In this work we made a review of how a multi-probes microscope using Atomic Force and Near Field Scanning Microscopy works. Currently, the Nanonics Multiview 4000 instaled at the Materials Caracterization and Microscopy Laboratory (LCMMAT) is not completly working. Nowadays, we are able to do Atomic Force Microscopy (AFM) and reflection and transmission Scanning Near Field Microscopy (SNOM) measurements. This kind of microscope have three probes which are able to do simultaneaous mesurements of AFM, C-AFM, SNOM, Raman Microscopy and nanolitography. It is the first multi-probe microscope to be instaled in Latin America. This work consists in studying the structure of this kind of microscope, how does it make AFM and SNOM measurements and how to analise them. We study the different electronic circuits which are used in this kind of microscopes and we compare both optical and tuning-fork feedback. It was explain step by step how to do and AFM and SNOM measurement. We study the processing and analise of this measurements. Finally, we made some different measurements using this tecniques. Some of this measurements were compared with that found in references in order to try to find some possible aplications which could be useful for future researches at our laboratory. / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Neste trabalho realizamos uma revisão do funcionamento do Microscópio Raman Confocal Multipontas com Campo Próximo e Força Atômica modelo Multiview 4000 da empresa Nanonics. Atualmente, o microscópio Multiview 4000 do Laboratório de Caracterização e Microscopia de Materiais (LCMMAT) ainda não se encontra operando aos 100%. Ele encontra-se em fase de montagem, estando disponível hoje em dia para uso só o Microscópio de Força Atômica (AFM) e o Microscópio de Campo Próximo (SNOM) nos modos reflexão e transmissão. Este modelo de microscópio, o qual possui três ponteiras que são capazes de fazer medidas em simultâneo de AFM, C-AFM, SNOM e microscopia Raman Confocal, alem de poder fazer nanolitografia, é o primeiro a ser instalado na America Latina. Durante a realização do presente trabalho, estudamos a estrutura do microscópio, como ele realiza as medidas destas duas técnicas e como elas são feitas. No estudo estrutural do Microscópio foram descritos os princípios físicos que são usados para a formação da imagem, alem dos diferentes tipos de circuitos eletrônicos usados em equipamentos de este tipo. Explicou-se passo a passo como são feitas as medidas de AFM e de SNOM. Estudamos também como é feito o analise e o processamento das imagens. Finalmente foram mostradas algumas imagens que foram feitas usando o microscópio, e comparou-se com alguns resultados encontrados na bibliografia a fim de encontrar possíveis aplicações de cada uma das amostras aqui mostradas.

Tato diplomová práce se zabývá konstrukcí interferenčních zařízení pro výzkum měření fáze světla na mikro-strukturách a fáze plazmonů na nano-strukturách. V první kapitole je vybudován teoretický základ pro optiku a nano-fotoniku používané v budoucích kapitolách. Následně je popsána interference vln a jejich praktické použití pro prolomení difrakčního limitu pomocí holografie plazmonů. Prvním experimentální sestavou je Machův-Zehnderův holografický mikroskop. Je popsán způsob, jak ho sestavit z běžně dostupných součástek a jak je navržen ovládací software k jeho používání. Následně jsou popsány výsledky naměřené pomocí tohoto zařízení. V poslední kapitole se zaměříme na sestavení holografického SNOM přístroje pro studování plazmonů a jejich interference. Nejdříve popíšeme základní princip a navržení softwaru pro automatizaci měření, pro zrychlení vědeckých postupů. Nakonec předložíme výsledky měření mikroskopu.

Šiame darbe yra aptariamos elektroninės mikroskopijos technologijos, elektroninių mikroskopų pagrindiniai veikimo principai, jais gaunami vaizdai bei apdorojimo metodai, funkcionalumo praplėtimo galimybės. Ypatingas dėmesys yra skiriamas – Artimo lauko optinio skenavimo mikroskopijai (SNOM – Scanning Near-Field Optical Microscopy). Darbo eigoje suprojektuota ir sukurta programinė įranga, leidžianti prie SNOM tipo mikroskopo prijungti nestandartinį grįžtamojo signalo įrenginį - fotonų skaitiklį. Fotonų skaitiklis yra daug jautresnis už standartiškai naudojamą fotodaugintuvą, tai leidžia SNOM mikroskopu atlikti naujus eksperimentus, kaip fluorescencijos tyrimas, tiriamųjų objektų žymėjimas kvantiniais taškais ir kt. Suprojektuota programa valdo SNOM naudodama sąsajas su mikroskopo programine įranga, sinchronizuoja fotonų skaitikliu gaunamus rezultatus, generuoja vaizdus, pateikia galimybes juos išsaugoti įvairiais formatais. Atlikus programos funkcionalumo tyrimą realiomis sąlygomis, buvo atrasti ir pašalinti programos trūkumai (susiję su sinchronizacija ir SNOM zondo veikimo ypatumais), bei nustatytos fotonų skaitiklio greitaveikos ribos, maksimalios fotonų skaičiaus reikšmės, rekomenduojama matavimo periodo trukmė. Darbe naudojamo fotonų skaitiklio greitaveikos problemoms spręsti pasiūlytas fotonų skaitiklio vienlustės sistemos projektas. Vienlustei sistemai sukurti buvo naudojami duomenys, surinkti programinės įrangos kūrimo ir testavimo metu. Pateikiami vienlustės sistemos... [toliau žr. visą tekstą] / This paper describes technologies used in electronic microscopy, mainly SNOM (Scanning Near-Field Optical Microscopy) and functionality extension possibilities. Software that enables using a photon counting unit as a supplementary input device was designed and presented. The photon counting device is much more sensitive than standard input device, thus new experiments as fluorescence research and Q-dot marking becomes available. The designed software collects data from photon counting unit and utilizes scripts to link with default SNOM software that controls probe movement. While testing the software, issues related to latency and synchronization helped to find out timing limits and optimal probe movement paths. To improve quality and speed of the whole scanning process a system-on-chip (SoC) project is presented. The paper provides details of SoC design, operation and limitations.

Depuis une vingtaine d’années, l’optique bénéficie des avancées considérables de la microélectronique.Ainsi, il est maintenant possible de produire, guider, confiner ou encore ralentirla lumière sur puce à une échelle sub-longueur d’onde. Dans cette thèse, nous étudions de telscomposants par l’intermédiaire d’un microscope en champ proche optique (SNOM).La première partie présente une vision d’ensemble de la situation actuelle en nanophotoniqueintégrée sur substrat diélectrique. Elle expose plusieurs enjeux et faits marquants récents dansce domaine. Elle introduit également le principe physique et le fonctionnement d’un SNOMdans les grandes lignes.La seconde partie est consacrée à la microscopie en champ proche optique d’un point devue instrumental. Après une analyse physique, nous détaillons le montage de notre propremicroscope sur le banc de caractérisation optique du laboratoire, avant d’analyser la formationdes images optiques obtenues avec cette technique.La troisième partie concerne l’étude de guides d’onde couplés en Silicium sur isolant (SOI),dans lesquels s’intègrent des nano-cavités optiques. Les phénomènes de couplage par recouvrementde champs évanescents sont étudiés numériquement et analytiquement. L’analyse de cesstructures grâce au SNOM nous a permis d’une part de vérifier la validité de ces modèles, etd’autre part d’observer directement le guidage et le confinement de la lumière dans un milieude faible indice de réfraction. Nous montrons cependant que ces résultats restent très sensiblesaux aléas de fabrication. Enfin, nous mettons en évidence grâce au SNOM et à des mesuresspectrales que la description de structures de N cavités juxtaposées peut être approchée par lathéorie des modes couplés. / Since the end of the XXth century, optics benefits from significant breakthrough comingfrom the micro-electronic technologies. It is thus now possible to produce, guide, slow downor even trap light on a chip at a sub-wavelength scale. In this thesis, we study such opticalcomponents thanks to a Scanning Near-Field Optical Microscope (SNOM).The first part exposes an overall view of the current situation in the field of dielectricsubstrate integrated nanophotonics. Some of the recent outstanding issues and results are hereintroduced, as well as the general principle and the necessary tools to operate a SNOM.The second part is dedicated to optical near-field microscopy, technically speaking. Thephysical rules are here developed. Then we detail the instrumental set up of our own SNOMon our optical characterization bench. We end by analysing the optical images formation witha SNOM.The third part bears upon the study of Silicon-on-Insulator (SOI) coupled waveguides whereoptical nano-cavities could be inserted, by resorting to the previously implemented SNOM.Overlapping evanescent fields induced coupling phenomena are numerically and analyticallystudied. The use of the SNOM allowed us here to check the validity of our models. Besides,we have directly observed thanks to this instrument the guiding and confinement of light ina low refractive index media. However, we show that this phenomenon is highly subjected tofabrication uncertainties. Finally, we use the SNOM and spectral measurements in order todemonstrate that systems of N coupled nanocavities could be described with a simple coupledmodes model.

Les structures à cristaux photoniques bidimentionnels ont permis la fabrication d'une large variété de composants nanophotoniques. En particulier, dans les PC parfaits, la densité locale d'états optiques se trouve exacerbée au niveau des points de symétrie du diagramme de bande. Près de ces points, où la vitesse de groupe tend vers zéro, la faible courbure de bande courbure de bande donne lieu à des modes stationnaires, dits de lumière "lente" (ou modes de Bloch lents). Les propriétés de la lumière lente en font de bons candidats pour améliorer l'effet Purcell, pour produire des effets non-linéaires ou pour concevoir des lasers à faible seuil. Parmi ces modes, les modes de Bloch lent émettant dans la direction verticale, c'est à dire situé au niveau du point Γ de la zone de Brillouin, sont particulièrement intéressants pour intégrer des architectures 2D avec de l'optique en espace libre. En particulier, certains de ces modes ont permis la réalisation d'émission laser dans la 3e direction avec des propriétés de polarisation particulières. D'autres applications prometteuses concernent le désordre : en introduisant un désordre aléatoire mais contrôlé dans la structure photonique, il est possible d'induire une transition entre le mode de Bloch lent de la structure ordonnée vers un mode localisé par le désordre, de type localisation d'Anderson dans une structure faiblement désordonnée.Dans cette thèse, les modes de Bloch lents ont été étudiés et caractérisés en Microscopie optique en champ proche. Nous nous sommes concentrés sur les modes en Gamma de la structure graphite. Le SNOM a permis de visualiser la composante évanescente du mode avec une résolution spatiale inférieure à la limite de diffraction. Dans ce travail, nous avons montré que le champ lointain et de l'image en champ proche du mode à la surface du cristal photonique sont différentes et que seules les mesures en champ proche permettent de rendre compte du mode réel à l'intérieur de la membrane de cristal photonique, en accord avec prédiction théorique. L'importance du choix de la sonde (silice, pointe métallisée, Nano-antenne) pour l'étude des structures à cristaux photoniques a également été démontrée. Outre la mesure d'intensité du champ électromagnétique, la polarisation du champ électrique a été mesurée à l'échelle nanométrique pour la première fois par l'aide d'une antenne à ouverture papillon. Ces résultats permettent d'identifier sans équivoque des modes avec les simulations 3D-FDTD.Dans ce travail est également rapporté la première observation de la localisation de la lumière dans deux types de lasers aléatoires à base de cristaux photoniques bidimensionnels. Le caractère aléatoire est introduit soit en déplaçant les positions des motifs du cristal (trous d'air), soit en faisant varier de façon aléatoire le diamètre des trous. Pour la première fois nous avons observé directement par SNOM la localisation de la lumière dans le cristal désordonné. Cela nous a permis d'observer la transition de morphologie du mode de Bloch lent entre le cristal ordonné et le cristal désordonné. / 2D-Photonic crystal (PC) structures have enabled the fabrication of a wide variety of nanophotonic components. In perfect PCs, the exploitation of the enhanced local density of states at critical points of the band diagram has attracted considerable attention. Near these points, where the group velocity vanished, low curvature flat bands give rise to delocalized and stationary optical slow Bloch modes (or slow light modes). Properties of slow light make them good candidates to enhance Purcell or various non-linear effects or to design low-threshold lasers. Among these modes, slow Bloch modes (SBMs) emitting in the vertical direction, i.e. located at the Γ- point of the Brillouin zone are particularly interesting for integrating 2D PC architectures with free space optics. In particular, some SBMs proved to be suitable for achieving strong vertical emission with peculiar polarization properties. Other promising applications concern disorder: by introducing a controlled randomness into the PC structure, it is possible to induce a transition from slow Bloch mode (in ordered PC) to Anderson’s localization (in disordered PC) as a function of disorder degree. In this PhD dissertation, Slow Bloch modes have been studied and characterized by the means of Near-field Scanning Optical microscopy (NSOM). We particularly focused on Slow Bloch laser mode at Γ- point of a honeycomb 2DPC. This NSOM technique enables to visualize the evanescent component of the mode with a spatial resolution below the diffraction limit. In this work, we showed that the far-field and the near-field image of the mode at the 2D-PC surface are different and that near-field results yield a better insight in the real mode structure inside the PC slab in agreement with theoretical prediction. The importance of the probe selection (bare silica, metallized tip and bow-tie aperture nanoantenna) for studying III-V photonic crystal structures was also demonstrated. Besides intensity measurement of the electromagnetic field, the polarization of the electric field has been measured at the nanoscale for the first time by using a bow-tie nano-antenna probe. These results enable the unambiguous identification of the modes with the 3D-FDTD simulations.In this work is also reported the first observation of two-dimensional localization of light in two types of 2D random photonic crystal lasers, where Slow Bloch Mode (SBM) is scattered by artificial structural randomness in triangular PCs. The structural randomness is introduced whether by nanometer displacements in the positions of lattice elements (air holes), whether by variation of the hole diameters. The direct near-field imaging of the lasing mode by use of NSOM for the first time, allowed us to observe the transition of the extended planar SBM to be Anderson localized.

Depuis quelques années, la communauté scientifique internationale s'intéresse fortement aux transmissions exaltées de la lumière à travers des films métalliques nanostructurés (ou « tamis à photons ») dans le domaine du visible et de l'infra-rouge. Ces tamis à photons offrent en effet de nombreuses applications dans le domaine de la nanophotonique (microscopie, fluorescence, SERS, génération de second harmonique, lithographie, filtrage, modulation...). Dans ce travail de thèse, nous proposons d'utiliser comme nano-structure une matrice d'ouvertures annulaires percées dans un film opaque d'or ou d'argent. Ce type de cavités coaxiales rend possible l'excitation d'un mode guidé qui permet d'atteindre des transmissions nettement supérieures (90%) à celles obtenues par des tamis à photons basés sur des résonances plasmons. L'étude théorique utilise une méthode numérique basée sur les différences finies dans le domaine temporel pour résoudre les équations de Maxwell. L'influence des paramètres géométriques (diamètre intérieur et extérieur des ouvertures, période de la matrice, épaisseur du film métallique) et de la nature du métal est ainsi étudiée de façon à optimiser la configuration et d'obtenir une forte transmission dans le domaine du visible. Une cartographie du champ à l'intérieur des cavités ainsi qu'à la surface du métal est également calculée afin de caractériser l'exaltation du champ à l'intérieur des cavités et de déterminer la nature du mode guidé. Ce travail théorique s'appuie sur des caractérisations expérimentales effectuées en champ proche et en champ lointain. L'étude en champ proche a permis de cartographier le champ électrique au voisinage immédiat des ouvertures annulaires : la structure expérimentale met en évidence le rôle fondamental du mode TE11 dans l'exaltation de la transmission. Parallèlement, des spectres expérimentaux obtenus en champ lointain confirment, pour un film d'argent, une transmission d'environ 90% en parfait accord avec les prévisions théoriques. Ce résultat constitue, à notre connaissance, une première mondiale et offre de nombreuses perspectives quant aux applications possibles de tels tamis à photons à ouvertures annulaires.

La communauté scientifique internationale s'intéresse fortement aux transmissions exaltées de la lumière à travers des films métalliques nano-structurés ou tamis à photons. Ces structures offrent de nombreuses applications dans le domaine de la nanophotonique. Nous proposons d'utiliser comme nano-structure une matrice d'ouvertures annulaires percées dans un film opaque d'or ou d'argent. Ces cavités coaxiales rendent possible l'excitation d'un mode guidé permettant d'atteindre des transmissions supérieures à celles obtenues par des tamis à photons basés sur des résonances plasmons. <br />L'étude théorique utilise une méthode numérique basée sur les différences finies dans le domaine temporel pour résoudre les équations de Maxwell. L'influence des paramètres géométriques et de la nature du métal est étudiée de façon à obtenir une forte transmission dans le domaine du visible. Une cartographie du champ à l'intérieur des cavités et à la surface est calculée pour caractériser l'exaltation du champ et déterminer la nature du mode guidé.<br />Ce travail théorique s'appuie sur des caractérisations expérimentales effectuées en champ proche et en champ lointain. L'étude en champ proche a permis de cartographier le champ électrique au voisinage immédiat des ouvertures annulaires : la structure expérimentale met en évidence le rôle fondamental du mode TE11 dans l'exaltation de la transmission. Des spectres expérimentaux obtenus en champ lointain confirment, pour un film d'argent, une transmission d'environ 90 % en parfait accord avec les prévisions théoriques. Ce résultat constitue, à notre connaissance, une première mondiale.

Near-field optical microscopy allows the nondestructive examination of surfaces with a spatial resolution far below the diffraction limit of Abbe. In fact, the resolution of this kind of microscope is not at all dependent on the wavelength, but is typically in the range of 10 to 100 nanometers. On this scale, many materials are anisotropic, even though they might appear isotropic on the macroscopic length scale. In the present work, the previously never studied interaction between a scattering-type near-field probe and an anisotropic sample is examined theoretically as well as experimentally. In the theoretical part of the work, the analytical dipole model, which is well known for isotropic samples, is extended to anisotropic samples. On isotropic samples one observes an optical contrast between different materials, whereas on anisotropic samples one expects an additional contrast between areas with different orientations of the same dielectric tensor. The calculations show that this anisotropy contrast is strong enough to be observed if the sample is excited close to a polariton resonance. The experimental setup allows the optical examination in the visible and in the infrared wavelength regimes. For the latter, a free-electron laser was used as a precisely tunable light source for resonant excitation. The basic atomic force microscope provides a unique combination of different scanning probe microscopy methods that are indispensable in order to avoid artifacts in the measurement of the near-field signal and the resulting anisotropy contrast. Basic studies of the anisotropy contrast were performed on the ferroelectric single crystals barium titanate and lithium niobate. On lithium niobate, we examined the spectral dependence of the near-field signal close to the phonon resonance of the sample as well as its dependence on the tip-sample distance, the polarization of the incident light, and the orientation of the sample. On barium titanate, analogous measurements were performed and, additionally, areas with different types of domains were imaged and the near-field optical contrast due to the anisotropy of the sample was directly measured. The experimental results of the work agree with the theoretical predictions. A near-field optical contrast due to the anisotropy of the sample can be measured and allows areas with different orientations of the dielectric tensor to be distinguished optically. The contrast results from variations of the dielectric tensor components both parallel and perpendicular to the sample surface. The presented method allows the optical examination of anisotropies of a sample with ultrahigh resolution, and promises applications in many fields of research, such as materials science, information technology, biology, and nanooptics. / Die optische Nahfeldmikroskopie ermöglicht die zerstörungsfreie optische Unter- suchung von Oberflächen mit einer räumlichen Auflösung weit unterhalb des klas- sischen Beugungslimits von Abbe. Die Auflösung dieser Art von Mikroskopie ist unabhängig von der verwendeten Wellenlänge und liegt typischerweise im Bereich von 10-100 Nanometern. Auf dieser Längenskala zeigen viele Materialien optisch anisotropes Verhalten, auch wenn sie makroskopisch isotrop erscheinen. In der vorliegenden Arbeit wird die bisher noch nicht bestimmte Wechselwirkung einer streuenden Nahfeldsonde mit einer anisotropen Probe sowohl theoretisch als auch experimentell untersucht. Im theoretischen Teil wird das für isotrope Proben bekannte analytische Dipol- modell auf anisotrope Materialien erweitert. Während fÄur isotrope Proben ein reiner Materialkontrast beobachtet wird, ist auf anisotropen Proben zusätzlich ein Kontrast zwischen Bereichen mit unterschiedlicher Orientierung des Dielektrizitätstensors zu erwarten. Die Berechnungen zeigen, dass dieser Anisotropiekontrast messbar ist, wenn die Probe nahe einer Polaritonresonanz angeregt wird. Der verwendete experimentelle Aufbau ermöglicht die optische Untersuchung von Materialien im sichtbaren sowie im infraroten Wellenlängenbereich, wobei zur re- sonanten Anregung ein Freie-Elektronen-Laser verwendet wurde. Das dem Nahfeld- mikroskop zugrunde liegende Rasterkraftmikroskop bietet eine einzigartige Kombi- nation verschiedener Rastersondenmikroskopie-Methoden und ermöglicht neben der Untersuchung von komplementären Probeneigenschaften auch die Unterdrückung von mechanisch und elektrisch induzierten Fehlkontrasten im optischen Signal. An den ferroelektrischen Einkristallen Lithiumniobat und Bariumtitanat wurde der anisotrope Nahfeldkontrast im infraroten WellenlÄangenbereich untersucht. An eindomÄanigem Lithiumniobat wurden das spektrale Verhalten des Nahfeldsignals sowie dessen charakteristische Abhängigkeit von Polarisation, Abstand und Proben- orientierung grundlegend untersucht. Auf Bariumtitanat, einem mehrdomänigen Kristall, wurden analoge Messungen durchgeführt und zusätzlich Gebiete mit ver- schiedenen Domänensorten abgebildet, wobei ein direkter nachfeldoptischer Kon- trast aufgrund der Anisotropie der Probe nachgewiesen werden konnte. Die experimentellen Ergebnisse dieser Arbeit stimmen mit den theoretischen Vorhersagen überein. Ein durch die optische Anisotropie der Probe induzierter Nahfeldkontrast ist messbar und erlaubt die optische Unterscheidung von Gebie- ten mit unterschiedlicher Orientierung des Dielektriziätstensors, wobei eine Än- derung desselben sowohl parallel als auch senkrecht zur Probenoberfläche messbar ist. Diese Methode erlaubt die hochauflösende optische Untersuchung von lokalen Anisotropien, was in zahlreichen Gebieten der Materialwissenschaft, Speichertech- nik, Biologie und Nanooptik von Interesse ist.

This thesis deals with an experimental research of the surface plasmon polaritons (SPPs) using Scanning Near-field Optical Microscopy (SNOM). The first chapter provides theoretical background and a description of most of the physical phenomena and relevant dependencies studied in this work. These dependencies include the dependence of the resulting SPP image on homogeneity, polarization, wavelength and phase of the illumination, on the geometry of the interference structures and on the tilt of the sample with respect to the illumination. Further, this work presents a new experimental method which, using the numerical simulations or SNOM measurements, allows to estimate the sensitivity of SNOM probe to detect the individual electric intensity components of the near-field. At the end of the thesis, the work presents a new microscopic technique which enables a 3D quantitative imaging of phase distribution above the plasmonic metasurfaces.

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.