Surface polaritons, i.e., collective oscillations of the surface charges, strongly influence the optical response at the micro- and nanoscale and have to be accounted for in modern nanotechnology. Within this thesis, certain basic phenomena involving surface polaritons are investigated by means of the semianalytical multiple-multipole (MMP) method. The results are compared to experiments. In the first part, the surface plasmon resonance (SPR) of metal nanoparticles is analyzed. This resonant collective oscillation of the free electrons in a metallic nanoparticle leads to an enhancement and confinement of the local electric field at optical frequencies. The local electric field can be further increased by tailoring the shape of the particle or by using near-field-interacting dimers or trimers of gold nanospheres. The hot spots found under such conditions increase the sensitivity of surface-enhanced Raman scattering by several orders of magnitude and simultaneously reduce the probed volume, thereby providing single-molecule sensitivity. The sub-wavelength-confined strong electromagnetic field associated with a SPR provides the basis for scattering-type near-field optical microscopy or tip-enhanced Raman spectroscopy, where the metal particle serves as a probe that is scanned laterally in the vicinity of a substrate. The presence of the latter causes a characteristic shift of the SPR towards lower frequencies. This effect originates in the near-field interaction of the surface charges on the objects. Furthermore, the excitation of higher-order modes becomes possible in case of an excitation by a strongly inhomogeneous wave, such as an evanescent wave. These modes may significantly contribute to the near field but have only very little influence on the far-field signature. Instead of using resonant probes, one may place a nonresonant probe in the vicinity of a substrate having a high density of electromagnetic surface states. This also produces a resonance of the light scattering by the system. Especially polar crystals, such as the investigated silicon carbide, feature such a high density of surface phonon polariton states in the mid-infrared spectral region, which can be excited due to the near-field interaction with a polarized particle. Thereby, a resonance is created leading to a strong increase of the electric field at the interface. In the second part of the thesis, special emphasis is put on surface plasmon polaritons (SPPs). Such propagating surface waves can be excited directly by plane waves only at patterned interfaces. This process is studied for the case of a groove. The groove breaks the translational invariance, so that the SPPs can be launched locally at the edges of the groove. Additionally, the mode(s) inside the groove are excited. These modes can basically be understood as metal-insulator-metal cavity modes. Their dispersion strongly depends on the groove width. The cavity behavior caused by the finite depth provides another degree of freedom for optimizing the SPP excitation by plane waves. Thin metallic films deposited on glass offer two different SPP waveguide modes, each of which can be addressed preferentially by a proper choice of the width of the groove. The reflection, transmission, scattering, and the conversion of the modes at discontinuities such as edges, steps, barriers, and grooves can be controlled by appropriately designing the geometry at the nanoscale. Furthermore, the excitation of SPPs at single and multiple slits in thin-film metal waveguides on glass and their propagation and scattering is shown by scanning near-field optical experiments. Such waveguide structures offer a means for transporting light in a confined way. Especially triangularly shaped waveguides can be used to guide light in sub-wavelength spaces. / Die Wechselwirkung von elektromagnetischer Strahlung mit subwellenlängenkleinen Teilchen bzw. Oberflächenstrukturen ermöglicht nicht nur eine Miniaturisierung optischer Geräte, sondern erlaubt sehr interessante Anwendungen, beispielsweise in der Sensorik und Nahfeldoptik. In der vorliegenden Arbeit werden die zu Grunde liegenden Effekte im Rahmen der klassischen Elektrodynamik mit Hilfe der semianalytischen Methode der multiplen Multipole (MMP) analysiert, und die Ergebnisse werden mit Experimenten verglichen. Im ersten Teil werden Oberflächenplasmonenresonanzen (engl. surface plasmon resonance - SPR) einzelner und wechselwirkender Metallteilchen untersucht. Die dabei auftretende resonante kollektive Schwingung der freien Elektronen des Partikels bewirkt eine deutliche Erhöhung und Lokalisierung des elektromagnetischen Feldes in seiner Umgebung. Die spektrale Position und die Stärke der SPR eines Nanoteilchens, die von dessen geometrischer Form, Permittivität und Umgebung abhängen, können nur im Grenzfall sehr kleiner Teilchen elektrostatisch beschrieben werden, wohingegen der verwendete semianalytische MMP-Ansatz weitaus flexibler ist und insbesondere auch auf größere Partikel, Teilchen mit komplizierterer Form bzw. Ensembles von Partikeln anwendbar ist. Die betrachteten einzelnen kleinen (< Wellenlänge) Goldkügelchen und Silberellipsoide besitzen eine stark ausgeprägte SPR im sichtbaren optischen Bereich. Diese ist auf eine dipolartige Polarisierung des Teilchens zurückzuführen. Höhere Moden der Polarisation können entweder als Folge von Retardierungseffekten an größeren (mit der Wellenlänge vergleichbaren) Teilchen oder bei der Verwendung inhomogener (z.B. evaneszenter) Wellen angeregt werden. Partikel, die sich in der Nähe eines Substrates befinden, unterliegen der Nahfeldwechselwirkung zwischen den (lichtinduzierten) Oberflächenladungen auf der Oberfläche des Teilchens und des Substrats. Dies führt zu einer Verschiebung der SPR zu niedrigeren Frequenzen und einer Erhöhung des lokalen elektrischen Feldes. Letzteres bildet die Grundlage z.B. der spitzenverstärkten Raman-Spektroskopie und der optischen Nahfeldmikroskopie mit Streulichtdetektion. Dasselbe Prinzip bewirkt ein stark überhöhtes elektrisches Feld zwischen miteinander wechselwirkenden Nanopartikeln, welches z.B. die Sensitivität der oberflächenverstärkten Raman-Mikroskopie um mehrere Größenordnungen steigern kann. Im Gegensatz zur SPR einzelner Nanopartikel kann die Resonanz der Lichtstreuung im Fall eines Partikels in der Nähe eines Substrats aus der durch die Nahfeldwechselwirkung induzierten Anregung elektromagnetischer Oberflächenzustände entstehen. Diese wirken ihrerseits auf das Nanopartikel zurück, wobei eine resonante Lichtstreuung beobachtbar ist. Dieser, am Beispiel einer metallischen Nahfeldsonde über einem Siliziumcarbid-Substrat analysierte, Effekt ermöglicht bei einer ganzen Klasse von polaren Kristallen interessante Anwendungen in der Mikroskopie und Sensorik basierend auf der hohen Dichte von Oberflächenphononpolaritonen dieser Kristalle im mittleren infraroten Spektralbereich und deren nahfeldinduzierten Anregung. Im zweiten Teil der Arbeit werden kollektive Anregungen von Elektronen an Metalloberflächen untersucht. Die dabei auftretenden plasmonischen Oberflächenwellen (engl. surface plasmon polaritons - SPPs) weisen einen exponentiellen Abfall der Intensität senkrecht zur Grenzfläche auf. Diese starke Lokalisierung der Energie an der Oberfläche bildet die Grundlage vieler Anwendungen, z.B. im Bereich der hochempfindlichen Detektion (bio)chemischer Verbindungen oder für eine zweidimensionale Optik (engl. plasmonics). Das Aufheben der Translationsinvarianz längs der Oberfläche ermöglicht die direkte Anregung von SPPs durch ebene Wellen. Die Abhängigkeit dieser Kopplung von der Geometrie wird am Beispiel eines Nanograbens untersucht. Dabei werden neben den SPPs ebenfalls eine oder mehrere Moden im Graben angeregt. Folglich ermöglicht die geeignete Wahl der Grabengeometrie die Optimierung der Umwandlung von ebenen Wellen in SPPs. Im - in der Praxis weit verbreiteten - Fall asymmetrisch eingebetteter metallischer Dünnschichtwellenleiter existieren zwei Moden. In Abhängigkeit von der Grabenbreite kann die eine oder die andere Mode bevorzugt angeregt werden. Die Analyse der Wechselwirkung von SPPs mit Oberflächenstrukturen, z.B. Kanten, Stufen, Barrieren und Gräben, zeigt die Möglichkeit der Steuerung der Reflexions-, Transmissions- und Abstrahleigenschaften durch die gezielte Wahl der Geometrie der "Oberflächendefekte" auf der Nanoskala und deckt die zu Grunde liegenden Mechanismen und die daraus resultierenden Anforderungen bei der Herstellung neuer plasmonischer Komponenten auf. Exemplarisch wird das Prinzip der SPP-Anregung an einzelnen und mehreren Gräben in dünnen metallischen Filmen sowie der subwellenlängen Feldlokalisierung an sich verjüngenden metallischen Dünnschichtwellenleitern unter Verwendung der optischen Nahfeldmikroskopie experimentell gezeigt.

Les paramètres radioélectriques des satellites sont actuellement mesurés directement, à l’aide d’une base compacte. Cependant, les li-mites de ces bases sont atteintes à cause de l’augmentation des dimensions des satellites, du nombre et de la complexité des antennes qu’ils comportent.Les techniques de champ proche constituent une solution prometteuse sous la forme de base pla-naire. Ces techniques consistent à mesurer le champ rayonné à proximité de la source pour en déduire, par traitement mathématique, le champ à grande distance.Ce travail de thèse porte sur l’adaptation des techniques de champ proche au test des satellites de télécommunications. La caractérisation du rayonnement des antennes par ces techniques estaujourd’hui largement utilisée. Toutefois, un développement théorique doit être complété et des méthodes de mesures proposées pour le test de l’ensemble des paramètres de la charge utile. Des difficultés spécifiques liées à la fonction du satellite (transpondeur) et à l’accès limité aux antennes et à l’électronique du satellite doivent être prise en compte dans la mise en oeuvre de ces méthodes de mesure.Enfin les mesures en champ proche sont affectées par plusieurs causes d’erreurs. L’identification des sources de ces erreurs et l’évaluation de leurs contributions au résultat final constituent une partie importante du travail de thèse. L’étude globale permet de dimensionner un système de mesure complet bénéficiant d’un bon niveau d’optimisation. / Nowadays, the radioelectric charac-teristics of satellites are directly measured by means of a com-pact range basis. However, the limits of these bases are affected by the growth of the satellite dimensions, in addition to the number and the complexity of the integrated an-tennas.On the other hand, near field techniques formed a promising solution under the planar range form. These techniques consist of measuring the radiated field near the source and accordingly deduce the far field by the means of mathemati-cal analysis.The purpose of this thesis is to adapt near field techniques for testing telecommunication satel-lites. In fact, these techniques are widelyused for antenna pattern measurements. However, a theoretical development has to be completed and measurement methods need to be proposed for testing all payload parameters. Unfortunately, specific difficulties related to the satellite function (transponder) and the limited access to antennas and satellite electronics have to be taken into account in the implementation of these measurement methodologies.Finally, the near field measurements are affected by many causes of errors. The identification of the error sources and the evaluation of their contribution to the final results constitute an important part of the thesis work. The global study allows dimensioning a complete measurement system with a good optimization.

Several measurements may be used as error signals to determine how to appropriately control a sound field. These include pressure, particle velocity, energy density and intensity. In this thesis, numerical models are used to show which signals perform best in is free-field active noise control (ANC) using error sensors located in the near field of the sound sources. The second is equalization in a free field and a semi-free field. Minimized energy density total power output (MEDToPO) plots are developed; these indicate the maximum achievable attenuation for a chosen error sensor as a function of location. A global listening area equalization coefficient (GLAEC) is found to evaluate the performance of the equalization methods. It is calculated by finding the average of the spectral standard deviation of several frequency response measurements in a specified listening area. For free-field ANC employing error sensors located in the near field, pressure-based measurements perform the best. For free-field equalization over an extended listening region, total energy density performs best. Equalization of an extended listening region is more successful over a limited low-frequency bandwidth.

Since the 1950s the jet aeroacoustics community has been involved in predicting and measuring the noise distribution in jets. In this work, cylindrical and planar Fourier near-field acoustical holography are used to investigate radiation from a full-scale, installed jet engine. Practical problems involving measurement aperture and the highly directional nature of the source are addressed. Insights from numerical simulations reveal usable reconstruction regions. A comparison of cylindrical and planar NAH for the respective measurement apertures shows cylindrical NAH outperforms planar NAH on reconstructions both towards and away from the source.

Modern medicinering medför att patienter kan behandlas mer effektivt om den tas pårätt sätt. När patienter själva ansvarar för sin medicinering kan den feldoseras ellerglömmas bort, vilket ändrar förutsättningar för dess inverkan. Glömska kombineradmed sinnesnedsättningar försvårar för patienten att sköta sin medicinering.Lösningen på detta problem är idag utökad hemvård där vårdpersonal hjälper patientenatt ta rätt medicin vid rätt tidpunkt. En teknisk lösning kan vara ett inbyggt systemsom påminner patienten, sparar missade doseringar och kan därmed ge mer informationtill läkare som då kan göra mer välgrundade beslut för fortsatt vård.Resultaten visar att en dosettask kan användas för att påminna patienter att ta sinmedicin och skicka missad dosering med närfältskommunikation. Som mikrokontrolleranvändes en STM32 Nucleo, med en tillståndsmaskin som mjukvarulösning. I vidarestudier kan ett realtidsoperativsystem användas. Systemet programmerades medArduinos utvecklingsmiljö, men ett alternativ är IAR. Projektets prototyp kunde medde flesta modulerna uppnå specifikationens batteritid, utöver ljudmodulen som användes.För att komma fram till detta resultat skapades två teoretiska extremfall därprototypen testades.Dosettasken kan leda till minskat pillersvinn och en lägre kostnad då färre hembesökkrävs. Dessutom resulterar detta i ökad självständighet för patienten. Dessa faktorerleder till att dosettasken bidrar till en ökad hållbar utveckling. / Modern medication allows patients to be treated more efficiently if taken properly.When patients themselves are responsible for their medication, it can be wronglydosed or forgotten, which changes the conditions for its effects. Forgetfulness combinedwith impaired senses make it difficult for the patient to take care of his medication.The solution to this problem today is increased home care, where healthcare professionalshelp patients to take the right medication at the right time. A technical solutioncan be an embedded system that reminds the patient, saves missed dosages, and canprovide more information to doctors who can make more informed decisions for furthercare.The results show that a pill dispenser can be used to remind patients to take their medicationand send missed dosages with near field communication. As a microcontroller,a STM32 Nucleo was used, with a state machine as software solution. In further studies,a real-time operating system can be used. The system was programmed with Arduino'sdevelopment environment, but an alternative is IAR. The prototype of the projectcould achieve the specifications battery life with most modules, except to thesound module used. To achieve this result, two theoretical extremes were created inwhich the prototype was tested.The pill dispenser can lead to reduced waste of pills and a lower cost, as fewer homevisits are required. In addition, this results in increased independence for the patient.These factors cause the pill dispenser to contribute to increased sustainable development.

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The absorptance in vertical nanowire (nw) arrays is typically dominated by three optical phenomena: radial mode resonances, near-field evanescent wave coupling, and Fabry–Perot (F-P) mode resonances. The contribution of these optical phenomena to GaAs, InP and InAs nw absorptance was simulated using the finite element method. The study compared the absorptance between finite and semi-infinite nws with varying geometrical parameters, including the nw diameter (D), array period (P), and nw length (L). Simulation results showed that the resonance peak wavelength of the HE1n radial modes linearly red-shifted with increasing D. The absorptance and spectral width of the resonance peaks increased as L increased, with an absorptance plateau for very long nws that depended on D and P. Near-field coupling between neighbouring nanowires (nws) was observed to increase with increasing diameter to period ratio (D/P). The effect of F-P modes was more pronounced for shorter nws and weakly coupled light. Based on the collective observation of the correlation between nw geometry and optical phenomena in GaAs, InP, and InAs nw arrays, a periodic array of vertical InSb nws was designed for photodetectors in the low-atmospheric absorption window (λ = 3-5 μm) within the mid-wavelength infrared (MWIR) spectrum (λ = 3-8 μm). Simulations, using the finite element method, were implemented to optimize the nw array geometrical parameters (D, P, and L) for high optical absorptance (~0.8), which exceeded that of a thin film of equal thickness. The results further showed that the HE1n resonance wavelengths in InSb nw arrays can be tuned by adjusting D and P, thus enabling multispectral absorption throughout the near infrared (NIR) to MWIR region. Optical absorptance was investigated for a practical photodetector consisting of a vertical InSb nw array embedded in bisbenzocyclobutene (BCB) as a support layer for an ultrathin Ni contact layer. Polarization sensitivity of the photodetector was examined. Lastly, how light flux enters the nw top and sidewalls on HE11 resonance was investigated. / Dissertation / Doctor of Philosophy (PhD)

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La construction d’un NSOM, dans ce manuscrit de thèse, est décrite en détail. Lacombinaison du système NSOM construit avec un interféromètre est proposée afin d’accéderà des mesures de phase, à la fois de ultra-haute sensibilité mais également de très granderésolution spatiale. Le nom de l’instrument développé est un interferomètre optique àbalayage en champ proche (NSOI, pour l’acronyme en anglais). Le principe est basé surl’utilisation d’un diapason accordable en cristal de quartz, sur lequel se trouve une pointe,afin de sonder le matériau étudié. La mesure de la force de cisaillement de la pointe sondeau voisinage de la surface permet d’assurer la régulation et la stabilité de la distance depositionnement de la pointe par rapport à la surface considérée. Le dispositif est construit encombinant différents éléments électroniques pilotés par un logiciel développé en langageLab-VIEW. Le bruit de la mesure en NSOI est supprimé par un calcul simple basé sur lathéorie de l’optique ondulatoire et des interférences associées. Le système permet deréaliser des mesures optiques en champ proche ainsi que la détermination en hauterésolution de la phase du champ optique. L’échantillon SNG01 (l’un des réseaux utilisés pourcaractériser notre microscope à balayage en champ proche), ainsi que des disques optiques(CD, DVD and disques blu-ray) ont été utilisés pour tester la faisabilité et les performancesde notre système.Dans ce manuscrit de thèse, le graphène et les monocouches de MoS2 sont étudiés. Nous montrons qu’une épaisseur à l’échelle atomique peut être résolue par notresystème NSOI, avec l’utilisation de l’algorithme de suppression du bruit de mesure. Lesjoints de grain du graphène sont observés à grande échelle, via la technique d’imagerie parcollection en champ proche et par la réalisation de cartographies de phase. En particulier,les tensions internes à une couche de graphène sont observées, uniquement dans le casd’une imagerie de phase. / In this thesis, near-field scanning optical interferometry (NSOI), which combinesNSOM with interferometer, is proposed for the phase measurement. The shear-forcedetection scheme is applied for distance regulation. The hardware of the systemis constructed by combining various electronic devices, and the operating softwareis coded by LabVIEW. Unwanted background signal is removed by simple calculationbased on interference theory. By using this, the near-field optical measurementand the ultra-sensitive phase investigation of nano-materials are performed. 2D materialssuch as graphene and monolayer MoS2 are investigated. It is shown thatatomic-scale thickness can be resolved by the NSOI. Especially, the grain boundariesof graphene and the seed of MoS2 can be found by phase detection. In addition,direct laser writing (DLW) on silver-containing glass is observed by using NSOM,and NSOI. For the first time, the writing threshold is correlatively observed in thefluorescence imaging and the near-field phase image.