Esta tesis describe el diseño, la fabricación y la caracterización óptica de sistemas plasmónicos resonantes capaces de confinar y aumentar campos de luz en la escala manométrica. En primer lugar, se utilizaron modelos numéricos 3D para diseñar diferentes geometras de nanoestructuras plasmónicas acopladas, a través del cálculo de la respuesta óptica de su campo lejano y cercano. Sobre la base de estas simulaciones se fabricaron las nanoestructuras por litografía de haz electrónico. Se puso especial énfasis en el aumento de la resolución y la optimización de la reproducibilidad de parámetros críticos como la forma de las partículas y el gap entre ellas. Por último, se empleó espectroscopía de campo lejano combinada con espectroscopía de luminiscencia inducida por dos fotones (TPL) para sondar la respuesta óptica local de las geometrías optimizadas. Hemos centrado nuestra atención en diferentes tipos de estructuras metálicas: dímeros, antenas con gap, conjuntos finitos de partículas en cadenas y en forma de estrella. Los dímeros tienen una fuerte amplificación del campo en su gap nanométrico por el acoplamiento en campo cercano de sus resonancias plasmonicas dipolares. Análogamente, antenas con gap, formadas por dos barras de oro adyacentes que soportan resonancias multipolares, pueden acoplar de manera eficiente la luz y concentrarla en volúmenes pequeños. Se ha demostrado que cadenas finitas de partículas son buenos candidatos para guiar la luz a través de secciones transversales por debajo de la longitud de onda y aquí demostramos que también se pueden utilizar como nanolentes capaces de concentrar la luz en su extremo. La distribución del campo cercano en conjuntos de partículas de oro en forma de estrella presenta una fuerte dependencia con la polarización del campo incidente que puede ser explotada para dirigirse dinámicamente a nano-objetos. La espectroscopía de campo lejano de conjuntos de dímeros y de cadenas finitas de partculas se comparó con la espectroscopía de TPL. Nuestro principal resultado es mostrar que la TPL es preferentemente sensible a los campos locales, permitiendo evaluar características espectrosc ópicas que no podrían resolverse de otro modo. A fin de superar las limitaciones de las medidas de conjuntos, en una segunda etapa se dedicó un considerable esfuerzo a construir y optimizar un montaje óptico para medir la señal de TPL de estructuras únicas. El uso de la micro-espectroscopía de TPL permitió obtener mapas espectrales de los modos de antenas aisladas con resolución espacial. Como se predijo mediante cálculos, hemos sido capaces de visualizar directamente, en la resonancia, la señal de TPL amplificada dentro del gap. Nuestros resultados muestran cómo las medidas de TPL pueden compararse directamente con la distribución de la cuarta potencia del campo local calculado. Mediante el análisis de la evolución de la señal de TPL en función de la longitud de onda incidente en el gap y en las extremidades de la antena tenemos más conocimiento sobre el mecanismo físico detrás de la resonancia de la antena. Finalmente, la microscopía de TPL se utilizó para sondar el campo cercano para diferentes orientaciones de la polarización lineal incidente sobre los conjuntos de partículas en forma de estrella. Se demuestra que, a diferencia del espectro de dispersión, la distribución de TPL en la estructura depende drásticamente del estado de polarización incidente. Nuestro estudio aporta una contribución significativa al campo de la óptica de plasmones, proponiendo nuevas geometrías para confinar de manera eficiente los campos ópticos a la escala nanometrica, aportando un profundo conocimiento sobre el uso de micro-espectroscopa de TPL como sonda óptica local. Nuestros resultados tendrán importancia en aplicaciones tales como espectroscopía mejorada, biosensores y la interacción luz-materia, donde se necesita evaluar el campo experimentado por una pequeña cantidad de materia cercana a la nanoestructura. / This thesis describes the design, fabrication and the optical characterization of plasmon-resonant systems able to confine and enhance light fields down to the sub-wavelength scale. Extensive 3D numerical modeling was first used to design different geometries of coupled plasmonic nanostructures through the calculation of their far-field and near-field optical response. On the basis of simulations, the nanostructures were fabricated by e-beam lithography and thin film deposition. Special efforts were devoted to increasing the resolution and optimizing the reproducibility of critical parameters such as particle shape and interparticle gaps. Finally, far-field spectroscopy combined with two-photon induced luminescence (TPL) spectroscopy was used to probe the local optical response of the optimized architectures. We focused our attention on different families of structures: metal dimers, bar antennas, finite chains of nanoparticles and star-like particle arrangements. Particle dimers feature strong field enhancements in their sub-wavelength gap due to near-field coupling of their dipolar localized plasmon resonances. Based on the same physics, gap antennas, formed by two adjacent gold bars supporting multipolar resonances can efficiently couple to propagating light and concentrate it into tiny volumes. While finite particle chains were previously shown by other authors to be good candidates to guide light through subwavelength cross-sections, we show here that they can also be used as efficient nanolenses able to concentrate light at their extremity. Finally, the near-field distribution in star-like arrangements of gold nanoparticles exhibits a strong dependence with the incident field polarization which can be exploited for dynamical optical addressing of nano-objects. We have compared the far field spectroscopy of large ensembles of dimers and finite chains to TPL spectroscopy. Our main result is to show that TPL is preferentially sensitive to local fields and that it enables the assessment of spectroscopic features which cannot be resolved otherwise. In order to overcome the limitations of measurements on large ensembles a considerable effort was dedicated to mounting and optimizing an optical set-up enabling TPL measurement of single structures. Using the developed TPL micro-spectroscopy, spatially resolved spectral mode mapping on single resonant gap-antennas was achieved. As predicted by calculations, we were able to directly visualize at resonance the strongly enhanced TPL signal within the gap. Our results show how TPL scans can be directly compared with the convoluted distribution of the fourth power of the calculated local mode field. By monitoring the evolution with the incident wavelength of the TPL signal within the gap and at the antenna extremities we got further insight in the physical mechanism behind the buildup of the antenna’s resonance. Finally, TPL microscopy was used to probe the local fields under different orientations of the incident linear polarization near star-like arrangement of gold disks. It is shown that, unlike the scattering spectrum, the TPL distribution over the structure is found to depend drastically on the incident polarization state. Our study brings a significant contribution to the field of Plasmon optics by proposing novel geometries able to efficiently confine optical fields down to the nanometric scale, but also by providing deep insight into the use of TPL microspectroscopy to probe their local optical response. Our findings are foreseen to be important in applications such as enhanced spectroscopy, bio-sensing and enhanced light-matter interaction, where one needs to assess the actual field experienced by small amounts of matter.

Cette thèse est consacrée au développement de modèles semi-analytiques précis pour le calcul numérique de dispositifs nanophotoniques résonants. Il s'agit en particulier de membranes à cristaux photoniques, qui supportent des résonances avec des très grands facteurs de qualité, et d’ensembles composés de plusieurs nano-antennes plasmoniques, qui présentent des résonances avec des faibles facteurs de qualité. La thèse est divisée en deux parties.La première partie présente un modèle semi-analytique pour le calcul des modes supportés par des membranes à cristaux photoniques. Les modes à fuite (leaky modes) supportés par ces membranes structurées sont modélisés comme une résonance Fabry-Perot transverse composée de quelques ondes de Bloch propagatives qui vont et viennent verticalement à l'intérieur de la structure. Ce modèle est appliqué à l'étude des états liés dans le continuum (bound states in the continuum, ou BIC). Nous montrons que le modèle Fabry-Perot multimode est parfaitement adapté pour prédire l'existence des BICs ainsi que leur position dans l'espace des paramètres. Grâce à la semi-analyticité du modèle, nous étudions la dynamique des BICs avec l'épaisseur de la membrane pour des structures symétriques et asymétriques. Dans ce dernier cas, nous étudions des objets présentant soit une symétrie horizontale brisée, soit une symétrie verticale brisée (ajout d'un substrat). Le modèle Fabry-Perot nous permet d’obtenir des informations importantes sur la nature et le comportement des BICs. Nous démontrons que lorsque la symétrie miroir horizontale est brisée, les BICs dus à la symétrie du système, qui existent dans les structures symétriques au point Gamma du diagramme de dispersion, restent des BICs malgré l’absence de symétrie mais changent de nature. Ils deviennent des BICs dus à des interférences destructives entre les ondes de Bloch. La deuxième partie est consacrée au développement d'une théorie modale originale pour modéliser la diffusion de la lumière par des structures complexes composées d'un ensemble de plusieurs nano-antennes. L'objectif est de pouvoir modéliser la diffusion de la lumière par des métasurfaces à partir de la seule connaissance des modes de leurs constituants individuels. Pour ce faire, nous combinons un formalisme modal basé sur l’utilisation des modes quasi-normaux (QNM) avec la théorie multipolaire de la diffusion multiple basée sur le calcul de la matrice de transition (matrice T) d'un diffuseur unique. La matrice T fournit la relation entre le champ incident et le champ diffusé dans la base des harmoniques sphériques vectorielles. Elle contient toutes les propriétés de diffusion intrinsèques à l'objet. Le calcul de cette matrice représente une charge numérique lourde car elle nécessite de nombreux calculs rigoureux du champ diffusé. L'utilisation d'une décomposition modale avec des QNMs nous permet d’une part de rendre une partie du calcul analytique et d’autre part d'apporter une meilleure compréhension physique. Nous dérivons une décomposition modale de la matrice T et testons sa précision sur le cas de référence d'une nanosphère métallique.Enfin, la décomposition modale de la matrice T est appliquée à des cas pratiques d'intérêt en nanophotonique. A partir de la seule connaissance de quelques modes d'un nanocylindre plasmonique unique, nous calculons analytiquement la diffusion multiple de la lumière par un dimère et par une antenne Yagi-Uda composés de ces nanocylindres. Nous appliquons également l’approche modale à un réseau périodique bidimensionnel de nanocylindres . La comparaison avec les résultats d'une méthode numérique rigoureuse démontre un bon accord avec le calcul modal. Par rapport à des calculs entièrement rigoureux, la décomposition modale de la matrice T permet une réduction significative du temps de calcul. Comme les calculs sont analytiques une fois que les modes ont été calculés, l'approche modale est extrêmement utile pour les problèmes d'optimisation. / The presented thesis is dedicated to the development of semi-analytical accurate models for the numerical calculation of resonant nanophotonic devices. In particular, it concerns photonic crystal slabs, which can support resonances with high quality factors, and ensembles composed of several plasmonic nanoantennas, which exhibit resonances with low quality factors. The structure of the thesis is two-fold. In the first part, a semi-analytical model for the calculation of the modes supported by photonic crystal slabs (their dispersion and quality factors) is presented. Leaky modes supported by photonic crystal slabs are modeled as a transverse Fabry-Perot resonance composed of a few propagative Bloch waves bouncing back and forth vertically inside the slab. This model is applied to the study of bound states in the continuum (BICs). We show that the multimode Fabry-Perot model is perfectly suitable to predict the existence of BICs as well as their precise positions in the parameter space. We show that, regardless of the slab thickness, BICs cannot exist below a cut-off frequency, which is related to the existence of the second-order Bloch wave in the photonic crystal. Thanks to the semi-analyticity of the model, we investigate the dynamics of BICs with the slab thickness in symmetric and asymmetric photonic crystal slab. In the latter case, we investigate structures with either a broken horizontal symmetry or a broken vertical symmetry (addition of a substrate). As a result, we obtain some important insights into the nature and behavior of BICs. We evidence that, as the horizontal mirror symmetry is broken, the symmetry-protected BICs that exist in symmetric structures at the Gamma-point of the dispersion diagram are still BICs despite the absence of symmetry but change their nature. They become resonance-trapped BICs, but only for specific values of the slab thickness.The second part of the thesis is dedicated to the development of an original modal theory to model light scattering by complex structures composed of a small ensemble of plasmonic nanoantennas. The objective is to be able to model light scattering by metasurfaces from the sole knowledge of the eigenmodes of their individual constituents. For that purpose, we combine a quasi-normal mode (QNM) formalism with the multipole multiple-scattering theory based on the calculation of the so-called transition matrix (T-matrix) of a single scatterer. The T-matrix provides the relation between the incident and scattered fields in the vectorial spherical harmonics basis. It captures all the intrinsic scattering properties of the object that are due to its shape and refractive index distribution. Computation of the T-matrix is a heavy numerical burden since it requires numerous rigorous calculations of the scattered field— one for each harmonic in the basis. Using a modal expansion of the scattered field with QNMs allows us to bring both analyticity and physical understanding into the calculation. We derive a modal expansion of the T-matrix and test its accuracy on the reference case of a metallic nanosphere.Finally, we apply the modal expansion of the T-matrix to practical cases of interest in nanophotonics. From the sole knowledge of a few modes of a single plasmonic nanorod, we calculate analytically multiple light scattering by a dimer and a Yagi-Uda antenna composed of these nanorods. We apply also the modal approach to a periodic two-dimensional array of nanorods. Comparison with the results of a rigorous Maxwell’s equations solver demonstrates a good agreement with the QNM-based calculation. Compared to fully rigorous calculations, the QNM expansion of the T-matrix allows for a significant reduction of the computation time. Since the calculations are analytical once the modes have been calculated, the QNM approach is extremely useful for optimization problems.

La spectroscopie de fluorescence de molécule individuelle a révolutionné le domaine des sciences biophysiques, en permettant la visualisation des interactions moléculaires dynamiques et des caractéristiques nanoscopiques avec une haute résolution spatio-temporelle. Le contrôle des réactions enzymatiques et l'étude de la dynamique de diffusion de molécules individuelles permet de comprendre l'influence et le contrôle de ces entités nanoscopiques sur plusieurs processus biophysiques. La nanophotonique basée sur la plasmonique offre des nouvelles opportunités de suivi d'évènements à molécule unique, puisque il est possible de confiner des champs électromagnétiques dans les hotspots à nano-échelle, à dimensions spatiales comparables à une molécule unique. Dans ce projet de thèse, nous explorons plusieurs plateformes de nanoantennas photoniques avec des hotspots, et nous avons démontré les applications dans l'amélioration de la spectroscopie de fluorescence de molécule individuelle. En utilisant la fluorescence burst analysis, l'analyse de fluctuations temporelle de fluorescence,TCSPC, nous quantifions les facteurs d'amélioration de fluorescence, les volumes de détection de nanoantennas; ainsi, nous discutons l'accélération de fluorescence photo dynamique. En alternative aux structures plasmoniques, des antennes diélectriques basées sur les dimères en silicone ont aussi démontré d'améliorer la détection de fluorescence à molécule unique, pour des concentrations micro molaires physiologiquement pertinentes. En outre, nous explorons des systèmes planaires antennas in box pour l'investigation de la dynamique de diffusion de la PE et de la SM dans les membranes des cellules vivantes. / Single-molecule fluorescence spectroscopy has revolutionized the field of biophysical sciences by enabling visualization of dynamic molecular interactions and nanoscopic features with high spatiotemporal resolution. Monitoring enzymatic reactions and studying diffusion dynamics of individual molecules help us understand how these nanoscopic entities influence and control various biochemical processes. Nanophotonic antennas can efficiently localize electromagnetic radiation into nanoscale spatial dimensions comparable to single bio-molecules. These confined illumination hotspots there by offer the opportunity to follow single-molecule events at physiological expression levels. In this thesis, we explore various photonic nanoantenna platforms and demonstrate their application in enhanced single-molecule fluorescence detection. Using fluorescence burst analysis, fluorescence correlation spectroscopy (FCS), time-correlated TCSPC measurements, and near field simulations, we quantify nanoantenna detection volumes, fluorescence enhancement factors and discuss the fluorescence photodynamic accelerations mediated by optical antennas. Further, using resonant planar antenna-in-box devices we investigate the diffusion dynamics of phosphoethanolamine and sphingomyelin on the plasma membrane of living cells and discuss the results in the context of lipid rafts. Together with cholesterol depletion experiments, we provide evidence of cholesterol-induced nanodomain partitioning within less than 10~nm diameters and characteristic times being ~100 microseconds.

Les nano-antennes optiques permettent la manipulation, le confinement et l'exaltation des champs électromagnétiques dans des volumes sub-longueur d'onde. Les applications de ces nano-objetsconcernent des domaines variés tels que les nano-sources de lumière,la photovoltaïque, la microscopie, la spectroscopie... Les propriétés physiques de ces nano-antennes dépendant essentiellementde leur nature, leurs tailles et leurs géométries, lacaractérisation expérimentale de ces nano-objets est essentielle car elle permet d'en améliorer fortement le design et d'amplifier les réponses électromagnétiques.La problématique de ce travail de thèse concerne la caractérisation et l'exploitation des propriétés de nano-antennes optiques. Différentes techniques de caractérisation expérimentale de nano-antennes ont été développées au cours de cette thèse: spectroscopie de corrélation de fluorescence, suivi de dynamique temporelle de boîtes quantiques, spectroscopie sous saturation de fluorescence. Ces techniques ont été appliqués pour étudier différents types d'antennes optiques: microsphères diélectriques, nano-ouvertures simples et nano-ouvertures corruguées. Réciproquement, ces nano-antennes optiques ont été utilisées pour améliorer efficacement la détection de molécules fluorescentes en solution, avec des exaltations de fluorescence moléculaire supérieures à un facteur 100 et un contrôle de la directivité d'émission de fluorescence, ouvrant ainsi de nouvelles opportunités en biophotonique. / Optical nanoantennas allow manipulation, confinement and enhancement of light in sub-wavelength volumes. The applications of these nano-objects are related to various fields such as nano-lightsources, photovoltaic, microscopy, spectroscopy... The physical properties of these nanoantennas depending mainly on their nature,sizes and geometries, the experimental characterization of thesenano-objects is essential because it allows to improve significantly their design and amplify the electromagnetic responses.The focus of this work concerns the characterization and exploitationproperties of optical nanoantennas. Several experimental characterization techniques of nanoantennas have been developedduring this thesis: fluorescence correlation spectroscopy FCS,temporal dynamics monitoring of quantum dots, spectroscopy bysaturated excitation of fluorescence. These techniques were appliedto study different types of optical antennas: dielectricmicrospheres, bare nanoapertures and corrugated nanoapertures. Theseoptical antennas have been used to effectively improve the detectionof fluorescent molecules in solution, with fluorescence enhancementgreater than a factor of 100, together with a directivity control ofthe fluorescence emission, opening new opportunities inbiophotonics.