Les cristaux photoniques (CP) nous fournissent un moyen sans précédent de contrôler et de confiner les photons. En particulier, les cristaux photoniques membranaires (CP-2D) (confinement vertical par réflexion totale interne), et l’effet de bande interdite photonique (confinement dans le plan), jouent un rôle très important en nanophotonique. En introduisant des défauts dans le cristal (omission d’un ou de plusieurs motifs), il est possible de générer des modes optiques très localisés, possédant un faible volume modal et un grand facteur de qualité. Coupler un émetteur unique à ce type de mode peut être alors utile pour exalter ou inhiber sa dynamique. L’efficacité du couplage dépend à la fois de l’accord en longueur d’onde entre l’émetteur et le mode optique ainsi que de leur recouvrement spatial, c’est pourquoi le contrôle du couplage entre l’émetteur et le mode localisé doit être optimal. Il est donc crucial de connaître le profil du mode dans la cavité à une échelle suffisamment petite. Jusqu’à présent, le SNOM s’est révélé un outil de caractérisation particulièrement bien adapté à l’observation directe du champ dans des structures nanophotoniques. En effet, il permet d’accéder aux parties évanescentes des modes, livrant ainsi des informations locales, inaccessibles par des mesures classiques en champ lointain. Cependant, le potentiel des structures à base de CP-2D pour développer de nouveaux composants photoniques serait considérablement accru si leurs propriétés optiques pouvaient être modifiées après fabrication. En particulier, pour les structures actives, la capacité à accorder de manière réversible une cavité à l’emission ou à l’absorption d’une source est de grand intérêt. Dans cette étude, l’idée est donc d’utiliser la sonde d’un SNOM dans le but de perturber la résonnance (longueur d’onde, facteur de qualité) d’un mode. Dans ce travail, Nous concevons et optimisons une cavité linéaire dans laquelle sept trous ont été omis (CL7). Nous étudions théoriquement les propriétés de la cavité et particulièrement un mode présentant un bon facteur de qualité. Ensuite, l’interaction de pointes champ proche avec les modes de la CL7 et en particulier l’effet du matériau de la pointe sur l’émission en longueur d’onde et les pertes induites relatives sont étudiés. Dans ce but, une pointe est introduite dans des simulations FDTD-3D, soit avec l’indice de la silice (1.44), soit avec l’indice du silicium (3.4). Ensuite, l’effet de la forme de la pointe sur les cartographies est étudié, et particulièrement l’influence de la polarisabilité et de la section efficace. Les cavités CL7 sont fabriquées et caractérisées par un dispositif d’optique réfractive et par un microscope optique de champ proche. Le mode fondamental, présentant un effet laser, est utilisé pour étudier l’interaction ave la pointe champ proche. Des caractérisations SNOM avec une pointe en silice et une pointe hybride silice/silicium sont réalisées sur la cavité CL7 et nous démontrons que la pointe en silice recouverte de silicium provoque un décalage en longueur d’onde de l’ordre de quelques nanomètres, de 5 à 10 fois supérieur que la largeur intrinsèque du pic. La pointe en silice induitdes décalages en longueur d’onde de l’ordre du dixième de nanomètre, qui n’est pas détecté par notre montage expérimental. Nous démontrons également l’importance de la forme de la pointe lors de l’observation directe et locale de la distribution du champ avec le SNOM. Nous montrons qu’une pointe isotrope de bas indice peut être utilisée comme un outil de caractérisation passive car la cartographie champ proche donne une bonne approximation du mode tel qu’il existe dans la structure sans présence de la pointe. A l’inverse, une pointe anisotrope donne une information partielle car elle ne convertie le champ que dans la direction du petit axe. / Photonic crystals (PC) provide us with an unprecedented ability to control and confine photons. In particular, PC slab structures (2D-PC), which rely on total internal reflection for the vertical optical confinement, and the photonic bandgap effect for the in-plane confinement, play an increasingly important role in nanophotonics. When combined with defect engineering, such structures can support localized modes with small mode volumes and large quality factors. When coupled to a single emitter like a quantum dot, these PC structures can be used to enhance or inhibit the dynamics of the source. The efficiency of the coupling between the emitter and the cavity depends both on the spectral matching and the spatial overlap between the cavity mode and the emitter. To address the issue of the optimal positioning of an emitter inside a cavity it is crucial to know the actual cavity mode profile on a small enough scale. For that purpose, near-field scanning optical microscopy (NSOM) has proved to be an invaluable tool as it gives us access to the mode profiles inside the cavity with a spatial resolution beyond what can be achieved with far-field techniques. We show that the near-field probing yields important information such as the local spectral response of a structure, or light intensity distribution inside a nanophotonic component. However, the potential of 2D-PC structures to foster new photonic devices would be greatly enhanced if their optical properties could be modified after fabrication. In particular, for active structures, the ability to post-tune, in a reversible way, a cavity to match the emission or absorption line of an emitter is of great interest. A near-field optical microscope (NSOM) can be used to achieve this effect. In this work, we design and optimize a linear cavity with seven holes missing (CL7). We study theoretically the properties of the cavity and especially the fundamental mode presenting a good quality factor. Then, the interaction of near-field probes with the modes of the CL7 and, in particular, the effect of the probe material on the emission wavelength and the relative induced losses are investigated. For this purpose, a tip is introduced in the 3D-FDTD simulations, either with silica index (1.44) or with silicon index (3.4). Then, the effect of the probe shape on the cartography is studied, particularly the influence of the polarisability and the cross-section. The CL7 cavity are fabricated and characterized by refractive optical set-up and by near-field optical microscope. Laser emission is achieved and the mode presenting laser effect is used to investigate the interaction with the near-field probe. NSOM characterization with a bare silica tip and an hybrid silica/silicon tip are made on CL7 cavity and we demonstrate the silicon-coated tip induces a shift in the range of a few nanometers, from 5 to 10 times higher than the intrinsic linewidth of the peak. The silica tip induces wavelength shifts in the range of 0.1 nm, which is not detected by our set-up. We also demonstrate the importance of the probe shape when observing directly and locally the field distribution with NSOM. We show that an isotropic low index tip can be used as a passive tool as the near-field map gives a good approximation of the mode as it exists in the structure without the tip. Conversely, an anisotropic tip gives partial information as it will convert the field in the direction of the small axis.

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In recent years, the demand of the optical fiber communication bandwidth is increasing. Therefore, how to develop gain materials has become an important issue. The composition of a chromium-doped glass CaO-GeO2-Li2O-B2O3-Al2O3 is known to have good optical properties, the Cr-doped glass¡¦s radiation wavelength 1.2-1.5£gm covering entire communication band. The characteristics of a chromium-doped glass have potential to develop width band light source, optical amplifier and tunable wavelength laser. Our laboratory has successfully developed chromium-doped glass with infrared radiation characteristics. In order to improve it¡¦s optical properties. For example, increasing fluorescence intensity and less transmission loss. We shape the chromium-doped glass samples produced to high resolution transmission electron microscope sample, scanning its fluorescence intensity and Raman shift, two-dimensional graphics, comparing the difference between quench and heat treatment glass sample. The nanocrystal with infrared radiation characteristics appear when the heat treatment Raise up to appropriate temperature. To prove the nanocrystal distribution more uniform, higher fluorescence intensity, and smaller size of the nanocrystal to decreasing the transmission loss . We use different composition, or different nucleating agents and different heat treatment ways to analyze its transmission characteristics and internal structural changes. Near-field scanning optical microscope (SNOM) and high-resolution electron microscopy play a very important role in nano research. We also adjust the polarization film Polarizer use to reach the high resolution about 100nm. With this thesis we can analysis whether Cr3+ ion and Cr4+ ion exist in the same phase of nanocrystal and mapping high resolution fluorescence distribution picture to know how the nanocrystal appear by heat treatment, distinguish different nanocrystal by Ramen shift.

Les cristaux photoniques (CP) nous fournissent un moyen sans précédent de contrôler et de confiner les photons. En particulier, les cristaux photoniques membranaires (CP-2D) (confinement vertical par réflexion totale interne), et l'effet de bande interdite photonique (confinement dans le plan), jouent un rôle très important en nanophotonique. En introduisant des défauts dans le cristal (omission d'un ou de plusieurs motifs), il est possible de générer des modes optiques très localisés, possédant un faible volume modal et un grand facteur de qualité. Coupler un émetteur unique à ce type de mode peut être alors utile pour exalter ou inhiber sa dynamique. L'efficacité du couplage dépend à la fois de l'accord en longueur d'onde entre l'émetteur et le mode optique ainsi que de leur recouvrement spatial, c'est pourquoi le contrôle du couplage entre l'émetteur et le mode localisé doit être optimal. Il est donc crucial de connaître le profil du mode dans la cavité à une échelle suffisamment petite. Jusqu'à présent, le SNOM s'est révélé un outil de caractérisation particulièrement bien adapté à l'observation directe du champ dans des structures nanophotoniques. En effet, il permet d'accéder aux parties évanescentes des modes, livrant ainsi des informations locales, inaccessibles par des mesures classiques en champ lointain. Cependant, le potentiel des structures à base de CP-2D pour développer de nouveaux composants photoniques serait considérablement accru si leurs propriétés optiques pouvaient être modifiées après fabrication. En particulier, pour les structures actives, la capacité à accorder de manière réversible une cavité à l'emission ou à l'absorption d'une source est de grand intérêt. Dans cette étude, l'idée est donc d'utiliser la sonde d'un SNOM dans le but de perturber la résonnance (longueur d'onde, facteur de qualité) d'un mode. Dans ce travail, Nous concevons et optimisons une cavité linéaire dans laquelle sept trous ont été omis (CL7). Nous étudions théoriquement les propriétés de la cavité et particulièrement un mode présentant un bon facteur de qualité. Ensuite, l'interaction de pointes champ proche avec les modes de la CL7 et en particulier l'effet du matériau de la pointe sur l'émission en longueur d'onde et les pertes induites relatives sont étudiés. Dans ce but, une pointe est introduite dans des simulations FDTD-3D, soit avec l'indice de la silice (1.44), soit avec l'indice du silicium (3.4). Ensuite, l'effet de la forme de la pointe sur les cartographies est étudié, et particulièrement l'influence de la polarisabilité et de la section efficace. Les cavités CL7 sont fabriquées et caractérisées par un dispositif d'optique réfractive et par un microscope optique de champ proche. Le mode fondamental, présentant un effet laser, est utilisé pour étudier l'interaction ave la pointe champ proche. Des caractérisations SNOM avec une pointe en silice et une pointe hybride silice/silicium sont réalisées sur la cavité CL7 et nous démontrons que la pointe en silice recouverte de silicium provoque un décalage en longueur d'onde de l'ordre de quelques nanomètres, de 5 à 10 fois supérieur que la largeur intrinsèque du pic. La pointe en silice induitdes décalages en longueur d'onde de l'ordre du dixième de nanomètre, qui n'est pas détecté par notre montage expérimental. Nous démontrons également l'importance de la forme de la pointe lors de l'observation directe et locale de la distribution du champ avec le SNOM. Nous montrons qu'une pointe isotrope de bas indice peut être utilisée comme un outil de caractérisation passive car la cartographie champ proche donne une bonne approximation du mode tel qu'il existe dans la structure sans présence de la pointe. A l'inverse, une pointe anisotrope donne une information partielle car elle ne convertie le champ que dans la direction du petit axe.

Within recent years, numerous fields of engineering, like mechanics, optics and electronics, have been influenced and revolutionised by the technique of microand nano-structuring. For example, special optical elements for beam shaping, surface structures for the reduction of friction or modern "lab on chip" devices have been produced. Within this thesis a universal system has been developed facilitating the production of such structured surfaces with dimensions down to 500 nm. This system is not only capable of structuring surfaces by means of lithographic processes; it further allows the inspection of surfaces by scanning their topography. To realise such a system, two different technologies have been evaluated: Scanning Near-field Optical Lithography (SNOL), a very sophisticated technique which uses a thin fibre tip to expose a photo resist-covered surface, and confocal scanning technology. Here, the confocal scanning is accomplished using an adapted optical component, the optical pickup unit (OPU), from a gaming console, which turned out to be the most suitable and cost-efficient solution for the realisation of this system. Several test series have been carried out during this work, to verify the performance of the confocal system, both to structure photo resist surfaces and to characterise unknown surfaces. This present work will show the ability of the developed system to produce structures down to the sub-micron range and to characterise unknown surfaces with sub- micron precision. Various patterns have been written into photo resistcoated substrates to structure their surface. Beginning with diffractive optical elements (DOE) for beam shaping, followed by Dammann gratings for twodimensional beam shaping and optical gratings for light guidance as well as producing technical surfaces imitating the properties of sharkskin or simple micromechanical structures, the developed confocal system has shown itself to be flexible and widely-applicable. IV During the development of the confocal system, a strong need for a beam profiling system analysing the light beam diverging from the OPU, was recognised. Due to the fact that no commercially available system was capable of characterising beam sizes within the range of the diffraction limit, a novel method for beam profiling was invented. This method makes use of the fibre tips already applied within the SNOL system, producing tomographical scans of the beam spot.

De récentes études ont montré que les ondes électromagnétiques, proche d'une structure diffusante telle qu'une pointe de microscope à force atomique (AFM), peuvent être diffusées et détectées en champ lointain. Ainsi, la détection d'ondes de surface par microscopie optique en champ proche (SNOM) est une technique prometteuse dans le cadre des mesures thermiques aux petites échelles. Une telle technologie prend alors le nom de microscope TRSTM (Thermal Radiation Scanning Tunnelling Microscopy).Le travail de thèse présenté dans ce manuscrit se scinde en deux étapes. La première a trait à nos travaux expérimentaux basés sur le montage d'un dispositif TRSTM. Nous en décrivons les différentes composantes, ainsi que les difficultés rencontrées liées à son fonctionnement. En outre, divers outils numériques, destinés à détecter et extraire tout signal périodique utile, sont développés. La seconde étape se concentre sur nos travaux numériques. Nous y proposons un modèle de diffusion d'ondes électromagnétiques basé sur la FDTD (Finite-Difference Time-Domain) et la transformation champ proche/champ lointain. Ce modèle a été validé par l'étude de dipôles, puis de sphères dispersives à proximité d'un substrat diélectrique. Alors, un certain nombre de simulations de diffusion d'ondes évanescentes par une pointe, de diverses formes et de divers matériaux, proche d'une interface, est présenté. / Recent studies have shown that electromagnetic waves (in particular the thermal radiation), in the vicinity of a scattering object such as en atomic force microscope (AFM), can be scattered from near to far-field and thus detected. The detection of surface waves through scanning near-field optical microscopy (SNOM) is a promising technique for thermal measurement at small scales. Such technology is known as TRSTM. The thesis work presented in this manuscript is divided into tow part. The first one relates to our experimental work based on the development of a TRSTM device. Its various components are detailed, and the difficulties observed during its utilization are described. Furthermore, several digital tools, used to detect and extract any useful signal, are presented. The second part of our work focuses on the development of a numerical model based on the finite-difference time-domain (FDTD) and the near-field to far-field (NFTFF) transformation for the scattering of electromagnetic waves. This model has been validated by studying different cases of dipoles and dispersive spheres close to a dielectric substrate. Then, several simulations of scattering of evanescent waves by a tip, with various shapes and materials, near an interface, are presented.

This thesis discusses the design and construction of a Near-field Scanning Optical Microscope (NSOM). Basic principles of operation, the characteristics of the hardware components, and the control software are discussed. A unique method of controlling the position of the probe is developed, and scans of a diffraction grating are presented. We show the influence that the surface topology and reflectivity and the interference of direct and reflected light have on the images. A second design of the instrument, for use in a vacuum chamber and with a flexure stage for lateral motion, is accomplished. / text

Mon projet porte sur l'elaboration d'un microscope optique en champ proche (SNOM) sans ouverture fonctionnant dans le domaine de l'infrarouge et utilisant le rayonnement synchrotron de l'ESRF comme source de lumiere infrarouge. Ce rayonnement a deux particularites bien adaptees aux etudes spectroscopiques: c'est une source de lumiere blanche couvrant la bande du proche infrarouge de 5 a 15 microns alors que les sources lasers accordables sont encore en developpement. Il est tres brillant et stable, a la fois dans le temps et dans l'espace. Une fois elaboree, le microscope sera appliquee a la spectroscopie infrarouge - essentiellement vibrationelle - et le diagnostic des materiaux et des nanostructures qui sont d'inter^et actuel pour l'industrie micro et nanoelectronique [RCB+02]. Comme mon projet est tres instrumental, le debut a ete consacre a la conception de tout un systeme de microscopie, a partir du zero et avec tout le materiel necessaire disponible a la n de la premiere annee. La seconde annee a ete consacree a l'integration et la mise en oeuvre du dispositif experimental, a la comprehension de ses fonctionnalites et a des essais de validation du nouveau outil. Apres nous nous sommes pleinement engages dans la recherche et la comprehension de cet outil unique. Nous avons commence par quelques resultats preliminaires, puis cela a ete essentiellement une question de temps experimental alloue pour obtenir les resultats que nous avions vises. Notre conguration est unique et donc les travaux que nous avons pour reference sont ceux de groupes utilisant les m^emes techniques d'exploitation dans des conditions tres dierentes. Notre principale diculte est de detecter un signal faible. Je montrerai plus loin quelques calculs qui nous y ont fait croire. Notre groupe de reference a reussi a le faire dans des conditions plus simples que les notres, mais il est utile de rappeler que cela leur a pris 3 ans pour adapter leur sensibilite a l'installation, ce qui conrme que ce sont des techniques tres dur. Notre idee de depart etait d'utiliser le rayonnement synchrotron comme source de lumiere dans l'infrarouge en raison de ses caracteristiques. Il s'agit d'une source de lumiere blanche, avec toutes les longueurs d'onde presentes en meme temps, nous permettant d'eectuer une spectroscopie, ce qui signie que nous obtiendrons une information chimique sur l'echantillon [Hil04; MGCS04]. Telle est la grande nouveaute en comparison avec les autres travaux. Il s'est avere que la lumiere est assez faible ce qui rend la recherche du signal dicile. Notre installation doit alors etre testee avec un laser, qui est de plusieurs ordres de grandeur plus puissant que le rayonnement synchrotron, et qui pourrait etre un bon outil de debogage. Cela semble une bonne alternative pour mieux comprendre les points essentiels qui doivent etre ameliores dans notre systeme. Les lasers a utiliser pourraient etre visible, infrarouge (CO2), ou accordable. Pour la spectroscopie, les lasers accordables sont non seulement moins stables mais ils sont aussi plus limites dans la gamme spectrale sur la partie infrarouge proche du spectre, que le rayonnement synchrotron. Le synchrotron de l'ESRF est mon laboratoire d'accueil, et j'ai travaille en collaboration avec le CEA-LETI pour le developpement de cet outil.

Les processus non-linéaires optiques à l'échelle nanométrique ont des rendements très faibles. Ainsi les structures métalliques permettant de confiner les champs électromagnétiques sur des zones sub-longueur d'onde sont intensivement étudiées.<br />Ce mémoire présente l'étude des propriétés optiques à l'échelle nanométrique de films granulaires métalliques. Les modes de résonances plasmons, quand ils sont excités, génèrent des pics d'exaltation localisés.<br />Pour faire les études expérimentales de ces échantillons, nous avons choisi la microscopie optique de champ proche à ouverture (SNOM). Nos résultats montrent la localisation de champs intenses dans des zones nanométriques. Ces exaltations dépendent de la longueur d'onde et de la polarisation. Il existe un régime purement diffusif quand les résonances plasmons ne sont pas excitées. En augmentant la longueur d'onde, les exaltations apparaissent, mais la diffusion est toujours présente. Une étude statistique par la fonction d'autocorrélation analyse ces deux régimes.

Deeper understanding and technological progress in materials physics demand exploration of soft and hard matter at their relevant length scales. This research focuses on the nanometer length scale investigation of structural changes required for membrane fusion in virus nanoparticles and nano-spectroscopic investigation of layered material surfaces implementing scattering type scanning near-field optical microscopy (s-SNOM). Spectroscopy and imaging experiments were deployed to investigate the chemical and structural modifications of the viral protein and lipid bilayer under various environmental pH variations. It has been shown that breakage of viral membrane could occur even without the presence of a targeting membrane, if the environment pH is lowered. This is in contrary to the current viral fusion model, which requires virus binding to a host cell membrane for forming the fusion pore to release the viral genome. The fusion inhibitor compound 136 can effectively prevent the membrane breakage induced by low pH. The chemical surface stability and degradation of black phosphorus (BP) under ambient conditions have been studied using s-SNOM. We found that the degraded area and volume on the surface of black phosphorus increase with time slowly at the start of degradation and enlarge rapidly (roughly exponentially) afterward and reach saturation growth following S-shaped growth curve (sigmoid growth curve). The theoretical model presented suggests that the degraded sites in the adjacent surrounding causes the experimentally observed exponential growth of degraded area at the initial stage. By studying the BP surfaces coated by Al2O3, boron nitride (BN) and hybrid BN/Al2O3 layers through the period up to 6 months, it has been concluded that ~5 nm thin hybrid layer of BN/Al2O3 helps the surface passivation of BP flakes of thickness ~30 nm. This is supported by the electrical characterization results of BP field effect transistor coated with a BN/Al2O3 layer. We have performed infrared nano-spectroscopy on muscovite mica exfoliated on silicon and silicon dioxide substrates. We show that the near-field profile in s-SNOM can penetrate down to several hundreds of nanometers and enable spectroscopy of buried structures. We found spectral broadening of mica as its thickness increases revealing clearly the effect of size on the absorption response.