par faisceaux de Bessel à polarisations radiale et azimutale ...

Système de caractérisation de la réponse
optique de nanocollecteurs (sondes
locales, nano-antennes) par faisceaux de
Bessel à polarisations radiale et azimutale.
T. Grosjean, I. A. Ibrahim, M. A. Suarez et D. Charraut
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Introduction
Nanophotonique : électromagnétisme optique à l’échelle submicronique
• électromagnétisme sub-THz optique
• résonnances électriques et/ou magnétiques locales , BIP, ondes de surfaces, etc.
Nano-antennes, métamatériaux « main gauche », cristaux photoniques, etc…
Caractérisation optique des structures de la nanophotonique
- Résolution sub-longueur d’onde Microscopie en champ proche
- Détection électromagnétique complète des structures (E et H)
???
Notre objectif
Développer des concepts de caractérisation électromagnétique (E et H) optique locale
Point de départ
Faisceau de Bessel + polarisation axiale (radiale ou azimutale)
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Plan de l’exposé
1. Faisceaux de Bessel polarisés radialement et azimutalement
2. Intérêt des faisceaux de Bessel polarisés radialement en SNOM
2-1. Faisceau de Bessel évanescent: pointe virtuelle
2.2. Objet-test: réponse électromagnétique de nanocollecteurs
A) Pointe SNOM
B) Résine photosensible
3. Intérêt des faisceaux de Bessel polarisés azimutalement en nano-optique
Caractérisation d’une nano-antenne sur sonde locale : « loop antenna » optique
Création et caractérisation d’une boucle de courant optique
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1) Faisceaux de Bessel polarisés radialement et azimutalement
T 0 : J. Durnin, "Exact solutions for nondiffracting beams. I. The scalar theory", JOSA A, 4: 651 (1987)
- Faisceau de Bessel = faisceau transmis par un « axicon »
- « Axicon » = lentille conique ou prisme de révolution
Cas du prisme
Sinusoïde
Prisme
01/04/2009 LASER
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1) Faisceaux de Bessel polarisés radialement et azimutalement
T 0 : J. Durnin, "Exact solutions for nondiffracting beams. I. The scalar theory", JOSA A, 4: 651 (1987)
- Faisceau de Bessel = faisceau transmis par un « axicon »
- « Axicon » = lentille conique ou prisme de révolution
Cas de l’axicon
Fonction de Bessel
Sinusoïde de révolution
Prisme de révolution
Axicon
expérience
01/04/2009
LASER
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2) Faisceaux de Bessel polarisés radialement et azimutalement
Opt. Comm. 2005 Appl. Phys. Lett. 2008
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1) Faisceaux de Bessel polarisés radialement et azimutalement
1) Champs invariants selon la direction longitudinale de propagation
2) Distributions de champ analytiques simples
Polarisation
radiale
E T ∝ J 1 (αr)
E L ∝ J 0 (αr)
H T ∝ J 1 (αr)
H L = 0
J 0
2
J 1
2
Polarisation
azimutale
E T ∝ J 1 (αr)
E L = 0
H T ∝ J 1 (αr)
H L ∝ J 0 (αr)
3) Faisceaux focalisés optimisés = faisceaux de Bessel polarisés radialement
Opt. Comm., 2007
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2) Intérêt des faisceaux de Bessel polarisés radialement en SNOM
2-1. Faisceau de Bessel évanescent: sonde virtuelle
Intérêt : Elimination des couplages sonde-échantillon, SNOM sans couplage ??
Théorie
Faisceaux de Bessel évanescents
+ polarisation radiale
100 nm
Expérience
- Systèmes axiconique
- Polariseur radial
- Caractérisation par lithographie
250 nm
Z (a.u.)
225 nm
Theoretical prediction :
FWHM = 160 nm
λ = 500 nm
2.7 µm * 2.7 µm
0 1 2
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2.2. Objet-test: réponse électromagnétique de nanocollecteurs
A) Pointe SNOM
E T ∝ J 1
E L ∝ J 0
Scan 2D
Pointe fibrée
diélectrique
« Plan objet »:
intensité
simulation
Image
expérience
Phys. Rev. E. 2003
E T ∝ J 1
4,8 µm* 4,8 µm 4,8 µm* 4,8 µm
E L non restitué dans l’image
Filtrage de polarisation
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2.2. Objet-test: réponse électromagnétique de nanocollecteurs
B) Résine photosensible
Objectif initial : mise en évidence de l’intensité totale du champ (confinement lumineux )
PMMA-DR1
- Résine auto-développante: pas de phase de développement
- Absorption dans le visible (400nm - 600 nm)
- Matrice: PMMA, colorant: DR-1 (molécule azobenzénique)
Utilisée en SNOM pour caractériser les sondes locales:
S. Davy and M. Spajer, Appl Phys Lett 69 (1996) (22), pp. 3306–3308
N. Landraud et al, Appl Phys Lett 79 (2001), pp. 4562–4564.
F. H’dhili, et al. Appl Phys Lett 79 (2001) (24), pp. 4019–4021.
- Dépôt en couche mince (épaisseur =
100 nm) sur lame de verre transparente.
- Eclairage en transmission, λ = 514 nm
- Temps d’exposition 0.5 s, P < 1 mW
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|E T | 2 (Exp.)
Polarisation radiale
|E L | 2 (Simu.)
Topographie
1µ
m
1µ
m
Polarisation circulaire
|E T | 2 (Exp.)
|E L | 2 (Simu.)
Topographie
1µ m
1µ
m
Optics. Express. 2006
Restitution de la composante longitudinale du champ
électrique (E L ) perpendiculaire à la surface de la résine
E L
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3) Intérêt des faisceaux de Bessel polarisés radialement en nano-optique
Nano-optique/nanophotonique :
Cristaux photoniques, tamis à photons, métamatériaux « main-gauche », nano-antennes …
[ E. Chow et
al., Opt. Lett.
26, 286 (2001) ]
P. Schuck et al,
Phys. Rev. Lett.,
94:17402, 2005
Caractérisation optique des structures de la nanophotonique
- Résolution sub-longueur d’onde Microscopie en champ proche
- Détection électromagnétique complète des structures (E et H)
|E| 2 |H| 2
Comment se positionne le SNOM par rapport à
cette problématique ??
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3) Intérêt des faisceaux de Bessel polarisés radialement en nano-optique
azimutalement
Quelques exemples :
Nano-antennes sur sondes SNOM fibrées
J.N. Farahani & al. Phys. Rev. Lett. 95-2005
T.Kalkbrenner & al. Phys.Rev.Lett. 95-2005
Taminiau & al. NanoLetters 7-2006
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3) Intérêt des faisceaux de Bessel polarisés radialement en nano-optique
azimutalement
Une première réalisation
Nano-antenne annulaire
« Loop antenna » optique
Caractérisation par
faisceau de Bessel
polarisé azimutalement
polychromatique
λ= 573 nm λ= 603 nm
MIMENTO
Collection
λ= 620 nm λ= 648 nm
sélective de H L
J. Microsc., 2008
|E tot | 2 , |H T | 2 |H tot | 2
|H L | 2
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