Light interaction with matter has long been an area of interest throughout history, spanning many fields of study. In recent decades, the investigation of light-matter interactions with nanostructures has become an intense area of research in the field of photonics. Metallic nanostructures, in particular, are of interest due to the interesting properties that arise when interacting with light. The properties are a result of the excitation of surface plasmons which are the collective oscillation of the conduction electrons in the metal. Since the conduction electrons can be thought of as harmonic oscillators, they are quantized in a similar fashion. Just as a photon is a quantum of oscillations of an electromagnetic field, the plasmon is a quantum of electron oscillations of a metal. There are three types of plasmons: 1. Bulk plasmons, also called volume plasmons, are longitudinal density fluctuations which propagate through a bulk metal with an eigenfrequency of �� called the plasma frequency. 2. Localized surface plasmons are non-propagating excitations of the conduction electrons of a metallic nanoparticle coupled to an electromagnetic field. 3. Surface plasmon polaritons are evanescent, dispersive propagating electromagnetic waves formed by a coupled state between a photon and the excitation of the surface plasmons. They propagate along the surface of a metal-dielectric interface with a broad spectrum of eigenfrequencies from � = 0 to � = ��⁄√2. iv Plasmonics is a subfield of photonics which focuses on the study of surface plasmons and the optical properties that result from light interacting with metal films and nanostructures on the deep subwavelength scale. In this thesis, plasmonic nanostructures are investigated for optical waveguides and other nanophotonic applications through computational simulations primarily base on electrodynamic theory. The theory was formulated by several key figures and established by James Clerk Maxwell after he published a set of relations which describe all classical electromagnetic phenomena, known as Maxwell’s equations. Using methods based on Maxwell’s equations, the optical properties of metallic nanostructures utilizing surface plasmons is explored. In Chapter 3, light propagation of bright and dark modes of a partially and fully illuminated silver nanorod is investigated for waveguide applications. Then, the origin of the Fano resonance line shape in the scattering spectra of a silver nanorod is investigated. Next, in Chapter 4, the reflection and transmission of a multilayer silver film is simulated to observe the effects of varying the dielectric media between the layers on light propagation. Building on the multilayer film work, metal-insulator-metal waveguides are explored by perforating holes in the bottom layer of a two layer a silver film to investigate the limits of subwavelength light trapping, confinement, and propagation. Lastly, in Chapter 5, the effect of surface plasmons on the propagation direction of electromagnetic wave around a spherical silver nanoparticle which shows an effective negative index of refraction is examined. In addition, light manipulation using a film of silver prisms with an effective negative index of refraction is also investigated. The silver prisms demonstrate v polarization selective propagation for waveguide and optical filter applications. These studies provide insight into plasmonic mechanisms utilized to overcome the diffraction limit of light. Through better understanding of how to manipulating light with plasmonic nanostructures, further advancements in nanophotonic technologies for applications such as extremely subwavelength waveguides, sensitive optical detection, optical filters, polarizers, beam splitters, optical data storage devices, high speed data transmission, and integrated subwavelength photonic circuits can be achieved.

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Les recherches pharmacologiques nécessitent des outils d'analyse capables de caractériser et d'étudier des structures ou phénomènes biologiques. Une plate-forme de microscopie exploitant la résonance de plasmons de surface permet de faire l'acquisition d'images étudiant des phénomènes au niveau de cellules individuelles. Les images acquises par ce type de plate-forme présentent la variation d'indice de réfraction du milieu observé en couplant une lumière incidente aux plasmons de surface à l'interface d'un métal et d'un diélectrique. La faible résolution latérale de ces images ne permet cependant pas d'en distinguer tous les détails. Cette limite de résolution est associée aux propriétés de l'onde de surface qui entraînent une dégradation de l'image par l'étalement directionnel de l'information sur plusieurs pixels. De nombreux groupes de recherche ont travaillé sur ce problème de résolution en explorant des alternatives matérielles, que ce soit au niveau du montage d'acquisition ou des échantillons. Cependant, ceux-ci ont dû faire certains compromis afin d'améliorer la résolution latérale occasionnant une limitation en résolution temporelle ou en indice de réfraction. L'approche préférée dans ce projet de maîtrise est l'utilisation de techniques de post-traitement des images (déconvolution, algorithme de reconstruction d'images) acquises par le système de microscopie. Cette approche permet de conserver un bon contraste dans les images acquises et une bonne résolution temporelle. Ce projet vise à améliorer la résolution latérale en microscopie de résonance de plasmons de surface (SPR) en utilisant un algorithme de reconstruction d'images. Une méthode comme celle-ci n'a jamais été exploitée pour résoudre ce problème de limitation en résolution. Dans ce projet, une image de meilleure résolution est obtenue en combinant l'information pertinente de plusieurs images où la direction d'excitation des plasmons de surface diffère. Ces images sont acquises à partir d'échantillons de guides d'ondes à gaine métallique (MCWG) dont les matériaux et structures sont connus. Ceux-ci sont composés de quatre couches et ont tout d'abord été fabriqués. Ces échantillons ont permis l'acquisition d'images de structures dont les dimensions et les paramètres sont connus. Un algorithme de restauration d'images a été développé et implémenté pour retirer la dégradation linéaire observée dans les images de microscopie SPR acquises. Celui-ci détermine l'information nécessaire à l'exécution de l'algorithme à partir des images acquises, et améliore la résolution en microscopie SPR par une opération logicielle ne faisant pas de compromis au niveau matériel. L'algorithme a été validé auprès des échantillons MCWG dont la couche diélectrique est composée de structures synthétiques ou de cellules biologiques. Une amélioration de 6 à 1 micromètres sur structures synthétiques a été démontrée, tandis que le traitement permet de distinguer des détails des images cellulaires qui n'étaient pas identifiables avant. Ainsi, grâce à cette amélioration de la résolution, l'application de cet algorithme facilitera l'étude et le développement de nouveaux médicaments pharmacologiques.

Encore aujourd'hui, la majorité des analgésiques utilisés en clinique pour le traitement des douleurs modérées à sévères ciblent le récepteur opioïdergique mu (MOP). Toutefois, l'usage répété d'opiacés s'accompagne de plusieurs effets secondaires, comme la constipation, la nausée et la sédation. De plus, il est maintenant bien établi que les différents agonistes de MOP n'ont pas tous le même potentiel analgésique autant qu'ils n'activent pas tous les mêmes cascades de signalisation à un niveau similaire. Ce dernier concept est connu sous l'appellation de sélectivité fonctionnelle. Une meilleure compréhension des mécanismes moléculaires menant respectivement à l'effet analgésique et aux effets secondaires devrait ainsi permettre de développer de nouveaux candidats présentant un effet thérapeutique tout en s'accompagnant de peu d'effets secondaires. La signalisation intracellulaire est habituellement caractérisée via l'utilisation de méthodes ne permettant l'analyse que d'un seul paramètre, tels que la mesure de la mobilisation du calcium intracellulaire ou encore la production d'AMPc. Or, l'étude de la sélectivité fonctionnelle requiert plutôt une approche permettant d'évaluer les réponses cellulaires globales suivant l'activation d'un récepteur. Dans cette optique, plusieurs biosenseurs sans marqueurs ont récemment été développés afin de répondre à ce besoin. Dans cette étude, nous avons donc utilisé la spectroscopie par résonance des plasmons de surface comme approche sans marquage pour étudier la signalisation de MOP suivant son activation par la morphine et le DAMGO, deux agonistes présentant des propriétés de signalisation nettement distinctes. Plus précisément, trois voies de signalisation de MOP ont été ciblées, soit le couplage aux protéines G, l'activation de ERK1/2 et l'internalisation du récepteur. Malgré le fait que les signaux SPR de la morphine et du DAMGO ne montrent aucune différence notable, les résultats obtenus démontrent que la SPR est une technique très sensible pour étudier la signalisation suivant l'activation de MOP. À cet effet, nos résultats montrent que les signaux SPR sont initiés par l'activation de la protéine Gαi et que les niveaux d'AMPc ainsi que les kinases ERK1/2 contribuent grandement au signal SPR. Finalement, nos résultats démontrent que certains antagonistes de MOP se comportent plutôt comme des agonistes partiels ou inverses.

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This work presents the first demonstration of a semiconductor based plasmonic near-field superlens, utilizing highly doped GaAs to generate infrared optical images with a spatial resolution beyond the difraction limit. Being easily transferable to other semiconductor materials, the concept described in this thesis can be exploited to realize spectrally adjustable superlenses in a wide spectral range. The idea of superlensing has been introduced theoretically in 2000, followed by numerous publications including experimental studies. The effect initiated great interest in optics, since in contrast to difraction limited conventional optical microscopy it enables subwavelength resolved imaging by reconstructing the evanescent waves emerging from an object. With techniques like scanning near-field optical microscopy (SNOM) and stimulated emission depletion (STED) being already successfully established to overcome the conventional restrictions, the concept of superlensing provides a novel, different route towards high resolution. Superlensing is a resonant phenomenon, relying either on the excitation of surface plasmons in metallic systems or on phonon resonances in dielectric structures. In this respect a superlens based on doped semiconductor benefits from the potential to be controlled in its operational wavelength by shifting the plasma frequency through adjustment of the free carrier concentration. For a proof of principle demonstration, we investigate a superlens consisting of a highly n-doped GaAs layer (n = 4 x 10^18 cm-3) sandwiched between two intrinsic layers. Recording near-field images of subwavelength sized gold stripes through the trilayer structure by means of SNOM in combination with a free-electron laser, we observe both enhanced signal and improved spatial resolution at radiation wavelengths close to l = 22 µm, which is in excellent agreement with simulations based on the Drude-Lorentz model of free electrons. Here, comparative investigations of a purely intrinsic reference sample confirm that the effect is mediated by the charge carriers within the doped layer. Furthermore, slightly differently doped samples provide indications for the expected spectral shift of the resonance. According to our calculations, the wavelength range to be exploited by n-GaAs based superlenses reaches far into the terahertz region, whereas other semiconductor materials are required to explore the near infrared.

This thesis proposes a metallic hole array of a rectangular converging-diverging channel (RCDC) shape with extraordinary transmission. We use a three-dimensional (3D) finite element method to analyze the transmission characteristics of two-dimensional metallic hole arrays (2D-MHA) with RCDC. For a straight channel MHA, when the aperture size is reduced, the transmission peaks have a blue-shift. The same result is observed for a smaller gap throat for the RCDC structure. For the rectangular holes with a high length-width ratio, a similar blue-shift in the transmission peaks as well as a narrower full width at half maximum (FWHM) are observed. The asymmetry from the rectangular shape gives this structure high selectivity for light with different polarizations. Furthermore, the RCDC shape gives extra degrees of geometrical variables to 2D-MHA for tuning the location of the transmission peak and FWHM. The tunable transmission property of this structure shows promise for applications in tunable filters, photonic circuits, and biosensors. / text

La surface d'un matériau exposé à une irradiation laser à une fluence proche de son seuil d'ablation laisse apparaître des structures périodiques LIPSS (Laser Induced Periodic Surface Structure) d'orientation dépendant de la polarisation de faisceau incident et dont la période est de l'ordre de la longueur d'onde. Les causes de ce phénomène qui suscite l'attention des chercheurs depuis plus d'une trentaine d'années sont maintenant bien connues. Cependant, son étude dans le cadre de l'utilisation récente de lasers à impulsions ultra-brèves fait surgir de nouvelles interrogations et relance l'intérêt pour le sujet. Ce travail est consacré à l'étude dynamique de la formation des nanostructures sur une surface métallique suite à une interaction laser femtoseconde. Nous nous intéressons aux mécanismes responsables de la formation de ces structures et nous proposons des explications permettant de comprendre leur origine. Dans le premier chapitre on présente une étude de l'état de l'art sur la formation des LIPSS, on y aborde les paramètres influant sur la formation de ces structures ainsi que les différents modèles explicatifs élaborés par les chercheurs. Ce chapitre traite également de l'interaction laser matière et de ses différents processus. Le deuxième chapitre met l'accent sur les dispositifs expérimentaux réalisés dans ce cadre. Le troisième chapitre présente, quant à lui une étude expérimentale permettant de rendre compte du rôle de l'excitation du plasmon de surface dans la formation de LIPSS. Dans le quatrième chapitre on analyse les résultats relatifs à l'influence du couplage électron phonon sur la formation des LIPSS. Enfin, le cinquième et dernier chapitre met en évidence le rôle de la relaxation électron-phonon sur la formation des LIPSS à l'aide d'une expérience pompe-sonde.

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