structures sub-longueur d’onde
1.4 Exemples d’applications
1.4.1 Optique des plasmons de surface
Dans des structures discr`etes, on peut chercher `a moduler spatialement l’intensit´e du champ de surface par des interf´erences constructives de chaque source sub-longueur d’onde. C’est ce qu’ont r´ealis´e L. Yin et ses collaborateurs [93] en organisant dix-neuf trous de 200 nm de diam`etre en arc de cercle de 5 µm de rayon dans une couche d’or. Chaque trou produit un champ de surface, et ces plasmons polaritons de surface interf`erent constructivement pour former un champ intense au centre de courbure de l’arc de cercle. Ce champ peut ensuite ˆetre coupl´e `a un guide d’onde grav´e dans le plan du m´etal.
Les travaux de l’´equipe J.-C. Weeber [94] montrent quant `a eux qu’il est possible de r´ealiser des r´eflecteurs pour les plasmons polaritons de surface : des sillons espac´es p´eriodiquement permettent de r´efl´echir un plasmon polariton de surface incident `a 45˚par rapport `a leur grande dimension. L’att´enuation spatiale rapide (quelques dizaines de µm) des modes de surface limite toute fois fortement la longueur des chemins optiques que l’ont peut cr´eer `a partir d’une source unique.
1.4.2 Exaltation de la fluorescence
Une application int´eressante des propri´et´es optiques des r´eseaux d’ouverture sub-longueur d’onde provient de la modification des propri´et´es d’´emission d’un dipˆole plac´e `a l’int´erieur de ces structures, du fait de l’interaction avec les parois m´etalliques. Ces effets ont ´et´e ´etudi´es par E. Todorov [95]. Une application exp´erimentale est rapport´ee dans l’article de H. Rigneault et
al. [96] : le taux de fluorescence de mol´ecules organiques plac´ees dans des fentes sub-longueur
d’onde est augment´e par rapport `a sa valeur dans l’espace libre. En effet, la dur´ee de vie des ´etats excit´e est r´eduite, et l’intensit´e de saturation est donc augment´ee. Le taux de fluorescence dans le champ intense `a l’int´erieur des fentes est donc augment´e par rapport au taux de fluorescence dans l’espace libre avec la mˆeme illumination.
1.5. Conclusion 117
1.5 Conclusion
Dans ce chapitre, nous avons montr´e les diff´erentes approches permettant de d´ecrire les processus de transmission de la lumi`ere par des ouvertures sub-longueur d’onde. Le r´egime sub-longueur d’onde ne permet pas de traitement analytique direct du probl`eme de diffraction, toutes les approximations usuelles ´etant invalid´ees. Cependant, des mod`eles simples permettent de saisir la nature des m´ecanismes en jeu. On peut retenir certains traits communs `a ces mod`eles : les champs `a l’int´erieur des trous sont d´ecrits en termes modaux h´erit´es de la th´eorie des guides d’ondes et le champ de surface est assimil´e `a un plasmon polariton de surface, ou `a une onde ´evanescente composite diffract´ee. Dans le cas d’un r´eseau, les champs de surface et les modes dans les ouvertures sont regroup´es dans la base des ondes de Bloch. Les caract´eristiques spectrales d’un ´el´ement r´esultent de l’accord de mode `a une longueur d’onde donn´ee du champ et des modes propres de l’´el´ement, fix´es par sa g´eom´etrie. Quand un tel accord a lieu, une partie du champ ´evanescent pr´esent `a la surface du m´etal peut ˆetre re-transmis dans l’espace libre, donnant lieu `a des taux de transmission sup´erieurs `a la fraction ouverte de l’´el´ement. La difficult´e r´eside dans la description des m´ecanismes de passage (couplage) d’une base `a l’autre, et de la mani`ere dont ces bases sont affect´ees par ce couplage (au sens de l’analogie avec la th´eorie de Fano).
Appliqu´e `a des motifs discrets, cette reconversion efficace du champ proche en champ propa-gatif permet de moduler spatialement le champ lointain. Les figures obtenues sont bien d´ecrites par des consid´erations d’optique diffractive, mais l’optimisation des effets dans le champ proche
reste tributaire du calcul num´erique. `A des distances microscopiques de la surface, la
distribu-tion d’intensit´e peut pr´esenter des maxima et minima locaux, qui pourraient potentiellement ˆetre employ´es comme pi`eges ou guides dipolaires pour des atomes froids dans des exp´eriences de puces atomiques.
Mais pour une r´ealisation exp´erimentale de ce type de pi`ege, plusieurs questions restent pos´ees :
– Quels sont les taux de transmission quantitatifs typiques de cette famille d’´el´ements op-tiques, dans des unit´es utiles pour les exp´erimentateurs – c’est `a dire dans les conditions de r´ealisation d’un pi`ege dipolaire pour des atomes de c´esium, avec un laser de quelques centaines de milliwatts, etc. ?
– Quelle est la reproductibilit´e de ces taux de transmission d’un ´echantillon `a l’autre, ou en d’autre termes la fiabilit´e des proc´ed´es de fabrication de ces structures ?
– De mani`ere g´en´erale, quelle est la sensibilit´e des propri´et´es d´ecrites ci-dessus aux condi-tions exp´erimentales ?
C’est pour r´epondre `a ces questions que nous avons engag´e une collaboration avec l’´equipe de T. W. Ebbesen et H. Lezec, avec comme premier objectif de caract´eriser les structures de la famille des ouvertures d´ecor´ees et d’acqu´erir une connaissance pratique de leur comportement.