Couplage des photons émis par des nanocristaux semiconducteurs cœur-bâtonnet dans une nanofibre étirée

Couplage des photons émis par des nanocristaux semiconducteurs cœur-bâtonnet dans une nanofibre étirée

17 juin 2014

Résumé

Durant mon stage dans l’équipe d’Alberto Bramati au Laboratoire Kastler Brossel (LKB) à Jussieu, mon travail a consisté à préparer un nouveau banc expérimental permettant l’obser- vation et la caractérisation de nanofibres couvertes de sources de photons uniques que sont les nanocristaux semiconducteurs CdSe/CdS de type cœur-bâtonnet. La fabrication de ces nanofi- bres a également fait partie intégrante de mon travail. Elles sont produites à partir de fibres commerciales que l’on chauffe et que l’on étire, réduisant ainsi le diamètre du cœur à une taille nanométrique. Contrairement à une fibre classique de type cœur-gaine, on obtient ici un guide d’onde permettant de coupler la lumière à l’interface silice/air. La lumière est guidée de manière efficace et présente un fort champ évanescent.

Les nanocristaux de semiconducteurs utilisés au LKB produisent de manière efficace des photons uniques. Ces photons uniques sont générés lorsqu’on les excite avec une lumière d’énergie adéquate. Ainsi, les photons émis par des nanocristaux placés à la surface de la zone la plus fine de la fibre sont guidés vers un connecteur reliant la fibre étirée à une fibre standard.

On peut donc imaginer des applications intéressantes de tels systèmes : systèmes compacts sources de photons uniques guidés par fibre, information quantique ou encore cryptographie quantique. C’est dans cette perspective et au sein du projet CASQUAD - CAvity System for QUAntum Dot - que s’inscrit mon stage.

Rapport de stage

Couplage des photons émis par des nanocristaux semiconducteurs

cœur-bâtonnet dans une nanofibre étirée

Auteur :

Jean-Michel Villain

Responsable : Pr. Alberto Bramati

Université de Technologie de Troyes

LKB Équipe Optique Quantique

Février - Juillet 2014

Remerciements

Tout d’abord je tiens à remercier l’ensemble des membres du laboratoire pour leur accueil chaleureux, qui a fait de ce stage un moment riche et agréable. Mais aussi et plus particulière- ment :

Alberto Bramati, Christophe Couteau,

Quentin Glorieux, Elisabeth Giacobino, Anne-Laure Baudrion,

de m’avoir accueilli et suivi, de près ou de loin pendant toute la durée de mon stage.

Mathieu Manceau, Thomas Boulier,

Salma Aziam, Baptiste Gouraud, Nicolas Sangouard, Clément Jacquard,

Wei Geng, Francesco Arzani, Panayotis Akridas-Morel,

Hanna Le Jeannic, Dominik Maxein,

de m’avoir tout expliqué - même si je n’ai pas tout compris, pour leur sympathie, mais aussi pour leurs conseils, corrections, bières et pâtisseries.

Jean-Michel Isac et l’équipe de la mécanique, Brigitte Delamour,

Jean-Pierre Okpisz, Mohammed Boujrad,

Monique Granon,

pour leur professionalisme, rapidité et pour la qualité de leur travail.

Marcel Villain, Véronique Villain, Le Staff Technique,

et Alice Turner,

pour leur courage, patience, amitié, bonne humeur et amour.

Table des matières

1 Introduction 1

1.1 Présentation du Laboratoire . . . 1

1.2 Thématiques de recherche . . . 2

1.3 Organisation . . . 2

1.3.1 L’équipe Optique quantique dans les milieux semiconducteurs . . . 3

1.3.2 L’expérience . . . 3

2 Stage 4 2.1 Sujet . . . 4

2.2 Rôle . . . 4

2.3 Contexte au laboratoire . . . 4

2.3.1 Les nanocristaux . . . 4

2.3.2 La fibre étirée . . . 7

2.4 Description des méthodes et objectifs . . . 9

2.4.1 Le montage . . . 9

2.4.2 Les choix technologiques . . . 9

2.4.3 Le couplage évanescent . . . 11

2.4.4 Temps de vie . . . 11

2.4.5 La fonction d’autocorrélation . . . 12

2.4.6 Planning prévisionnel . . . 13

2.5 Activités et Expériences . . . 14

2.5.1 Tirage de fibre . . . 14

2.5.2 Module d’observation de nanofibres pour microscope confocal . . . 17

2.5.3 Conception d’un microscope confocal . . . 18

2.5.4 Dépôt des nanocristaux et étude de la dilution . . . 18

2.5.5 Tests sur demi-fibre . . . 19

2.5.6 Observation du couplage de la luminescence . . . 20

2.5.7 Étude de l’influence de l’angle d’incidence du laser sur le couplage . . . . 21

2.5.8 Excitation de nanocristaux par couplage évanescent d’un laser dans la fibre 22 2.6 Discussion des résultats par rapport à l’objectif visé et planning réel . . . 22

2.6.1 Filtrage polarisant en excitation et en collection . . . 22

2.6.2 Photons uniques ? . . . 23

3 Conclusion 24 3.1 État des lieux . . . 24

3.2 Perspectives . . . 24

3.3 Bilan . . . 24

Bibliographie 25

Annexes 27

Chapitre 1

Introduction

Dans ce chapitre nous présenterons le Laboratoire Kastler Brossel, environnement de mon stage, à travers les grandes étapes de sa création, de son développement, jusqu’à son fonction- nement et son organisation actuelle.

1.1 Présentation du Laboratoire

Fondation

Alfred Kastler et Jean Brossel fondent en 1951 le “Laboratoire de spectroscopie hertzienne de l’ENS”, sur le thème de l’interaction entre la lumière et la matière. En 1967 un second site ouvre sur le campus de Jussieu, et c’est seulement en 1994 que le laboratoire change de nom pour devenir le « Laboratoire Kastler Brossel », ou LKB, en hommage à ses deux fondateurs dont les travaux sur le pompage optique font partie de la culture du laboratoire et sont à l’origine, sous différentes formes, d’une grande partie des recherches menées aujourd’hui au LKB.

Développement

Le développement du laboratoire est marqué à trois reprises par l’obtention du Prix Nobel : Alfred Kastler (1966), Claude Cohen-Tannoudji (1997), Serge Haroche (2012). Ces distinctions lui procurent une renommée mondiale et contribuent largement à son développement. D’autre part, des recherches fondamentales ont également débouché directement sur des applications permettant la création de start-up, comme par exemple la société CAILabs, qui propose des convertisseurs de lumière sans pertes.

Aujourd’hui

En 2014 le laboratoire compte sur les trois sites (Jussieu, Lhomond et Collège de France) environ cent-soixante personnes à plein temps, incluant les permanents, les doctorants et post- doctorants, les ingénieurs et techniciens ainsi que les stagiaires. Plusieurs services techniques sont également présents en support des recherches effectuées ici : soufflage du verre, service élec- tronique, mécanique ou encore informatique. Le Laboratoire Kastler Brossel (LKB) est un des acteurs majeurs de la physique fondamentale des systèmes quantiques dans le monde. Multidis- ciplinaire, le laboratoire conduit des recherches qui couvrent un vaste domaine d’activités, de la physique fondamentale jusqu’aux applications à la biologie et à la médecine. Toutes ces activités sont fortement reliées à la maîtrise par le laboratoire de l’interaction matière-rayonnement au niveau quantique.

1

1.2. Thématiques de recherche 2

1.2 Thématiques de recherche

Les recherches s’articulent autour de cinq axes : Atomes froids

Le développement spectaculaire des techniques de manipulation et de refroidissement d’atomes par des champs électromagnétiques (pour lesquelles Claude Cohen-Tannoudji du LKB a partagé le Prix Nobel en 1997) a conduit à l’émergence d’un nouveau domaine : l’étude des gaz quan- tiques. Le laboratoire développe également la technologie des puces à atomes avec la perspective de progrès en physique fondamentale et d’applications potentielles utilisant ces technologies.

Atomes dans des milieux denses ou complexes

Les atomes et le rayonnement constituent une sonde efficace de la matière dense. Les chercheurs du LKB les utilisent par exemple pour vérifier l’existence de l’état supersolide de l’hélium ou pour étudier des fluides hyperpolarisés.

Interface Physique-Biologie-Médecine

En étroite collaboration avec des laboratoires de biologie et des services de médecine, le LKB développe de nouvelles méthodes de détection et d’imagerie (imagerie optique et par résonance magnétique) en les appliquant à l’étude de processus biologiques.

Tests des théories fondamentales

Le laboratoire a aussi une activité importante dans le domaine de la mesure des constantes fondamentales et de tests des théories physiques fondamentales (électrodynamique quantique, gravitation, interaction forte). Il détient des records de précision dans la mesure de certaines constantes fondamentales. Le LKB est aussi leader dans la mission PHARAO/ACES1 qui enverra dans l’espace une horloge à atomes froids d’une précision inégalée pour tester les prédictions d’Einstein concernant le décalage gravitationnel des fréquences.

Information et optique quantique

Le LKB s’intéresse à différents aspects liés aux concepts fondamentaux de la mécanique quan- tique et aux conséquences des fluctuations quantiques, étudiant l’intrication et la décohérence, la génération d’états non classiques et leurs applications. L’équipe Optique quantique s’intéresse à la génération d’états quantiques du rayonnement, à l’étude des limites de sensibilité dans les mesures optiques et à l’étude des propriétés quantiques des systèmes optiques ayant de très nom- breux degrés de liberté, spatiaux ou temporels (optique quantique multimode). La manipulation des fluctuations quantiques de la lumière, en générant des corrélations quantiques et des états intriqués, permet de réaliser des mémoires pour stocker l’information quantique. Le groupe s’in- téresse également à des sujets qui font l’interface avec la physique de la matière condensée, tels que les gaz quantiques de polaritons dans les micro-cavités semiconductrices, et la production de photons uniques ou intriqués avec des nano-cristaux semiconducteurs. C’est dans le cadre de cet axe de recherche que j’effectue mon stage.

1.3 Organisation

Le thème général de recherche du groupe est l’étude des propriétés spécifiquement quantiques de la lumière produite par différents dispositifs optiques.

Le champ émergent de l’information quantique nécessite en particulier des ressources spéci- fiques pour la mise en œuvre de ses protocoles. L’équipe se consacre à la réalisation de dispositifs tels que des sources de lumière quantique, des répéteurs ou des registres à mémoires quantiques, qui représentent des enjeux majeurs pour les futurs systèmes. C’est un sujet très compétitif sur

1.3. Organisation 3

le plan international, dans lequel le groupe d’optique quantique a développé des propositions originales.

Le groupe poursuit également son étude des effets quantiques dans les systèmes optiques ayant de très nombreux degrés de liberté et qui sont susceptibles de transporter une grande quantité d’informations, comme les images optiques, qui se décomposent sur un grand nombre de modes transverses, et plus récemment les peignes de fréquences optiques qui se décomposent sur de très nombreux modes fréquentiels. Le groupe a été ainsi amené à approfondir le vaste domaine de l’optique quantique multimode à la fois sur le plan théorique et expérimental, à en éclaircir les concepts, et à les appliquer à l’amélioration des mesures optiques de très grande sensibilité et au traitement quantique de l’information.

Ainsi, l’équipe Optique Quantique est grande , elle compte une quarantaine de personnes et se décompose en trois sous-équipes :

– Optique Quantique Paramétrique (Claude Fabre, Julien Laurat, Nicolas Treps), – Mémoires quantiques (Elisabeth Giacobino, Julien Laurat),

– Optique quantique dans les milieux semiconducteurs (Alberto Bramati, Quentin Glorieux, Elisabeth Giacobino).

1.3.1 L’équipe Optique quantique dans les milieux semiconducteurs

L’équipe est composée de trois membres permanents (Alberto Bramati, Quentin Glorieux et Elisabeth Giacobino), deux doctorants (Mathieu Manceau et Thomas Boulier) ainsi que plusieurs stagiaires, dont le nombre a évolué durant la période de mon stage. Au début seul stagiaire, j’ai vite été rejoint par Salma Aziam. Puis Nicolas Sangouard est arrivé, suivi de Niccolò Borgi- oli, Timothé Ramboazanaka et Junwen Zou. Mai a vu le retour d’Artur Trifonov et l’arrivée de Maëlle Kapfer pour compter au plus haut douze membres. Trois thématiques de recherche sont en cours : Nanocristaux semiconducteurs, Microcavités semiconductrices, sources TeraHertz.

Mathieu Manceau fait sa thèse sur les nanocristaux semiconducteurs, Salma Aziam et moi même travaillons sur les nanocristaux couplés à des nanofibres.

1.3.2 L’expérience

Concevoir une source pouvant distribuer des photons uniques est un enjeu majeur dans le défi du traitement de l’information. En effet, face aux limites posées par la miniaturisation des sys- tèmes de calculs tels que les microprocesseurs (les effets électromagnétiques néfastes perturbent la transmission des signaux par exemple), les systèmes de calcul optique sont pressentis pour pousser plus loin vitesse et débit. Cet état de faits ouvre donc la porte à un phénomène de rupture technologique dont la recherche en matière d’information quantique se veut le porte-étendard, et la communication quantique, avec la cryptographie quantique, son principe de codage, sa plus belle promesse. Le photon devient alors un porteur d’information, au même titre qu’un bit ; il est nécessaire que le photon soit isolé pour pouvoir transporter sans altération son information et ce à température ambiante. Les nanocristaux de semiconducteurs CdSe/CdS que j’utilise se présentent comme des sources de photons uniques prometteuses.

Parallèlement, la fibre optique est désormais un support efficace pour le transport de l’infor- mation, comme le montre l’attribution du Prix Nobel 2009 à Charles K. Kao pour ses travaux importants en la matière. Les pertes sont désormais faibles - citons le record de Sumitomo à 0,1484 dB/km à 1570 nm (2004), mais retenons une valeur typique de 0,25 dB/km à 800 nm - et la vitesse de transmission élevée. Ainsi, on peut imaginer une source de photons uniques délivrant ses photons à intervalles contrôlés via une fibre optique, le tout à température ambiante.

Chapitre 2

Stage

2.1 Sujet

L’intitulé initialement inscrit sur ma convention de stage était “Optique quantique dans les semiconducteurs”. S’il est vrai que les nanocristaux de CdSe/CdS entrent précisément dans la catégorie des semiconducteurs, les fibres optiques monomodes, elles, n’y entrent pas et furent pourtant, comme nous le verrons, au cœur de toutes les expériences que j’ai pu mener. Il serait donc plus juste de préciser le sujet comme étant “Couplage des photons émis par des nanocristaux semiconducteurs cœur-bâtonnet dans une nanofibre étirée”.

Nous disposons déjà au laboratoire de source de photons uniques efficaces. Le but de l’expéri- ence est d’avoir d’une source de photons uniques efficace guidée dans une fibre optique, le tout à température ambiante. Pour cela, nous déposons à la surface d’une fibre étirée et préalablement dénudée quelques nanocristaux de CdSe/CdS. Ces nanocristaux permettent, lorsqu’on les excite grâce à un laser pulsé dans le proche ultraviolet (404 nm), de produire des photons uniques à 650 nm (dans le rouge). Ce point sera détaillé dans le paragraphe2.3.1.

2.2 Rôle

En tant que stagiaire dans un laboratoire de recherche, j’ai en fait suivi la démarche classique de Documentation-Expériences-Mesures-Analyse. Il faut noter que nous étions deux stagiaires sur l’expérience (Salma Aziam est arrivée un mois après moi), et il a fallu organiser la répartition du travail, ainsi qu’une forte interaction pour avancer sans soucis dans nos travaux. Mon rôle à ce poste fut de mener à bien l’implémentation du nouveau banc expérimental. Pour cela, Alberto comme Quentin m’ont laissé un champ d’action des plus larges ouvrant sur de nombreux ques- tionnements féconds en matière de compréhension des problèmatiques journalières et favorisant ma prise d’initiatives.

2.3 Contexte au laboratoire

Cette expérience est nouvelle et correspond à l’association de deux thématiques déjà existantes au Laboratoire Kastler Brossel : l’étude des nanocristaux d’une part, et l’utilisation de fibres étirées pour le couplage d’autre part. Ces deux sujets font ici l’objet d’une mise en contexte à travers un état des lieux des connaissances et des travaux effectués sur le sujet.

2.3.1 Les nanocristaux

Au cœur de plusieurs thèses réalisées au laboratoire, les nanocristaux de semi-conducteurs sont la pièce maîtresse de mon stage. Leurs propriétés permettent en effet de faire d’eux des sources de photons uniques lorsque l’excitation est satisfaisante. Au fil de cette dernière décen- nie des progrès importants ont été réalisés en matière de synthèse contrôlée de nano-structures

4

2.3. Contexte au laboratoire 5

cristallines. Inférieures à la centaine de nanomètres, ces structures voient leurs propriétés op- tiques et électroniques dominées par les effets du confinement quantique, effets détaillés dans les propriétés générales.

Structure

Les nano-bâtonnets, ouDots-in-Rod en anglais (littéralement “Points-dans-Bâtonnets”), sont des nanocristaux de semiconducteurs II-VI obtenus par synthèse chimique, via une méthode proposée par Carbone et al. [?] dite de croissance “ensemencée”. Le bâtonnet de CdS (sulfure de sadmium) contient un cœur sphérique de CdSe (séléniure de cadmium), placé non pas au centre de la structure mais déporté sur un côté. La méthode de croissance ensemencée permet de créer un rapport d’aspect (longueur/diamètre de la coquille) de 10 pour 1. Les nanocristaux fabriqués avec cette méthode présentent l’avantage, entre autres, d’avoir une probabilité moins importante de former des agrégats, ouclusters, que leurs premières versions sphériques [?]. Le problème desclusters est qu’il est alors impossible d’exciter un seul nanocristal, et donc de bien contrôler l’unicité des photons émis. Ce sont des amas plus ou moins importants de nanocristaux qui sont excités et émettent à la place ; il devient impossible d’observer les effets escomptés. Nous verrons dans le paragraphe2.3.1que le contrôle de leur fabrication est important car leur rapport d’aspect influe directement sur leurs propriétés optiques.

d t

l

CdSe CdS

30 - 70 nm

3 nm 7 nm

Figure 2.1 – Schéma d’unDot-in-Rod avec ses paramètres géométriques.

dest le diamètre du coeur,l la longueur du nano-bâtonnet et tson épaisseur. Y figure aussi les valeurs typiques correspondantes

Propriétés générales

Les propriétés optiques de ces nanocristaux sont dues à la répartition spatiale des porteurs de charges que sont les électrons et les trous. L’écart entre les bandes interdites est de 1,68 eV pour le CdSe et de 2,46 eV pour le CdS. En raison de l’alignement des bandes, les bandes de valence des deux matériaux sont décalées de 0,78 eV, ce qui induit un fort confinement pour les trous dans le CdSe [?]. En revanche, le décalage entre les bandes de conduction est plus faible et n’est pas clairement défini dans la littérature, il y est compris entre [−0,3; 0,3 eV], ce qui n’implique pas de confinement important des électrons. En fait le confinement électronique dépend du diamètre du cœur ; on peut pour cela se réferer à [?].

Le processus d’émission des photons uniques est initié par la recombinaison d’une paire électron-trou et régulé par effet Auger. Une paire électron-trou, en se recombinant, va céder

2.3. Contexte au laboratoire 6

une certaine quantité d’énergie de recombinaison qui sera transférée à une autre paire électron- trou. Ce processus nommé relaxation non-radiative par effet Auger se répetera ainsi de proche en proche jusqu’à la dernière paire électron-trou qui n’aura plus de paire à qui transmettre son énergie de recombinaison et qui la libérera donc sous la forme d’un photon. On peut dire que si l’effet Auger est efficace, les photons devraient bien être émis un par un. Dans le cas contraire, les paires électron-trou se recombineront individuellement et émettront chacune des photons. Un effet Auger efficace conditionne donc la qualité de ces sources de photons uniques.

-a a0

CdSe CdS

-a a0

CdSe CdS

r r

E E

a) b)

2,46 eV 1,68 eV

[-0,3;0,3 eV]

2,46 eV 1,68 eV

[-0,3;0,3 eV]

0

>2,8nm 0

<2,8nm

Figure 2.2 – Schéma des fonctions d’ondes des trous (ligne continue) et des électrons (ligne pointillée) dans des nanocristaux de type alpha et béta.

a) Dans un nanocristal de type I, les deux porteurs de charges sont confinés.

b) Dans le nanocristal de type II, le confinement des électrons n’est pas réduit au cœur de CdSe, réduisant l’efficacité de l’effet Auger, et donc la probabilité d’unicité des photons émis.

Cet effet est facilité par un fort confinement des charges. Si les trous et les électrons sont fortement confinés, leur recombinaison sera probable et l’effet Auger limitant les multi-émissions de photons sera efficace, on dit que c’est un nanocristal de type I. En revanche, si les électrons ne sont pas soumis à un confinement suffisant, ceux-ci sont délocalisés dans la coquille de CdSe. Trop éloigné les unes des autres pour que l’effet Auger soit suffisamment efficace, les paires électron- trou auront tendance à émettre chacunes des photons. On dit alors que c’est un nanocristal de type II. Sittet al. [?] suggèrent dès 2009 que la différenciation des nanocristaux en types I ou II dépend fortement de la structure des nanocristaux. Ils relèvent que les cœurs d’un diamètre supérieur à 2,8 nm ont une interaction entre excitons attractive, en raison de la localisation des deux porteurs de charges, et sont donc de type I. À l’inverse, les cœurs d’un diamètre inférieur à 2,8 nm ont une interaction entre excitons répulsive et sont de type II. En conséquence, les propriétés optiques de ce type d’hétérostructures sont fortement dépendantes de leurs caractéris- tiques géométriques. La coquille joue elle aussi un rôle important, elle protège le cœur. Par sa taille plus importante que ce dernier, elle tient éloignées les charges extérieures qui réduiraient le rendement quantique. La forme de bâtonnet est elle aussi un avantage : d’une part elle facilite un positionnement ordonné en comparaison à une structure sphérique, d’autre part l’anisotropie

2.3. Contexte au laboratoire 7

autorise une polarisation de l’émission [?][?]. Nous disposons de plusieurs sortes de nanocristaux, dont les paramètres et propriétés sont variées et référencées dans le tableau2.1issu de [?].

n échantillon diamètre du cœur épaisseur du bâtonnet longueur du bâtonnet

DRT 42 2,9 nm 4 nm 22 nm

DRT 46 2,9 nm 4 nm 72 nm

DRT 22 2,7 nm 7 nm 22 nm

DRT 20 2,7 nm 7 nm 35 nm

DRT 23 2,7 nm 7 nm 35 nm

DRT 26 2,7 nm 7 nm 58 nm

DRT 21 4,2 nm 7,5 nm 42 nm

Table 2.1 – Récapitulatif des nanocristaux étudiés au laboratoire.

Généralités

Pour exciter le nanocristal, il faut une lumière suffisamment énergétique, qui se situe dans le bleu à 404 nm. L’absorbtion a lieu dans la coquille. Le photon émis par recombinaison dans le cœur du nanocristal est lui nécessairement moins énergétique, il se situe dans le rouge à environ 630 nm, selon les échantillons. Une étude détaillée de la dynamique d’émission de ces nanocristaux a été menée par Godefroy Leménager et Mathieu Manceau au cours de leurs thèses respectives [?] [?]. Cette différence de longueur d’onde entre lumière d’excitation et photons émis nous permet de filtrer la lumière d’excitation lors de la collection. La lumière d’excitation, si elle n’est pas filtrée, augmente le niveau de bruit, ce qui, d’une manière générale, fausserait les mesures. De plus, comme les photons d’excitation ne possèdent pas de propriété d’unicité, leur présence rendrait caduque la recherche de photons uniques parmis le flot de non-uniques. Les nanocristaux peuvent fonctionner pendant une assez longue période. En revanche, une excitation intense peut les détruire : on parle de photo-blanchiment, c’est à dire qu’ils émettent de moins en moins [?]. Cela est du à la création de nouveaux pièges de charges sur la surface ou dans le cristal (photo-oxydation). Pratiquement, les nanocristaux sont en solution colloïdale dans du chloroforme. Ils sont au besoin dilués dans du toluène, protocole que l’on détaillera en2.5.4.

2.3.2 La fibre étirée

L’idée de produire des fibres optiques de diamètre très fin est liée à l’essort de la fibre op- tique, très utilisée dans les télécommunications et les laboratoires de recherche. L’amélioration des procédés de fabrication de ces fibres - déclenchée en 2003 par les travaux de Limin Tonget al.

publiés en 2003 - a permis d’obtenir des fibres optiques de quelques centaines de nanomètres avec une transmission proche de 100 % [?]. Au laboratoire notre groupe se sert déjà des fibres étirées pour fabriquer des pièges dipolaires à atomes froids [?]. Ces fibres ont un diamètre d’envi- ron 500 nm en leur partie la plus fine et nous nous servirons du montage et du protocole existants pour réaliser nos nanofibres [?].

Une fibre optique commerciale est constituée de trois couches concentriques [?] : le cœur, la gaine et le revêtement de protection.

Le coeur (oucore) :

Généralement en silice, bien que quartz et plastique soient également possibles, le cœur est le constituant à travers lequel se propage la lumière. Très pure, cette silice peut être dopée afin de modifier son indice de réfraction dans un souci de performance.

La gaine optique (oucladding) :

Elle est constituée des mêmes matériaux que le cœur qu’elle entoure, à savoir de silice. Cependant c’est une silice de moindre qualité car elle n’est pas destinée à voir de la lumière se propager en son sein. Ses propriétés optiques sont malgré cela exploitées car elle doit, grace à un indice

2.3. Contexte au laboratoire 8

125125380 20050 -10010

a)

b)

c)

x

x

x I

I I

Figure 2.3 – Structures, modes de propagation et modes de sortie comparées des trois types de fibres évoquées.

a) Dans une fibre multimode à saut d’indice, le cœur admet un nombre important de mode en son sein. Ceux-ci se réfléchissent à l’interface cœur-gaine, ce qui engendre des pertes.

b) Dans une fibre multimode à gradient d’indice, les différents faisceaux sont ramenés graduellement vers le centre grâce à une variation progressive de l’indice de réfraction du cœur.

c) La fibre monomode n’accepte qu’un seul mode de propagation.

Figure 2.4 – Indice de réfraction en fonction du diamètre de la fibre.Dans le cas présent, nous sommes en présence d’une fibre monomode étirée ne présentant aucune couche entre le cœur d’indicen1et l’air d’indice n2

de réfraction plus faible que celui du coeur, empécher la lumière de quitter ce dernier. Toujours dans un souci de performance, cette silice peut elle aussi être dopée afin de réduire un peu plus son indice de réfraction.

Le revêtement de protection (oubuffer) :

Cette couche n’intervient pas dans la transmission de la lumière et sert à assurer la protection et la flexibilité de la fibre pour en faciliter sa manipulation.

Sur la figure 2.3sont représentées les trois catégories de fibre : les fibres “à saut d’indice”, les fibres “à gradient d’indice” qui sont toutes les deux des fibres dites multimodes, et les fibres monomodes.

2.4. Description des méthodes et objectifs 9

Structure

La frontière entre monomode et multimode est définie par le facteur V, donné dans [?] comme étant :

V = 2π· a λ0

·p

(n1)²−(n2)² (2.1)

oùλ₀est la longueur d’onde dans le vide de l’onde considérée,aest le rayon du cœur,n₁l’indice du cœur et n2 celui du milieu suivant (air, ou gaine si la fibre n’est pas étirée). Ces dernières valeurs sont représentées sur le graphique2.4. Une fibre est dite monomode si et seulement si le facteur V est inférieur à 2,405.

0< V 62,405 (2.2)

Dans nos expériences nous n’utiliserons que des fibres monomodes car leurs propriétés, nous le verrons dans2.5.1, nous permettent de contrôler le diamètre lors du tirage.

2.4 Description des méthodes et objectifs

2.4.1 Le montage

Comme le montage était inexistant au début de mon stage, la première étape a été de préciser les propriétés que nous en attendions.

Lors de la conception, nous avons cherché à obtenir les fonctionnalités suivantes : - observer le dépôt des nanocristaux sur une nanofibre,

- exciter sélectivement une très petite zone de cette nanofibre grâce à un laser, - visualiser les photons émis,

- collecter les photons émis, - contrôler leur unicité.

Pour y parvenir, nous avons conçu un montage qui se rapproche du microscope utilisé par M.Manceau, c’est à dire confocal, avec une caméra nous permettant de visualiser la nanofi- bre et les nanocristaux positionnés à sa surface. Nous l’avons pensé, contrairement aux micro- scopes confocaux standards, à l’horizontal, ce qui doit rendre possible l’observation du dépôt des nanocristaux via un pico-dispenseur qui sera lui positionné à la verticale au dessus de la fibre, sans risque d’entâcher l’objectif avec des particules émettrices. Le pico-dispenseur est une micro-burette asservie qui permet le dépôt de gouttes au volume picométrique calibré de solution diluée. Face à des contraintes d’agenda, son intégration aura lieu lorsque les protocoles de tirage et de mise en place de l’échantillon sur le banc auront atteint une répétabilité suffisante. Une fois les premiers croquis réalisés et discutés, une liste du matériel nécessaire a été dressée et commandée.

Le montage d’une telle expérience ne s’est pas faite en une fois, mais s’est étalée sur plusieurs mois. Des phases de montage-démontages se succèdent au rythme des problèmes rencontrés, des contraintes mécaniques, et des changements de directions. Par exemple, en remettant à plus tard l’intégration du pico-dispenseur, nous avons supprimé une composante surélevée du montage ; en optant pour une LED UV, nous avons abandonné l’idée initiale d’éclairage par un laser défocalisé.

2.4.2 Les choix technologiques

Les choix effectués pour la sélection et l’achat du matériel ont été guidés par l’expérience déjà acquise par les membres du laboratoire, une recherche bibliographique sur les expériences similaires, [?] et [?] principalement, et des expériences préliminaires.

Pour débuter efficacement et rapidement les mesures, il fut choisi de se procurer, pour détecter l’émission lumineuse des nanocristaux, une photodiode femtoWatt Thorlabs au silicium avec un coupleur à fibre optique. Directement reliée à l’oscilloscope, cette diode a en outre permis d’éviter de fastidieux travaux d’alignement quotidien. Ce choix s’est avéré très pratique et efficace dans les travaux de couplages où le comptage précis des photons n’étais pas à l’ordre du jour. En

2.4. Description des méthodes et objectifs 10

Eclairage UV Photodiode

LASER

CCD

PBS

x

y z

Platine piezomètrique PBS

Objectif Lentille Miroir plan

Miroir dichroïque Passe-haut Miroir dichroïque Passe-bas

Collimateur

Connecteur de fibre Embout de fibre nue

Figure 2.5 – Schéma du banc d’observation de couplage de l’émission de nano- cristaux dans une nanofibre.Les deux ensembles séparateur de faisceau et lame demi- onde (PBS +λ/2) sont amovible, et ont été utilisés pour tester l’influence de la polarisa- tion. Cette version ne comporte pas encore de montage HBT pour controler l’unicité des photons émis par un nanocristal solitaire

effet, cette diode permet de détecter de très petites intensités lumineuses (de l’ordre de quelques dizaines ou centaines de photons) mais pas de compter les photons ou de tracer des fonctions d’autocorrélationsg⁽²⁾.

Pour l’éclairage large de l’échantillon, nous nous sommes procurés une diode Thorlabs émet- tant à 420 nm et ayant une durée de vie de 10000 h. Cet achat a été motivé par la nécessité et par le facteur encombrement réduit de l’objet, important sur ce montage ainsi que par sa facilité d’utilisation.

L’investissement le plus important dans ce montage fut sans doute la platine piezoélectrique destinée à déplacer l’échantillon. Il faut en effet pouvoir déplacer suffisamment l’échantillon pour accéder à la zone qui nous intéresse, pour cela on parle en millimètres, mais il faut aussi pouvoir déplacer d’une manière très fine la nanofibre pour positionner le laser sur le nanocristal choisi, action pour laquelle un support piezomètrique s’impose. Nous avons pour cela utilisé une platine NanoMax Thorlabs conjuguant les déplacements millimètriques, micromètriques et nanomètriques. Concernant les optiques, nous avons opté pour des miroirs dichroïques conjugués avec des filtres haute qualité permettant un filtrage efficace des longueurs d’ondes non désirées du signal. Enfin, l’ensemble du matériel optomécanique à été intégrer à un système de cages, afin de gagner en stabilité et d’en faciliter l’alignement.

Pour la partie analyse du signal, le plus simple pour nous fut d’utiliser l’ancien matériel utilisé par G.Leménager et M.Manceau : Photodiode à avalanche sensible aux photons uniques Perkin Elmer, carte d’acquisition TimeHarp couplée à un routeur PRT 400 de PicoQuant. Le tout traité sur TimeHarp200 nous permettra de compter les photons, vérifier l’unicité de l’émission ou encore de mesurer des temps de vie en modifiant le montage de détection. Au moment d’écrire ce rapport, nous avons tester le fonctionnement de cet ensemble de détection, mais n’en avons pas eu la nécessité.

2.4. Description des méthodes et objectifs 11

2.4.3 Le couplage évanescent

Le principe de base du couplage évanescent est l’onde évanescente. C’est une onde plane dont l’amplitude diminue exponentiellement avec la distance à la fibre. Cette onde est générée par le passage d’une onde dans la fibre. . Ainsi, un nanocristal - en rouge - positionné à la surface de la fibre sera situé dans le champ évanescent en bordure de la fibre. Il se trouvera excité par l’onde de passant à l’intérieur de la fibre.

Dans notre cas ce n’est pas de la lumière extérieure que l’on souhaite faire passer dans la fibre, ce serait même plutôt un problème que nous avons eu à traiter2.5.3; mais les photons émis par les nanocristaux. Heureusement les deux fréquences (lumière d’excitation, photons émis) sont différentes, ce qui permet un traitement simple.

n

n

n

ncore

n

E(x) E(x)

y y

a) b)

NCs

Figure 2.6 – Champ évanescent dans le cas de la fibre usuelle et dans celui de la fibre étirée.a) Dans le cas de la fibre usuelle, le champ évanescent - en ondulé - se perd dans le cladding, ce qui ne permet pas un couplage avec le milieu extérieur. C’est ce qui est en revanche responsable de pertes. b) Dans le cas de la fibre étirée, le champ évanescent se propage dans l’espace libre autour de la fibre.

La réciproque de ce phénomène est également vraie : un photon émis par un nanocristal générera sera lui aussi couplé à la nanofibre et pourra passer à l’intérieur [?]. C’est ce principe (couplage évanescent) qui sera mis à profit dans les expériences où aucune lumière n’est envoyée dans la fibre par un connecteur, mais que les nanocristaux sont excités en espace libre par la diode UV ou le laser.

2.4.4 Temps de vie

Il a été montré que lors d’une impulsion laser créant des paires électron-trou, le photon n’est pas émis à une durée précise après le pulse, mais répond à une loi probabiliste appelée temps de vie, dont la figure2.7issue de [?] est une représentation. Cette mesure résulte de la compétition entre deux processus de désexcitation : l’effet Auger, non radiatif, et l’émission de photon, radiatif.

Les mesures 2.7 et 2.9 ont été réalisées sur des échantillons composés de nanocristaux déposés sur des plaques en verre, et non pas sur fibre.

Le laser utilisé est un laser pulsé dont on choisit la fréquence de répétition, car la dynamique d’émission du nanocristal prend un certain temps, et il ne faut pas exciter de nouveau alors que celui-ci n’a pas fini d’émettre. Cette dynamique d’émission suis une loi de décroissance exponentielle. Le temps de vie moyen des excitons est d’en moyenne 60 ns. Ainsi pour être sur que la majorité des photons devant être émis le soit avant le prochain pulse, nous laissons une durée minimale de 3τ, ce qui correspond à environ 200 ns (ou 5 MHz). Le laser que nous utilisons (PDL 800-B de PicoQuant) nous permet d’utiliser deux fréquences de répétition : 2,5 et 5 MHz.

2.4. Description des méthodes et objectifs 12

Normalized PL counts (a.u)

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1

time (ns)

0 20 40 60 80 100

2

Figure 2.7 – Temps de vie d’un nanocristal de type NC23.

Mesure de la répartition probabiliste d’émission des photons après un pulse laser.

2.4.5 La fonction d’autocorrélation

La technique utilisée afin de vérifier qu’un nanocristal émet bien des photons uniques est l’étude de la fonction d’autocorrélation du second ordre du signal émis à délai nul, notég⁽²⁾(0).

Une source de photons uniques peut se caractériser simplement par le dégroupement de photons que l’on peut observer. En effet les photons n’arrivent pas groupés mais uns à uns, de façon ordonnée Cependant il n’existe pas de détecteurs capables de compter parfaitement les photons.

Par exemple, les photodiodes sont “aveugles” pendant un court laps de temps suivant la détection d’un photon. Il est impossible de détecter deux photons successifs si ceux-ci se suivent de trop près, et donc également impossible d’affirmer que deux photons ne se suivent pas si le second arrive durant ce “temps noir” : les photodiodes ne verront qu’un unique évènement. Il en va de même si deux photons arrivent en même temps : la photodiode émettra le même signal que pour un unique photon. Il convient donc d’opter pour un montage dit d’Hanbury-Brown et Twiss - ou montage HBT - car proposé par eux dès 1954 [?].

APD2

Corrélateur lectronique Beam Splitter

Source de photons uniques

APD1 Lame séparatrice de faisceau 50/50

Figure 2.8 – Montage Hambury-Brown et Twiss.

Le faisceau de photons uniques est séparé en deux faisceaux sur le Beam Splitter. À l’arrivée d’un photon sur une photodiode à avalanche (notée APD), celle ci envoie un pulse électronique. C’est l’histogramme des délais entre ces signaux que bâtie le corrélateur électronique.

Le flux de photon à analyser est séparé en deux par une lame séparatrice puis envoyé sur deux détecteurs. Lorsqu’un premier photon est détecté sur une photodiode à avalanche - ou APD, celui-ci déclenche une horloge qui est stoppée par la détection d’un autre photon sur l’autre APD.

On enregistre donc des temps relatifs d’arrivée des photons.En répétant cette opération un grand nombre de fois on peut construire un histogramme des coïncidences en fonction du délai. On dit qu’on étudie cette fonction à délai nul car si un nanocristal émet bien des photons uniques, on ne doit jamais noter l’arrivée simultanée de deux photons sur les deux APD. En d’autres termes,

2.4. Description des méthodes et objectifs 13

on ne doit pas relever de coïncidence de photons à délai nul, ce qui est par exemple visible sur la figure 2.9 issue de [?]. L’abscence de pic à 0 ns témoigne bien ici du caractère unique des photons émis par ce nanocristal. On observe cependant un pic résiduel. Cela est du au fait que le nanocristal émet parfois deux photons simultanément car l’effet Auger n’est pas efficace à 100 %

Coincidences

0 50 100 150 200

τ (ns)

−2,000 −1,000 0 1,000

Figure 2.9 – Fonction d’autocorrélation du second ordre du flux de photons émis par un nanocristal de type NC22.

Mesure des dcoïncidences des photons sur les deux photodiodes en fonction du temps.

L’intervalle entre les pics correspond à la période de pulsation du laser.

2.4.6 Planning prévisionnel

Mon planning s’est bâti au fur et à mesure de l’avancement du projet, et de l’évolution de mes compétences. Par exemple, ma première tâche expérimentale fut de caractériser une série de miroirs dichroïques aux références inconnues. Ainsi, au delà du fait de caractériser ces miroirs, ce qui fut utile car je les ai par la suite beaucoup utilisés, c’était surtout l’occasion pour moi de m’habituer au matériel optomécanique, d’apprendre à l’utiliser, en somme de me familiariser avec ce qui allait être mon environnement de travail durant six mois. Par exemple, coupler un laser dans une fibre est une tâche fastidieuse pour un novice ; et recoupler régulièrement permet de découvrir et d’acquérir une méthode, ce qui procure un gain de temps considérable, et de mieux comprendre les fonctionnements optiques et mécaniques des composants.

Je me suis ensuite penché sur la conception d’un module d’observation des fibres à adapter sur le microscope de Mathieu Manceau. En effet, le facteur limitant l’avancement au début fut l’achat du matériel nécessaire au lancement d’une manipulation indépendante. La manipulation étant toute nouvelle, se procurer le matériel nécessaire a demandé un peu de réflexion. Ce fut également une période de recherche bibliographique. L’objectif final de mon stage est de pouvoir exciter un nanocristal, de coupler son signal dans notre guide d’onde, et de s’assurer que les photons sont bien uniques. En somme, mesurer ung⁽²⁾serait la dernière étape. Des étapes intermédiaires sont donc nécessaires, nous pourrions les résumer ainsi : montage et calibrage du microscope, protocole d’étirage de la fibre et de dépôt de nanocristaux uniques, mesures en polarisation, mesure du temps de vie avec l’APD et enfin l’unicité des photons par mesure dug⁽²⁾.

2.5. Activités et Expériences 14

2.5 Activités et Expériences

2.5.1 Tirage de fibre

Principe

Afin d’obtenir le diamètre nécessaire à l’exploitation de la fibre pour une activité de couplage avec les nanocristaux, il faut procéder à la réduction de son diamètre . Pour ce faire, nous positionnons une fibre Thorlabs SM800-5.8-125 (diamètre du cœur : 5,8µm, diamètre de la gaine de silice : 125µm), monomode, sur un support dont chaque coté est fixé sur une platine indépendante déplacée à une vitesse de 300µm/s par un moteur de précision. Un logiciel de contrôle permet d’actionner et de controler les déplacements des platines, et ainsi de contrôler la tension linéaire sur la fibre au fur et à mesure du processus. Parallèlement, celle-ci est chauffée au milieu par une flammme d’Oxygène-Hydrogène dont le débit est connu et constant[?]. Dans notre cas, nous le choisissons à 272 mL/min. Ce gaz permet de limiter le dépôt de particules brûlées.

Une fois le processus terminé, nous fixons la fibre sur son support définitif, le “porte-échantillon”, et le positionnons sur la platine piezomètrique.

Figure 2.10 – Vue de l’expérience de tirage.

Protocole

Dans un premier temps, nous dénudons en deux endroits sur quelques centimètres la fibre de sa gaine protectrice d’acrylate pour ne laisser que le cœur et sa gaine de silice : au bout, avant les connecteurs, et au milieu, dans la zone à étirer. Nous procédons à un nettoyage soigneux de ces zones à l’isopropanol pour éliminer au maximum les impuretés. On met les connecteurs et on les relie directement à une photodiode. Un laser à 650 nm est couplé à lla fibre à l’autre bout, de cette manière nous surveillons la transmission ; elle devrait idéalement rester aux alentours

2.5. Activités et Expériences 15

de 100 %. Dans les faits, une fibre étirée dont la transmission à perdu moins de 20 % de sa valeur initiale est un bon résultat.

Nous rêglons les différents paramètres de l’étirage à travers un programme Matlab rédigé par le groupe Mémoire Quantique, qui ont développé la méthode de tirage au laboratoire : durée, distance de la flamme à la fibre, intervalle de temps avant le départ des platines. Après de nombreux essais, la distance retenue entre la buse de la flamme et la fibre est de 5 mm, un intervalle avant départ des platines de 20 s et une durée de 315 s. Afin de surveiller au mieux le déroulement de l’étirage, et de savoir à quel moment interrompre le processus, il faut aussi surveiller le diamètre dans la zone étirée de la fibre. On peut déceler grace au programme la présence d’un ou plusieurs modes optiques présents dans cette zone. C’est un bon outil de diagnostic du diamètre maximum, qu’on peut déduire des relations 2.1 et 2.2. Si la fibre est multimode, on observe des battements, qui n’apparaissent plus une fois redevenue monomode.

Le diamètre de la fibre est ainsi amené à environ 500 nm. Une fois la flamme éteinte, on tend la fibre en déplaçant par des pas de 0,02µm les platines via l’interface XPS de Newport. En moyenne nous effectuons un déplacement de 0,20µm. Cette tension doit limiter les mouvements de la partie étirée de la fibre.

Lorsque les conditions sont remplies, nous pouvons stopper le processus, couper la flamme et reculer la buse de la flamme afin d’approcher le porte-échantillon. Comme nous avons sélectionné les cales à glisser en dessous, celui-ci glisse juste en dessous de la fibre sans l’effleurer. Après de multiples tentatives infructueuses en utilisant desclamps, fermoirs aimantés doublés de plastique tendre, qui se sont malgré tout avérés trop violents lors de leur fermeture, nous avons optés pour une colle polymèrisable aux UVs (Norland Optical Adhesive 61). Celle-ci présente l’avantage de se répendre en douceur autour de la fibre et de la préserver ainsi de la rupture qui a lieu lorsqu’on essaye de la capturer avec desclamps. On la polymérise grâce à un pistolet à UV.

Une fois fait, on peut libérer la fibre de son montage de tirage, et la placer délicatement dans la boite doublée de mousse qui servira à son transport sans encombre jusqu’en salle de manipulation ou de chimie, situées toutes deux un étage plus haut.

Ce protocole relativement aisé à prendre en main présente cependant l’inconvénient d’avoir une répétabilité restreinte. Un grand nombre de facteurs (tels que la tension appliquée manuelle- ment lors du positionnement, la qualité du nettoyage) entrent en ligne de compte pour faire de cette opération un succès. Chaque fibre est en quelque sorte unique, c’est pourquoi nous les référençons une fois en salle de manipulation. Il semble cependant que la tension linéaire ap- pliquée manuellement lors du positionnement au début du processus doit être maximale pour que le résultat soit satisfaisant.

Interface de contrôle du processus de tirage

Le logiciel qui contrôle le tirage a été réalisé au laboratoire. Les positions initiales des platines, leurs vitesses de déplacement, la durée du processus sont calculés en fonction du profil désiré de la zone étirée. En étirant lentement (320 secondes en moyenne) et sur une zone importante on obtient une zone de couplage, donc une zone suffisamment fine, plutôt longue, typiquement de l’ordre du centimètre.

Dans la fenêtre on visualise trois mesures :

En 1, la représentation temps-fréquence du signal de transmission obtenu par la méthode STFT (Short Time Fourier Transformer). Cette méthode consiste échantillonner en temps le signal de transmission et d’en faire la transformée de Fourier. Notre mode de départ possède sa fréquence dans le vide. Dans la fibre, chaque mode à sa longueur d’onde propre, qui est fonction d’un indice effectif et qui varie en fonction du diamètre du cœur. Ainsi, lorsque la fibre est multimode, ces modes interagissent entre eux. Ce sont les interférences, constructives ou destructives, que l’on enregistre. Cela nous renseigne sur la nature de la fibre : Lorsque la courbe est minimale, c’est qu’il n’y a pas d’interférence, cela signifie que la fibre est monomode. Une augmentation du signal traduit des interactions entre modes, c’est que notre fibre est devenue multimode. On voit bien ici qu’elle est monomode au départ, qu’elle passe par une période multimode pour redevenir monomode. Cela peut se comprendre avec les équations2.1et2.2. Au début la lumière est bien guidée dans le cœur. Le diamètre du cœur rétrécissant, il devient trop

2.5. Activités et Expériences 16

1

2 3

4 5

6

Figure 2.11 – Capture d’écran de l’interface de contrôle du processus de tirage.

fin pour conduire la lumière et la lumière se trouve alors guidée dans le cladding. La réflection totale se fait alors à l’interfacecladding-air. À ce moment la lumière dispose d’un guide d’onde au diamètre plus large : elle est multimode. Puis, en continuant le tirage, même lecladding devient suffisamment fin pour devenir un guide d’onde monomode. Ce phénomène est illustré par la figure2.12.

En 2, la transmission sur la totalité du protocole : La fibre ici produite conserve une assez bonne transmission ( 88,8 % ) et est donc utilisable. Parfois cette valeur chute, et une fibre ayant une trop mauvaise transmission n’est pas utilisée pour expérimenter.

En 3, la transmission en temps réel : Cette valeur sert avant de lancer le processus, pour savoir si la connectorisation à bien été effectuée, et également à la fin, pendant le collage, pour vérifier qu’elle n’ait pas cédé.

Puis, plus bas, on rentre la durée totale du protocole (4), qu’on choisit grande quitte à l’interrompre en temps voulu ; la hauteur de la buse(5), qui est référencée par rapport à la table optique ; et le laps de temps avant le démarrage du mouvement des platines (6), qu’on laisse généralement à 22 secondes. On trouvera plus de précision sur le matériel utilisé et la théorie du processus dans [?].

2.5. Activités et Expériences 17

50 100 150 200 250 300 500

450 400 350 300 250 200 150 100 50 0

125 10 0,5

Temps (s)

Fr éq ue nc e ( H z)

Figure 2.12 – Évolution du diamètre au fur et à mesure de l’avancée du tirage et du caractère monomode/multimode de la fibre.

2.5.2 Module d’observation de nanofibres pour microscope confocal

L’observation de nos échantillons a premièrement eu lieu sur le microscope régulièrement des- tiné à l’observation des nanocristaux sur support de type lamelle de microscope. Nos échantillons reposant sur un support surélevé par rapport au possibilités du microscope, il à fallu concevoir un module rendant leur observation possible. L’assemblage orthogonal de trois platines selon les 3 axes à permis le réglage grossier selon x, y et z, tout en assurant une stabilité et une mobilité de l’échantillon. Le réglage fin se fait grâce au système piezomètrique inclus dans le microscope.

Ce système permet l’observation sans encombre de plusieurs échantillons. L’excitation des nano- cristaux et la collecte de photon était grandement facilitée par un microscope déjà monté, stable et ayant fait ses preuves. Le problème était que le grand nombre de pièces qui constituait le mod- ule accroissait considérablement les vibrations et dérèglements mécaniques, et que son utilisation impliquait de démonter partiellement le microscope et d’alterner son utlisation entre M.Manceau et moi. Cette méthode fut donc utilisée sur une période d’environ un mois, avant la réception des pièces pour la construction d’un microscope complet et indépendant.

Une photographie de ce module est proposée en2.13. Deux des trois platines de translation (en surbrillance bleue) sont visibles . Elles permettaient de déplacer l’échantillon dans les trois directions, mais ce réglage était micrométrique au maximum. L’échantillon était placé sur les supports métalliques inférieurs (en surbrillance rouge), et maintenu par les aimants cylindriques (en surbrillance verte). Le module est sur la boite permettant son transport fiable entre les salles de manipulation, boite qui sert toujours aujourd’hui à cela. Ce module à permis de faire les premières observations de photons émis par des nanocristaux déposés sur des fibres optiques.

2.5. Activités et Expériences 18

20 m

a)

Figure 2.13 – a) Photographie du module.

b) Image prise avec le module sur le microscope confocal vertical.Sur b) nous voyons une fibre non étirée avec des nanocristaux visibles à sa surface. Les cotés de la fibre sont flous car la mise au point ne se fait que sur un plan qui est au niveau des nanocristaux.

2.5.3 Conception d’un microscope confocal

Dès la réception des pièces à débutée la conception d’un microscope confocal horizontal. Il portait la résolution à moins de 2,19µm grâce à un objectif ×60, comme on peut le voir sur la figure 2.14 b, et permettait théoriquement d’étudier et d’observer convenablement le cou- plage. L’adaptation du module en porte-échantillon règlable a vite été remplacée par une platine piezomètrique nanoMax limitant grandement le nombre de pièce intermédiaire entre la table optique et la nanofibre, ce qui a permis de réduire sensiblement les vibrations lors des rêglages : elles sont désormais presques inexistants. Mais le plus gênant des facteurs dans l’observation des nanofibres sont les mouvements d’air. Comme même le fait de parler à proximité de la fibre induit des mouvements incompatibles avec les prises de mesures prolongées, nous avons conçue une boite en plexiglass adaptée à notre montage. Par sa transparence elle permet de voir l’échan- tillon, et ainsi de contrôler les règlages à effectuer, et remplie bien sa fonction d’isolation. Cette boite n’est arrivée que très récemment, elle a été testée, mais n’a pas encore servie dans une expérience. C’est pourquoi dans la suite du rapport le problème des courants d’air est encore présent. En annexe 3.1 une photographie récente du montage, avec la boite en plexiglass pour protéger l’échantillon.

2.5.4 Dépôt des nanocristaux et étude de la dilution

La synthèse se fait dans du chloroforme. Mais la conservation des nanocristaux à lieu dans du toluène car ce solvant est moins toxique. Nous les conservons ici dans de petites fioles à 5˚C environ. Ils sont alors suffisamment concentrés (10⁻⁷mol/litre) pour éviter de s’agglomérer. La couche extérieure des nanocristaux est hydrophobe. Lorsqu’ils sont dilués, cette couche part en solution. Si il sont suffisamment concentrés, un équilibre chimique se met en place et il y’a en moyenne autant de radicaux hydrophobes qui quittent la surface qu’il n’en arrivent, les préservant ainsi des agrégats. En revanche, lorsque ces mêmes nanocristaux se trouvent trop dilués en solution, ces radicaux restent en solution au lieu de se fixer à la surface d’autres nanocristaux, ce qui facilite la formation d’agrégats, ou declusters. En conséquence, lorsque l’on procède à une série de dilutions, il faut agir vite.

Pour diluer les nanocristaux, nous utilisons du toluène (C7H8). Nous travaillons sous hotte en raison des effets toxiques de ce solvant. Nous commençons par remplir de 100µl chacun des tubes à essais jetables placés dans une plaque perforée. Puis, à l’aide d’une seconde pipette jaugée, nous prélevons 10µl de solution de nanocristaux que nous introduisons dans le premier tube à essais pour former une solution A. Après agitation de cette solution, nous en prélevons 10µl que nous introduisons dans le tube suivant pour former la solution B. La concentration de chacunes de ces solutions successives diminue d’un facteur dix. Ainsi, par itérations successives nous obtenons

2.5. Activités et Expériences 19

2,19 m

a) b)

Figure 2.14 – Mire USAF et détail a) Mire normalisée USAF de type 1951.

b) Image prise avec le microscope confocal horizontal de l’élément 6 de la septième série. Ces bâtonnets mesurent 2,19µm de large. Parvenir à les imager porte la résolu- tion à 2,19µm.

des concentrations de plus en plus faibles.

20 m 20 m

a) b)

Figure 2.15 – Nanocristaux déposés à la surface d’une fibre optique non-étirée.

Images prises avec le module d’observation pour microscope confocal.

a) 10⁻¹⁴mol/litre b) 10⁻⁸mol/litre

2.5.5 Tests sur demi-fibre

Lorsque l’on procède au tirage des fibres décrit en 2.5.1, il n’est pas rare que la fibre cède sous la tension exercée. L’idée fut d’utiliser malgré tout ces demis-fibres pour faire des tests de couplages préliminaires. En effet, déposer des nanocristaux à l’extrêmité de cette demi-fibre permet en théorie de collecter convenablement les photons émis. De plus, il a été montré dans [?]

que 38 % des photons émis par un émetteur placé à l’extrêmité (plutôt que sur le coté) d’une nanofibre à base de silice sont directement couplés dans la fibre optique monomode. Nous avons créé un support aimantable. La demi-fibre est collée à une plaque de verre très fine, sauf son extrêmité qui flotte dans l’air (à gauche sur la figure2.16) ; l’ensemble est maintenu sur le support grâce à de petits aimants. La conception des échantillons était relativement simple et à permis de tester rapidement beaucoup d’échantillons. Le problème persistant était que l’extrêmité de la nanofibre était très sensible aux fluctuations de l’air ambiant, ce qui empêchait une observation correcte. Décision fut prise de ne laisser qu’une partie minimale dépasser - environ 1 mm - pour

2.5. Activités et Expériences 20

réduire ces mouvements. Contrairement à la fibre entière qui peut être tendue, la demi-fibre plus sensible à ces mouvements. En effet l’extrémité étirée de la fibre, qui ne mesure qu’environ 500 nm de diamètre, possède une masse faible, et n’est tenue que du côté collé, l’autre ne tenant que par sa rigidité. Le dépôt des nanocristaux constituait lui aussi un problème car il avait tendance à plaquer la nanofibre contre la plaque, et rendait donc difficile voire vaine toute mesure. De plus, en plaçant la plaque en verre dans la zone de couplage, nous perdions une quantité bien trop importante de photons émis par les nanocristaux. C’est ce problème qui est visible à droite sur la figure2.16. Nous avons donc rebasculé sur les échantillons constitués de fibres entières.

Colle UV

pertes

pertes

a) b)

spot laser

Figure 2.16 – Schéma d’une demi-fibre et photographie d’une portion de fibre étirée avec des nanocristaux à un bout.a) Une demi-fibre est collée sur une plaque de verre. Celle ci est maintenue sur le support métallique grâce à des aimants. La plaque en verre se situe dans la zone ou le couplage évanescent à lieu, des photons sont donc redirigés dans la plaque et perdus. Ce phénomène est visible sur la photographie, en b).

En b) des nanocristaux s nt excités d’un coté par le champ évanescent de la lumière guidée depuis l’autre côté.

2.5.6 Observation du couplage de la luminescence

En mai nous avons tenté avec succès d’observer la photoluminescence de nanocristaux DRT74 déposés sur une nanofibre entière via une excitation en espace libre. Pour cette expérience, nous avons choisi une concentration des nanocristaux élevée, 10⁻⁸mol/litre, c’est-à-dire la solution brute diluée une fois.

−0.25 −0.2 −0.15 −0.1 −0.050 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 1

2 3 4 5 6 7

Temps (u.a.)

PhotoLuminescence (u.a.)

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000

−250

−200

−150

−100

−50 0 50 100 150

Photo Luminescence (u.a.)

a) b)

Temps (u.a.)

Figure 2.17 – Courbes de l’intensité couplée dans la fibre en fonction du temps.

a) Avec la diode UV. b) Avec le laser.

La zone bleue de chaque courbe de la figure 2.17correspond à la période ou l’éclairage est actif.

a) Avec la diode UV nous obtenons un couplage régulier dans le temps. Cela peut s’expliquer

2.5. Activités et Expériences 21

par la large taille du spot de cette diode. Ainsi, même si elle se déplace légèrement, l’ensemble des nanocristaux reste bien excité.

b) Avec le laser nous visualisons des fluctuations dans le couplage que nous n’observions pas avec la diode UV. Cela peut s’expliquer par les déplacements parasites de la fibre, dont la surface excitée varie à cause des courants d’air.

Ces premiers résultats de couplage sont encourageants. Cependant, nous voyons que pour pouvoir exciter un nanocristal unique avec un laser, un système pour éliminer les mouvements d’air s’avère indispensable.

2.5.7 Étude de l’influence de l’angle d’incidence du laser sur le cou- plage

Nous avons pour projet d’exciter à résonnance nos échantillons. Nous exciterons dans ce cas à la même fréquence que celle des photons émis. De plus, même lorsque l’on excite hors résonnance une partie de la lumière d’excitation se trouve guidée dans la fibre puis collectée sur la photodiode. Il convient donc de connaitre quelle part cela représente. Nous avons ici monté le porte-échantillon sur un support rotatif afin d’étudier l’influence de l’angle d’incidence du laser sur le couplage de la lumière. Le laser est positionné pour viser la fibre au niveau du centre de rotation du support afin que, dans son mouvement, ce soit le même point qui soit visé. Pour cela il a fallu préalablement fixer la fibre de manière à ce que ce soit la zone la plus fine qui soit positionnée au dessus du centre de rotation du support (2.18). Cette expérience s’est faite en dehors de notre microscope confocal, sur un support rotatif motorisé et gradué construit pour l’occasion. Encore une fois, les mouvements de la nanofibre se sont avérés préjudiciables. Cette expérience n’étant pas prioritaire, nous la continuerons en temps venu.

He - Ne P

h D

0

Figure 2.18 – Montage permettant de tester l’influence de l’angle d’incidence sur le couplage.

2.6. Discussion des résultats par rapport à l’objectif visé et planning réel 22

2.5.8 Excitation de nanocristaux par couplage évanescent d’un laser dans la fibre

Lorsque nous souhaitons observer une fibre sur le microscope, il faut parvenir à la trouver.

Pour cela on déplace l’échantillon grâce à la platine nanoMax jusqu’à la trouver à l’écran. Pour faciliter cette recherche, on envoie le laser à 650 nm directement dans la fibre. Une fois repérée, on injecte alors le laser à 404 nm pour localiser la zone où l’on a déposé des nanocristaux. En effet ceux-ci émettent, excités par le champ évanescent du laser à 404 nm qui traverse la fibre de bout en bout. Ainsi, une partie des photons émis par les nanocristaux sont émis dans l’espace libre, c’est ce qui nous permet de les voir à travers le microscope, et une partie est guidée dans la fibre. Une expérience que nous allons réaliser consiste à mesurer l’intensité couplée de cette manière, en fonction de la dilution et de la longueur utile de couplage sur la nanofibre. Les filtres placés à la sortie de la fibre éliminent la lumière d’excitation. Pour l’instant les premiers tests se sont avérés efficaces au niveau du couplage. Le niveau de bruit détecté est par contre élevé et nuit à la détection du signal. Une fluorescence intrinsèque de la fibre a été avancée.

2.6 Discussion des résultats par rapport à l’objectif visé et planning réel

Les manipulations ont commencé bien après le début du stage. Aussi, sur le planning prévi- sionnel certaines mesures comme celles de temps de vie ou de g⁽²⁾ n’ont pour l’heure pas eu encore eu lieu. Il en va de même pour l’analyse d’une potentielle polarisation préférentielle.

2.6.1 Filtrage polarisant en excitation et en collection

Cette expérience consiste à observer une éventuelle organisation des nanocristaux à la sur- face de la nanofibre. Il est possible que les nanocristaux aient tendance à se placer de manière longitudinale, soit alignés dans la direction de la nanofibre. Le rapport longueur du bâtonnet (typiquement 25 nm) avec le rayon d’une nanofibre (environ 250 nm), est d’un dixième, un or- dre pourrait se mettre en place. Nous avons choisi une concentration assez faible de l’ordre de 10⁻⁸mol/litre pour éviter un phénomène de chevauchement. Le nanocristal de gauche sur la figure2.19est représenté dans la position de l’ordre potentiel.

Figure 2.19 – Organisation possible des nanocristaux à la surface de la fibre.

(Schéma ne respectant pas l’échelle)

2.6. Discussion des résultats par rapport à l’objectif visé et planning réel 23

Les ensembles polarisateursPolarized Beam Splitter (PBS) et lame demi-onde sont installés.

La boite en plexiglass adaptée à notre montage est arrivée et remplit bien sa fonction. Nous voulons donc passer à la réalisation prochaine de cette expérience.

2.6.2 Photons uniques ?

Déposer un seul nanocristal est une tâche ardue car ils ont tendance à s’agglomérer lorsque la dilution devient importante. Mais une fois un échantillon fonctionnel réalisé, celui-ci peut être conservé pendant quelques jours grâce à la boîte en plexiglass qui le protège. Le couplage de la photoluminescence a fonctionné dans le cas d’un éclairage puissant et large avec une concentration en nanocristaux importante. De plus l’expérience voisine de Mathieu Manceau qui utilise les mêmes nanocristaux mesure sans encombre des g⁽²⁾, signature de photons uniques. La boîte en plexiglass rend immobile la nanofibre lorsque celle-ci est bien tendue, ce qui est nécessaire, car mesurer leg⁽²⁾ nécessite plusieurs secondes d’immobilisation du spot laser sur un cristal unique.

Nous sommes donc confiants en ce qui concerne la détection de photons uniques couplés dans la nanofibre. Il serait bon de connaître quelle part de la lumière d’excitation parviendra néanmoins à franchir les filtres et miroirs dichroïques successifs qui la filtrent.