
champ proche. Cette méthode permet de
déterminer les champs diffractés par des
structures périodiques de faible hauteur (10-
20 nm). Nous avons adapté cette méthode
pour décrire des matériaux non-
centrosymétriques dont la génération du
second harmonique est induite par des
termes dipolaires de volume en χ(2), puis
nous avons étudié des métaux, centro-
symétriques, dont la génération du second
harmonique est assurée par des termes
quadrupolaires de volume ou dipolaires de
surface. La méthode perturbative est
relativement facile à programmer et elle
fournit des résultats avec un encombrement
mémoire faible et un temps de calcul
minimum. Elle nous a permis de modéliser la
SHG par des réseaux de plots submicroniques
étudiés à l’ESCPI ou à l’IEF.
Pour des objets de plus grande hauteur,
nous avons adapté la méthode FDTD à la
génération du second harmonique. Un terme
source non linéaire et ajouté aux équations
de Maxwell est intégré au schéma de
discrétisation de la FDTD. Comme exemple
significatif d’application nous montrons un
exemple de génération du second
harmonique à l’extrémité d’une sonde STM
éclairée par un faisceau gaussien très focalisé
(figure ci-dessus à droite). L’intensité du
second harmonique émis par l’apex de la
pointe suit les variations de la puissance
quatrième de la composante longitudinale du
champ incident sans la pointe. Ce résultat,
présenté par la courbe rouge ci-dessus, est
conforme aux résultats expérimentaux du
groupe de Novotny à Rochester.
Production scientifique
2 publications dans des revues à comité de
lecture (O35, O104), 3 autres conférences,
dont : O388, O418.

FEMTO-ST / Rapport d’activité ■ 2002-2006
OP8 – Nano-émetteurs/collecteurs
pour la nano-optique (dép.
Optique, NOCP)
Résumé
Objectif du projet :
La sonde locale est par principe l’élément clé
dans l’acquisition d’images par microscopie
optique en champ proche. Elle définit à elle
seule le pouvoir résolvant du microscope et la
nature de l’information collectée. Les besoins
actuels concernant ces sondes sont
d’optimiser leurs rendements énergétiques
(mode émission ou collection), de leur
associer une fonction précise vis-à-vis du
champ émis ou collecté et de solutionner les
problèmes inhérents à leur utilisation au
voisinage d’un échantillon. Notre équipe
développe une activité croissante dans la
réalisation de nouvelles nanosondes pour la
nano-optique afin de répondre à ces besoins.
Personnes impliquées :
Thierry Grosjean (CR, 80%), Fadi Baida (PR,
10%), Brahim Guizal (MC, 10%), Daniel
Courjon (DR 50 %) Daniel Charraut (CR,
20%), Miguel Suarez (DOC, 100%), Audrey
Fahys (DOC, 50%), Yannik Poujet (DOC, 50
%)
Collaborations :
CEM2 Montpellier, Univ. Münster, Allemagne
Soutiens financiers :
ANR Blanc TERASCOPE (obtenue en 2006)
Description des travaux et
résultats obtenus
Pointe virtuelle, faisceaux de Bessel :
Ce travail consiste en l'étude théorique et la
mise en oeuvre expérimentale d'un tube
lumineux non divergent, de largeur sub-
longueur d'onde, permettant d'illuminer un
échantillon à des distances très supérieures
aux distances généralement rencontrées en
microscopie à sonde locale ou à immersion
solide. Cette pointe virtuelle peut jouer le
rôle de source lumineuse non radiative
permettant d'envisager le premier
microscope en champ proche opérant en
zone de découplage sonde/échantillon. La
solution est basée sur la mise en œuvre de
faisceaux de Bessel évanescents (faisceaux
confinés non diffractants) à partir de
faisceaux laser polarisés radialement.
Les études théoriques ont prédit que le
microscope à pointe virtuelle fournit des
résolutions d’environ un cinquième de
longueur d’onde (<100 nm) pour une
distance sonde/échantillon 25 fois supérieure
à celles des microscopes SNOM
conventionnels. Deux dispositifs originaux ont
été développés pour réaliser une pointe
virtuelle : un prototype axiconique et un
système focalisant générant des faisceaux de
Bessel plasmoniques.
Coupe longitudinale
d’une pointe virtuelle
2.7*2.7
µ
m2
Image par microscopie à
pointe virtuelle de deux
points nanométriques
distants de λ/5 (simulation)
Relief généré par une
pointe virtuelle sur une
résine photosensible
(expérience)
Emetteurs/collecteurs polarisants :
Ce travail vise à l’étude et au développement
de nanosondes polarisantes fonctionnant en
mode émission ou collection.
Une première structure consiste en une
cavité coaxiale interrompue en deux points
diamétralement opposés. Elle est supposée
être gravée à l’extrémité d’une sonde locale
métallisée. Des études théoriques par
méthode FDTD (Finite Difference Time
Domain) ont montré que l’asymétrie d’une
telle structure lui confère des propriétés
polarisantes dans le plan perpendiculaire à
l’axe de la pointe et parallèle au plan moyen
des futurs échantillons à analyser.
Le second système est une résine
photosensible autodéveloppante (PMMA-DR1)
déposée en couche mince sur un substrat
plan. Nous avons démontré

FEMTO-ST / Rapport d’activité ■ 2002-2006
expérimentalement à travers son insolation
par des faisceaux de Bessel que la
modulation de surface photo-induite est
proportionnelle au module au carré de la
composante longitudinale du champ
électrique excitateur, c’est-à-dire
perpendiculaire au plan moyen de la couche
de polymère.
Une couche de polymère PMMA-DR1 peut
donc jouer le rôle de photodétecteur à très
haute résolution du champ électrique
lumineux longitudinal au voisinage de nano-
objets.
Conclusion et perspectives
Les prolongements de ces travaux font appel
au concept nouveau de Nano-antennes : De
la première radio au plus avancé des
téléphones mobiles, les télécommunications
sans fil se sont basées sur l’utilisation
d’antennes émettant ou recevant des ondes
radios. Nous proposons ici de transposer le
concept d’antenne à l’échelle de l’optique du
visible. Dans ce cas, la réduction des échelles
impose la réalisation de structures
submicroniques baptisées nano-antennes.
Les nano-antennes ont ici pour but de jouer
le rôle de relais entre les espaces champ
proche (nano-sources et nano-collecteurs) et
champ lointain (ondes propagatives) pour
l’émission ou la collection localisée de
lumière.
Notre objectif est de trouver les géométries
de nano-antennes permettant d’optimiser
leurs rendements en émission ou collection
ou de leur attribuer une sélectivité vis-à-vis
du champ électromagnétique vectoriel
qu’elles rayonnent ou collectent (propriétés
polarisantes, sensibilité au champ électrique
ou magnétique, etc.).
Cartographie de l’intensité
du mode
p
ro
p
re de la cavité
Schéma de la cavité
coaxiale
p
olarisante
La première réalisation développée au sein de
notre équipe est une nano-antenne annulaire.
Une étude théorique et numérique par
méthode FDTD nous a permis de mettre en
évidence sa sensibilité au champ magnétique
et ses propriétés polarisantes. La fabrication
de nano-anneaux métalliques a été menée
par gravure ionique (FIB) à l’extrémité de
sondes locales fibrées. La caractérisation de
ces antennes a été réalisée en mode
collection en utilisant des faisceaux de Bessel
comme objet-tests. Cette étude a permis de
confirmer expérimentalement que la nano-
antenne annulaire peut collecter de façon
privilégiée le champ magnétique optique.
Courbe de transmission de la structure en
fonction de l’angle azimutal de polarisation d’une
onde plane incidente
(a) : simulation du module au carré de la
composante longitudinale du faisceau de Bessel
polarisé radialement illuminant la résine ; (b) :
topographie de la résine insolée ; (c) : profils des
images (a) et (b). Nano-antenne annulaire
usinée par FIB à
l’extrémité d’une fibre
taillée en pointe.
Production scientifique
5 publications dans des revues à comité de
lecture (O2, O19, O114, O115, O149), 1 acte
de congrès, 4 autres conférences, dont :
O229, O387, O414, O415.