An infrared radiometry setup has been developed based on a commercially available FTIR spectrometer for measuring mid-infrared thermal radiation. The setup was calibrated with a lab-built blackbody source. The setup was tested with a grating structure with 4-micron periodicity. Periodic microstructures using nickel and gold are fabricated on elastomeric substrates by use of strain-induced buckling of the nickel layer. The intrinsically low emissivity of gold in the mid-infrared regime is selectively enhanced by the surface plasmonic resonance at three different mid-infrared wavelengths, 4.5 µm, 6.3 µm, and 9.4 µm. As the thermal emission enhancement effect exists only for the polarization perpendicular to the orientation of the microstructures, substantially polarized thermal emission with an extinction ratio of close to 3 is demonstrated. Moreover, the elastically deformed plasmonic thermal emitters demonstrate strain-dependent emission peaks, which can be applied for future mechano-thermal sensing and dynamic thermal signature modulation.

Numerické simulace se staly nedílnou součástí procesu navrhování v nanofotonice, což nevyhnutelně vedlo k vývoji softwaru specializovaného pro tento úkol. Ačkoli je zde celá řada komerčně dostupných produktů, mnohé aplikace vyžadují datovou analýzu, která překračuje standardní výbavu těchto nástrojů. Zpracování výsledků simulací je těžištěm této práce, kdy důraz je kladen zejména na vývoj semianalytických modelů ušitých na míru jednotlivým experimentům. Spolu s lepší shodou mezi teorií a měřeními tyto modely poskytují také cenný vhled do studovaných fyzikálních procesů. Hlavní část této práce je věnována plazmonicky zesílené elektronové paramagnetické rezonanci (PE EPR), nové metodě využívající kovové antény pro zesílení interakce mezi zářením a materiály s magnetickými přechody mezi spinovými stavy. Jsou zde objasněny základní principy řídící tento jev a představen model umožňující rychlou optimalizaci polí antén pro PE EPR spektroskopii tenkých vrstev. Zvláštní pozornost je pak věnována roli indukovaného proudu a možnostem, které nabízí při projekcích do dalekého pole nebo počítání elektromagnetické interakce mezi objekty. Toto je dále demonstrováno na několika aplikacích, jmenovitě fázovém zobrazování metapovrchů pomocí koherencí řízeného holografického mikroskopu, designu optického prvku pro generování pole svazků na bázi metapovrchu a multipólové analýze elektromagnetických vln emitovaných objekty nacházejícími se uvnitř multivrstvy.

Superradiance is an enhanced decay of an excited system of emitters resulting from their mutual coupling. This thesis is focused on superradiance of the emitters coupled via their interaction with a plasmonic nanoparticle. So-called plasmon-mediated superradiance results in even stronger enhancement of the decay rate as the nanoparticle serves as an additional decay chanel. We have developed a quantum model of the system of emitters coupled to a plasmonic nanoparticle, which allows us to differentiate between a pure dephasing and decay processes. We show that the pure dephasing can destroy the cooperative effect leading to superradiance. Furthermore, we have studied how the direct mutual coupling between emitters affects time evolution of the system in dependence on its configuration, and we show conditions when a decay of the system is dramatically decreased by direct coupling.

Diplomová práce se zabývá fotoluminiscencí polovodičových materiálů zesílené plazmonovými polaritony. Je popsána základní teorie interakce mezi lokalizovanými povrchovými plazmonovými polaritony a fotoluminiscenčními látkami. Dva mechanismy, které mohou vést k fotoluminiscenci zesílené plazmonovými polaritony jsou diskutovány. Následně je popsán návrh aparatury pro měření fotoluminiscence a způsob její realizace. Funkčnost aparatury je ověřena měřením fotoluminiscenčních spekter objemového GaN, nanokrystalického Si a CdTe kvantových teček. Nakonec je zkoumána metoda přípravy vzorků sestávajících z kovových nanokuliček a fotoluminiscenčně aktívních CdTe kvantových teček.

The diploma thesis provides an introduction to electronic and optical properties of graphene, emphasizing thier tunability through the ambipolar field effect. Furthermore, an experiment, which would demonstrate the possible utilization of graphene in active plasmonics, is presented. The author focuses on light scattering simulations involving hybrid plasmonic structures made of noble metals and graphene. The scattering properties of those structures and their dependence on the density of free charge carriers in graphene are investigated. The author concludes that the proposed tuning of the response of a single metallic antenna through the electrostatic doping of graphene proves to be inefficient, and a more elaborate configuration will be required to enhance the effect and achieve the desired control.

Interaction of metallic structures with electromagnetic radiation is a living topic of near-field optics including plasmonics and nanophotonics. The field-matter interaction treated on the subwavelength scale opens the path to a wide range of applications, among others to different variants of the surface enhanced spectroscopy. In this thesis we theoretically describe how the near-field properties of the metallic structures can be accessed by a probe of near-field scanning optical microscope. Formation of the signal in the near-field microscopy utilizing weakly interacting probes is discussed. Further, we elucidate the mechanism of the surface enhanced infrared spectroscopy. We utilize a model example of linear dipole antennas interacting with sample structures. A close connection is found between the spectroscopic signal and signal of the scattering type near-field optical microscopy.

Scanning transmission electron microscopy is one of the essential techniques suitable not only for imaging of nanostructures, but also for various kinds of spectroscopy and, as it was recently demonstrated, nanomanipulation. In this thesis, we deal with an interaction of fast electrons and metallic spherical nanoparticles, specifically aluminium and gold nanospheres. First, we present both analytical and numerical calculations of electron energy loss spectra and their analysis for different parameters. The main part of the thesis is devoted to theoretical calculations of forces acting on the nanosphere due to the electron passing in its close proximity. Based on our novel results revealing a time evolution of the mechanical force, we also propose a possible mechanism responsible for the nanoparticle movement in electron microscopes.

The master’s thesis deals with two applications of gold discoidal nanostructures exhibiting plasmon resonance for biodetection. The first approach considers the detection of changes in the phase on plasmonic antennas using coherence-controlled holography microscope. It was found that the steepness of the phase is increasing with the illumination wavelength when plasmon resonance is excited in larger antennas. The sensitivity of the phase to refractive-index changes of the surrounding media was observed when the largest response was given by antennas in resonance with wavelength of illumination. Next part deals with plasmon resonance detection by means of optical spectroscopy combined with voltametry which characterizes the electrochemical activity. Changes in resonance wavelength induced by the presence of SSC buffer were observed, although this influence seems to diminish in time. Conducted experiments have also shown that oxygen-plasma cleaning is not suitable for sample surface cleaning because of oxidation of metals including gold as well.

L’augmentation des flux d’information sur puce conduit l’électronique intégrée à un certain nombre de limitations, liées en particulier à la saturation des débits binaires transmissibles entre blocs et cœurs et au niveau excessif de puissance dissipée. Dans ce contexte, la photonique silicium a été proposée il y a plusieurs années comme une solution intéressante pour lever certains verrous. Ce domaine, qui a connu un intérêt marqué depuis, repose sur le développement de liens optiques sur puce, donc sur le développement de toutes les structures nécessaires pour l’émission, le guidage, la modulation, et la détection des signaux optiques. Au stade actuel, les progrès ont été spectaculaires mais des difficultés demeurent : d’une part, la puissance consommée par les composants optoélectroniques, en particulier de modulation, se situe toujours au-dessus des niveaux requis par les applications ; d’autre part, la taille des composants optiques intégrées classiques ne peut pas être miniaturisée en-dessous de la limite de diffraction (de l’ordre de 250nm dans les cas usuels de la photonique silicium, dans la fenêtre des longueurs d’onde télécoms λ=1,55µm), ce qui ne permet pas d’envisager une co-intégration poussée de l’optique avec l’électronique CMOS.Dans cette thèse, nous avons exploré les potentialités de l’utilisation de matériaux organiques non-linéaires au sein de structures métalliques pour la réalisation de guides d’ondes plasmoniques nonlinéaires. Les propriétés de la plasmonique autorisant la réalisation de structures sub-longueur d’onde à confinement extrême du champ électromagnétique, les composants qui en découlent sont caractérisés par un renforcement significatif des effets optiques non-linéaires et leur co-intégration avec l’électronique devient envisageable en terme de compacité et d’encombrement.Nous avons développé une approche basée sur la théorie des modes couplées applicable à des guides à pertes (absorption par les métaux) et, couplées à des calculs par éléments finis, nous l’avons appliquée à l’exploration des plusieurs effets. Deux types de guides ont été considérés, guides plasmoniques et guides plasmoniques hybrides. Les phénomènes de génération de seconde harmonique et de rectification optique (assistée électriquement ou pas) ont été étudiés principalement ; les compromis entre pertes de propagation (par absorption) et confinement du champ électromagnétique ont été explorés et l’ensemble a conduit à proposer plusieurs configurations caractérisées par des longueurs d’interaction de quelques dizaines de µm typiquement et des efficacités (de conversion de longueur d’onde, de rectification, etc) se situant au-delà de l’état de l’art actuel.Ces propositions théoriques ont été complétées par un volet expérimental, concrétisé par la fabrication de structures plasmoniques, et qui a permis de valider la possibilité d’une injection efficace de la lumière depuis une fibre optique vers des guides plasmoniques très sub-longueur d’onde. / With the rapid increasing bandwidth of data transmission and signal processing, integrated electronics encounters bottlenecks. Silicon photonics provides a low-cost solution to overcome some of these bottlenecks by introducing on-chip optical links. After a decade of development, silicon photonics is now the most active discipline and most promising platform within the field of integrated optics. However, in the process of further development, new stumbling blocks emerge, among which the fact that the size of photonic devices is limited by the diffraction limit, which results in a large mismatch between photonic and electronic components. Plasmonics seems to be an ideal solution to overcome this obstacle thanks to its ability to confine the optical field into nanoscales beyond the diffraction limit. Meanwhile, the localized strong field enhancement in plasmonic structures enhances interaction of light and matter, which is promising for nonlinear applications.In this dissertation, we combine the plasmonic and organic technologies onto the silicon photonics platform to create silicon plasmonic organic structures and investigate the nonlinear effects induced in them. Silicon plasmonic organic structures combine the advantages of silicon with ultra-compact performance of plasmonics and ultrafast property of organic materials that have great potentials in nonlinear integrated optics.A full-vectorial nonlinear coupled-wave equation model which is valid for lossy plasmonic waveguides is proposed and then utilized to analyze the nonlinear effects in silicon plasmonic waveguides. This dissertation addresses the use of two kinds of plasmonic waveguides, plasmonic slot waveguide (PSW) and hybrid plasmonic waveguide (HPW), for nonlinear applications. Specifically, enhanced second harmonic generation, electro-optical /optical rectification effect in PSW and enhanced second harmonic generation in HPW and ring resonators are proposed. The mode phase matching technique is applied for the phase matching of the nonlinear processes. Based on the effective nonlinear effects within short distances, possible applications in optical signal processing such as phase regeneration, modulation and detection are envisaged.Design, fabrication and measurement of PSW are also provided. By spin-coating a commercial available second order nonlinear polymer, preliminary results regarding the nonlinear response of the PSW are investigated.

À l'échelle nanométrique, les particules métalliques présentent de nouvelles propriétés optiques liées au phénomène de résonance plasmon de surface. Une résonance plasmon est une oscillation collective et cohérente des électrons de conduction à la surface d'une nanoparticule métallique sous l'influence d'un champ électromagnétique extérieur. La longueur d'onde de cette résonance ainsi que la distribution spatiale du champ électromagnétique associé dépendent des caractéristiques de la nanoparticule (taille, forme et nature chimique), du milieu diélectrique hôte et de la géométrie d'illumination. L’excitation de plasmons de surface génère des champs électromagnétiques locaux de fortes intensités, localisés en des points spécifiques de la nanoparticule, appelés «points chauds». La lumière est ainsi miniaturisée et confinée dans des espaces de taille sub-longueur d’onde (<20nm). La possibilité de produire et de contrôler ces points chauds augure d'importantes réalisations dans un large éventail de domaines d'applications allant des technologies de l'information aux énergies renouvelables, tout en passant par la biomédecine. Ce travail de thèse met en évidence la possibilité de générer et de manipuler des points chauds au niveau de structures de taille nanométrique par effet de la géométrie de la nanostructure métallique ou bien de la configuration et de la longueur d’onde de la lumière excitatrice. L’objectif est de manipuler la lumière à petite échelle afin de contribuer au développement de nouvelles technologies d’origine plasmonique. A cet égard, les réponses optiques de nano-objets métalliques de différentes géométries et tailles, pris individuellement : cube, prisme… ou en groupes: dimère, chaîne… sont étudiées par microscopie de photoémission d'électrons PEEM (PhotoEmission Electron Microscopy), une technique de cartographie haute résolution (20 nm), non intrusive, permettant un adressage sélectif des modes plasmons.Par ailleurs et également dans le cadre de ce travail, une méthode analytique de description du champ proche optique, basée sur la théorie des groupes, a été développée. Cette méthode permet de prédire et d’interpréter en quelques minutes le comportement plasmonique d’une particule à 2D ou 3D, de symétrie finie ou non, seules ou en dimères, à partir des symétries de l’objet et du champ excitateur. En complément, des simulations numériques par la méthode des éléments frontières BEM (Boundary Element Method) ont été effectuées. / At nanometer scale, the metallic particles exhibit new optical properties related to the surface plasmon resonance phenomenon. A plasmon resonance is a collective and coherent oscillation of the conduction electrons at a metallic nanoparticle surface under an external electromagnetic field. The resonance wavelength and the spatial distribution of the associated electromagnetic field depend on the nanoparticle characteristics (size, shape and chemical nature), the surrounding dielectric medium and the illumination geometry.The excitation of surface plasmons generates local electromagnetic fields of high intensity located at specific points of the nanoparticle called "hot spots". The light is miniaturized and confined in sub-wavelength areas (<20 nm). The ability to produce and control hot spots holds great promise for a large range of applications from information technology to renewable energies and biomedicine. This thesis highlights the possibility of generating and manipulating hot spots in nanostructures throughout the particle geometry or/and the configuration and wavelength of the exciting light. To do this, the optical response of various metallic nano-objects of different geometries and sizes, taken individually: cube, prism ... or in groups: dimer, chain ... are studied by PhotoEmission Electron Microscopy (PEEM), a non-intrusive and high resolution (20 nm) mapping technique allowing a selective addressing of plasmons modes. In addition to this experimental investigation, the search for a specific optical near-field distribution is also carried out using group theory. We developed an original theoretical method allowing to predict in a few minutes the plasmonic response of a 2D or 3D particle, of finite or infinite symmetry, alone or in dimer, from the object and exciting field symmetries. In parallel, numerical simulations using the Boundary Element Method (BEM) have been carried out.