Les sources infrarouges sont indispensables à la détection locale de gaz dans de nombreux domaines, que ce soit pour l'environnement (détection de polluants et gaz à effets de serre) ou la défense (détection de menaces biologiques et chimiques). Elles sont également nécessaires en tant que mires de calibration pour le développement de caméras multispectrales infrarouges. Pour toutes ces applications, il est nécessaire de disposer de sources performantes, capables d'émettre un rayonnement spécifique dans une direction donnée. L'objectif de cette thèse est de concevoir des sources thermiques infrarouges compactes et à coût modéré, à spectre accordable et à pertes réduites, pouvant être juxtaposées dans un même dispositif. Pour cela, ces travaux s'organisent autour de deux axes. Le premier concerne l'étude de nouveaux matériaux nanostructurés résonants, appelés métamatériaux ou métasurfaces selon les directions de la structuration, permettant de contrôler l'émissivité spectrale et spatiale afin de maîtriser la réponse spectrale en tout point. Cette étude repose à la fois sur des simulations numériques et sur des mesures expérimentales et démontre le potentiel de ces résonateurs pour la conception de sources thermiques accordables. Cependant, ces matériaux étant composés de métal, ils présentent des pertes par absorption dans l'infrarouge qui limitent leurs performances. Le deuxième axe de recherche est alors de gérer les pertes liées à l'utilisation de métaux grâce à une ingénierie des champs dans des métamatériaux, menant à des émissions spectralement très fines. Les résultats obtenus sur ce contrôle des pertes ouvrent de nombreuses perspectives pour tout le domaine des métamatériaux. / Infrared sources are essential for local gas detection for civil applications (detection of pollutant and greenhouse gas) or military applications (detection of chemical and biological threats). They are also used as calibration targets for the development of multispectral infrared cameras. For these applications, the sources must be efficient and able to emit a specific light in a given direction. The aim of this thesis is to develop infrared thermal emitters with the following features: low cost with a compact volume, with a tunable spectral response and low losses, able to be juxtaposed on the same device. This work begins with the study of new resonant nanostructured materials, called metamaterials or metasurfaces according to the direction of the structuration, that spectrally and spatially control the emitted light up to the wavelength scale. This study relies on numerical simulations and experimental measurements and demonstrates the potential of these resonators as tunable thermal sources. However, due to the use of metals in these materials, their performance is limited by metal losses. The second study of this work is then to deal with these losses thanks to a field engineering in metamaterials, leading to very narrow spectral responses. The results on this loss control open up promising breakthroughs in the plasmonic and metamaterials field

Les nanostructures métalliques sont le siège de résonances plasmoniques qui permettent de confiner le champ électromagnétique et de contrôler la lumière à une échelle très sublongueur d'onde. Les travaux de cette thèse portent en premier lieu sur la conception de structures plasmoniques agissant en absorption. Dans cette thèse, j'ai dimensionné, fabriqué et caractérisé des résonateurs métal / isolant / métal verticaux (sillons à grand rapport d'aspect) qui présentent une absorption totale dans l'infrarouge. Par ailleurs, j'ai étudié le couplage fort dans ces résonateurs qui mène à de très grands facteurs de qualité. Je montre qu'on peut également coupler plusieurs résonateurs pour faire du tri de photons et de l'absorption large bande. D'autre part, les systèmes plasmoniques deviennent plus complexes, et leur dimensionnement rapide passe par une réduction du temps de calcul. J'ai développé une méthode modale basée sur les B-splines qui permet, grâce à l'utilisation de matrices creuses, d'accélérer les calculs. De telles méthodes peuvent être utilisées conjointement avec un algorithme métaheuristique pour dimensionner des fonctions optiques, par exemple un absorbant large bande ou un filtre passe bande.

Dans le moyen infrarouge, il n’existe pas à l’heure actuelle de source bon marché, compacte et modulable rapidement en amplitude. L’émission thermique est souvent écartée à cause des propriétés du rayonnement de corps noir : il est large spectralement, isotrope, non polarisé et la fréquence de modulation en intensité est limitée à quelques hertz par l’inertie thermique des émetteurs.Cependant, aucune limite fondamentale n’impose ces inconvénients. L’objectif de cette thèse est de concevoir, fabriquer et caractériser des sources infrarouges incandescentes, de spectre et polarisation contrôlés, modulables au-delà du mégahertz. Les dispositifs que nous présentons reposent sur la modulation rapide de la température d’un émetteur de faible épaisseur, posé sur un substrat qui demeure froid : en effet, la conduction permet de le refroidir en un temps qui dépend quadratiquement de l’épaisseur.Dans un premier temps, nous présentons une source émettant en bande II (3 – 5 microns) fondée sur le principe de l’écran de Salisbury ; sa réponse en fréquence est caractérisée jusqu’à la dizaine de mégahertz.Puis nous modifions cette structure pour utiliser un réseau métallique sub-longueur d’onde et faisons ainsi la démonstration d’une source en bande II modulable et polarisée linéairement.Enfin, nous proposons plusieurs dispositifs pouvant rayonner avec une polarisation circulaire ainsi qu’une source en bande III (8 – 12 microns) constituée d’une métasurface de nano-émetteurs chauds couplés à des nano-antennes froides. / Currently, there is no available source in the mid-infrared range which can be cheap, compact, and whose intensity can be modulated at high frequency. For this purpose, thermal radiation is often considered irrelevant because of the blackbody properties: it is intrinsically broadband, isotropic, unpolarized and the intensity modulation rate is usually limited to a few hertz by thermal inertia.However, there is no fundamental limit that imposes these properties. The goal of this thesis is to design, fabricate and experimentally characterize infrared incandescent sources with a controlled spectrum and polarization and with an intensity that can be modulated faster than 10 megahertz. We present devices which rely on fast temperature modulation of a thin emitter placed on a cold substrate. Indeed, thanks to heat conduction, this emitter can cool down within a characteristic time which varies as the square of its thickness.Firstly, we show a device emitting in MWIR (mid-wave infrared, 3 – 5 microns) based on the Salisbury screen’s principle. We characterize its frequency response up to 10 MHz.Then, we modify this structure and use instead a sub-wavelength metallic grating, thus demonstrating a MWIR source linearly polarized with the same modulation properties.Finally, we propose several devices which can emit circularly polarized infrared radiation and a source operating in LWIR (long-wave infrared, 8 – 12 microns) consisting in a metasurface of hot nano-emitters coupled to cold nano-antennas.

Au cours des dernières années, la communauté scientifique s'est intéressée de plus en plus à l'acquisition de sources d'énergie renouvelables vertes et propres par rapport aux combustibles fossiles traditionnels. Le rayonnement solaire est une source particulièrement abondante d'énergie renouvelable qui a été largement utilisée dans les véhicules, les machines et les bâtiments, entre autres. Il y a généralement deux manières différentes d'utiliser l'énergie solaire: la chaleur et l'électricité. La principale motivation de ce travail de thèse est d'utiliser cette abondante source d'énergie pour produire une petite fraction de la tension et du courant continu de sortie. Puisque le spectre solaire se situe dans les longueurs d'onde à l'échelle nanométrique ou dans la bande térahertz, les antennes optiques seront utilisées comme une nouvelle technologie de nanotechnologie pour capter et récolter l'énergie solaire. Les antennes optiques ont des propriétés similaires à celles de leurs homologues micro-ondes, mais leur avantage réside dans des moyens sans précédent pour adapter les champs électromagnétiques dans tous leurs aspects et applications. Par conséquent, avec les détails mentionnés ci-dessus, l'idée principale de cette thèse est de capturer le rayonnement infrarouge solaire et l'utiliser pour produire une tension continue de sortie. La première partie de cette thèse est consacrée à la compréhension du fonctionnement de la collecte d'énergie par radiofréquence (RF) et à la présentation d'un concept de rectenna. La deuxième partie traite de l'introduction et de la simulation d'antennes optiques à base de résonateurs diélectriques (DR) car elles offrent moins de pertes à la bande THz. Deux conceptions de DR différentes sont proposées fonctionnant à la fréquence centrale de 193,5 THz (longueur d'onde 1550 nm). La troisième partie traite de la contribution principale à ce travail en termes de conception, simulation et fabrication d'une antenne optique Yagi-uda à haut gain et large bande. La technique de lithographie par faisceau d'électrons est utilisée pour réaliser la structure proposée. En dehors de la conception de l'élément unique Yagi-uda, diverses configurations de réseau ont été simulées avec la réalisation d'un réseau d'éléments 100 x 100 fabriqué sur un substrat de silicium. Pour produire une certaine quantité de tension de sortie, deux techniques ont été utilisées pour tester le réseau d'antennes optiques Yagi-uda. La première technique impliquait l'intégration du réseau Yagi-uda avec une diode fermionique du commerce qui produisait une tension de sortie de 0,15 V par excitation à partir d'une lumière visible et de 0,52 V par excitation directe à partir d'un laser à 1550 nm. La deuxième technique est basée sur la dissipation thermique entre des métaux dissemblables produisant une tension de sortie. Quatre lasers à longueurs d'onde différents (532 nm, 650 nm, 940 nm et 1550 nm) ont excité trois conceptions de nantenna réalisées. Parmi ces conceptions, la tension de sortie maximale de 0,82 V a été produite par le réseau Yagi-uda lorsqu'il est excité via un laser de 1550 nm. / Recent years have witnessed an increased interest by the scientific community to acquire green and clean renewable sources of energy compared to traditional fossil fuels. Solar radiation is one particular abundant source of renewable energy that has been widely applied in vehicles, machines, and buildings, among others. There are generally two different ways in which solar energy is used – heat and electricity. The main motivation of this thesis work is to utilize that abundant source of energy in producing a small fraction of output DC voltage and current. Since the solar spectrum lies in the nano scale wavelengths or terahertz band, optical antennas as a novel nano fabrication technology will be used to capture and harvest the solar energy. Optical antennas have properties similar to their microwave counterparts, but the advantage they have is in terms of unprecedented means to tailor electromagnetic fields in all its aspects and applications. Therefore, with the aforementioned details, the main idea of this thesis is to capture the solar infrared radiation and utilize it for producing output DC voltage. The first part of this thesis is dedicated to understanding the working of radio frequency (RF) energy harvesting and presenting a rectenna design. The second part deals with the introduction and simulation of optical antennas based of dielectric resonators (DR) as they offer fewer losses at the THz band. Two different DR designs are proposed working at the center frequency of 193.5 THz (1550 nm wavelength). The third part discusses the main contribution to this work in terms of design, simulation and fabrication of a high gain and wideband Yagi-uda optical antenna. E-beam lithography technique is used to realize the proposed structure. Apart for the single element Yagi-uda design, various array configurations have been simulated with realization of a 100 x 100 elements array fabricated on a silicon substrate. To produce a certain amount of output voltage, two techniques were deployed in testing the realized Yagi-uda optical antenna array. The first technique involved integration of the Yagi-uda array with a commercial fermionic diode that produced output voltage of 0.15 V via excitation from a visible light and 0.52 V with direct excitation from a 1550 nm laser. The second technique is based on thermal dissipation among dissimilar metals producing an output voltage. Four different wavelength (532 nm, 650 nm, 940 nm and 1550 nm) lasers excited three realized nantenna designs. Among these designs, the maximum output voltage of 0.82 V was produced by the Yagi-uda array when excited via 1550 nm laser.

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-objets concernent des domaines variés tels que les nano-sources de lumière, la photovoltaïque, la microscopie, la spectroscopie... Les propriétés physiques de ces nano-antennes dépendant essentiellement de leur nature, leurs tailles et leurs géométries, la caractérisation 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.

Les nanostructures d'or peuvent être utilisées comme antennes optiques : elles se couplent à un émetteur ou récepteur de photons en champ proche et amplifient l'interaction de celui-ci avec le champ lointain. Nous montrons ici comment des dimères de nanoparticules d'or assemblés autour d'un brin d'ADN fonctionnent comme des antennes aux fréquences optiques, alimentées par un émetteur quantique unique. L'électrophorèse permet d'isoler des nanoparticules de 36 nm de diamètre fonctionnalisées par un seul monobrin d'ADN de 30 ou 50 bases et, après hybridation de séquences complémentaires, de dimères de géométries contrôlées. Les fréquences de résonance de ces assemblages indiquent un décalage spectral vers le rouge pour des distances interparticules réduites ; en excellent accord avec des calculs théoriques corrélés à une étude topologique par microscopie électronique cryogénique. En alimentant ces dimères par une unique molécule d'ATTO647N, nous produisons des sources de photons uniques dont les taux d'émission spontanée sont exaltés de deux ordres de grandeur par rapport à des fluorophores isolés. Les taux de désexcitation mesurés sur plusieurs centaines de molécules uniques (isolées et en présence d'une ou deux nanoparticules d'or) coïncident quantitativement avec les exaltations estimées en théorie de Mie. Des mesures d'ensemble par spectroscopie de corrélation de fluorescence indiquent également une exaltation de plus d'un ordre de grandeur des coefficients d'extinction molaire et un gain en signal de fluorescence pour les dimères les plus courts malgré une réduction notable du rendement quantique. En modifiant fondamentalement l'environnement électromagnétique local, ces nanostructures hybrides offrent une nouvelle voie d'ingénierie des propriétés photochimiques de systèmes moléculaires.

Dans la première partie de cette thèse, nous tirons parti du concept de nano-antenne optique afind'apporter une solution innovante au problème d'interprétation de la microscopie champ procheoptique (SNOM). En effet, il est connu que certaines nano-antennes développent des réponsesoptiques dipolaires. Dans cette thèse nous démontrons comment l'utilisation d'une nano-ouverturepapillon (nano-antenne dipolaire), à l'extrémité d'une pointe SNOM, permet de détecter et collecteruniquement une seule composante du champ proche électrique. Ce résultat est démontré d'unpoint de vue théorique par l'utilisation de simulation FDTD (Finite Difference Time Domain) et d'unpoint de vue expérimental par la caractérisation, par cette pointe innovante, d'échantillonsdiélectriques (réseaux, cristaux photoniques) et métalliques (milieux désordonnés plasmoniques).Dans une deuxième partie, nous démontrons comment la sonde développée dans la premièrepartie, peut être utilisée comme détecteur du signal émis par un nano-émetteurs (NE) unique. Il estétudié dans cette partie l'effet de couplage entre ces deux objets. Dans un premier temps, après ladescription complète des grandeurs caractéristiques d'un NE, nous démontrons théoriquementl'effet de la pointe sur la réduction du temps de vie de l'état excité et l'augmentation de lafluorescence d'un NE, en régime saturé et non saturé. Puis dans un deuxième temps nousdémontrons expérimentalement comment cette sonde réduit le temps de vie de l'état excité deboites quantiques placées à son extrémité, en comparaison de pointes SNOM plus conventionnellestelle que la pointe diélectrique et la pointe à ouverture circulaire.

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.

Dans la première partie de cette thèse, nous tirons parti du concept de nano-antenne optique afind'apporter une solution innovante au problème d'interprétation de la microscopie champ procheoptique (SNOM). En effet, il est connu que certaines nano-antennes développent des réponsesoptiques dipolaires. Dans cette thèse nous démontrons comment l’utilisation d’une nano-ouverturepapillon (nano-antenne dipolaire), à l’extrémité d’une pointe SNOM, permet de détecter et collecteruniquement une seule composante du champ proche électrique. Ce résultat est démontré d’unpoint de vue théorique par l’utilisation de simulation FDTD (Finite Difference Time Domain) et d’unpoint de vue expérimental par la caractérisation, par cette pointe innovante, d´échantillonsdiélectriques (réseaux, cristaux photoniques) et métalliques (milieux désordonnés plasmoniques).Dans une deuxième partie, nous démontrons comment la sonde développée dans la premièrepartie, peut être utilisée comme détecteur du signal émis par un nano-émetteurs (NE) unique. Il estétudié dans cette partie l’effet de couplage entre ces deux objets. Dans un premier temps, après ladescription complète des grandeurs caractéristiques d’un NE, nous démontrons théoriquementl’effet de la pointe sur la réduction du temps de vie de l’état excité et l’augmentation de lafluorescence d’un NE, en régime saturé et non saturé. Puis dans un deuxième temps nousdémontrons expérimentalement comment cette sonde réduit le temps de vie de l’état excité deboites quantiques placées à son extrémité, en comparaison de pointes SNOM plus conventionnellestelle que la pointe diélectrique et la pointe à ouverture circulaire. / In the first part of this manuscript, we use in our advantage the concept of optical nano-antennas, toget new solutions on the interpretation problems of scanning near-field optical microscope (SNOM)images. Indeed, it is known that some of the developed nano-antennas can express dipolarbehaviours. In this manuscript, we show how a bowtie nano-aperture (dipolar nano-antenna)embedded at the apex of a SNOM probe, can be used to detect and collect only one component ofthe electric near-field. This result is demonstrated as well theoretically, by the use of FDTD (FiniteDifference Time Domain) codes, as experimentally, by the characterisation with this tip, of dielectricsamples (diffraction grating and photonic crystals) and metallic ones (random plasmonic medium).In a second part, we show how the tip previously described, can be used as a detector of the signalfrom single emitter (SE). We study in this part the coupling and interactions between those twoobjects. After a full description of a two level system characteristics, we show theoretically the effectof our probe on the reduction of the excited state life time and the enhancement of thefluorescence of the SE, in both regime, saturated and non-saturated. Then we describeexperimentally how our special tip reduces the excited state life time of quantum dots placed at theapex of it, respect to more conventional SNOM probes as the dielectric and the circular apertureones.

Un des problèmes majeurs et non encore résolu en microscopie optique champ proche est le choix de l'émetteur ou du capteur optimal. Parmi les techniques développées, l'utilisation de sondes métalliques a conduit aux résolutions les plus élevées. L'inconvénient de ces nano-sondes réalisées à partir de fil métallique, est leur opacité. Une solution hybride combinant un milieu transparent et une couche métallique, par exemple une fibre optique taillée en pointe et métallisée, présente l'intérêt à la fois du guidage de la lumière et de l'existence d'un certain confinement du champ lumineux. Toutefois ces nano-sondes, largement utilisées, présentent de nombreux inconvénients dont le principal est la faible quantité de lumière transmise ou captée. L'introduction du concept de pointe fonctionnalisée est envisagée dans ce travail afin de remédier à cette carence, en optimisant par segmentation adéquate de la couche métallique, le transfert électromagnétique de ou vers la pointe. Il s'agit ni plus ni moins de la transposition dans le domaine optique du principe de l'antenne segmentée. Ce travail constitue le début d'un vaste sujet de recherche portant sur la fonctionnalisation des sondes destinées à la microscopie champ proche. Nous avons réalisé dans cette étude le cas d'un anneau métallique nanométrique suivant deux approches, théorique et expérimentale, menées en parallèle. Pour l'approche théorique, nous nous sommes appuyés sur des simulations numériques à partir d'un code de calcul commercial basé sur des différences finies spatio-temporelles FDTD, et sur une approche analytique modale d'un cylindre métallique infini. Pour la partie expérimentale, nous avons mis en place des procédés de fabrication d'anneaux nanométriques assistée par lithographie électronique classique et nous proposons un procédé original qui combine la lithographie électronique et une attaque ionique argon, afin de surmonter les limites de résolution imposées par les performances de nos appareillages (MEB). Toutes ces techniques ont été réalisées au sein de la centrale de technologie MIMENTO de l'Institut FEMTO-ST.