Les systèmes optiques intégrés ont été largement utilisés dans la détection et la caractérisation de substances biochimiques. Aussi, le développement de nouvelles technologies permettant la fabrication de structures intégrées à l’échelle nanométrique, ouvre un horizon dans la conception d'une nouvelle génération de capteurs biochimiques. Sur la base de plasmons de surface localisés, au cours des dernières années ont été proposés différentes configurations de systèmes optiques pour concentrer le champ électromagnétique dans une petite région de l'espace, ce qui favorise son interaction avec des substances biochimiques. En utilisant la méthode modale de Fourier, dans la présent thèse est présentée une analyse exhaustive de la propagation des modes dans un réseau périodique de nanoparticules métalliques intégrés avec une guide d'ondes diélectrique. Deux géométries des nanoparticules ont été étudiées: des réseaux périodiques de nanofils et de nanocônes métalliques. Il est démontré que pour les nanocônes métalliques le champ optique est fortement exalté au sommet des nanocônes quand ils sont excités à leur résonance LSP via une guide d'onde diélectrique. Pour valider les résultats numériques, on a fabriqué et caractérisé expérimentalement un réseau périodique de nanofils d’or placée sur une guide d’onde à échange d’ions. La caractérisation de l'échantillon a été réalisée dans le champ lointain en mesurant des spectres de transmission et dans le champ proche en utilisant la microscopie en champ proche optique de balayage (NSOM). Les résultats obtenus montrent que les dispositifs intégrés plasmoniques proposées peuvent être appliquées dans la détection de substances biochimiques / Localized surface plasmons (LSP) are used to control and concentrate the electromagnetic field in small volumes of matter. This is a very interesting property in the context of biophotonics. Indeed, it allows an enhancement of the light-matter interaction at the cell scale, or even at a single molecule scale. The technological challenge is to propose optical devices able to efficiently couple light into localized plasmonic modes and to improve the detection of signals resulting from the interaction between the confined light and the analyte under detection.In this thesis work, we theoretically and experimentally study the guiding and confinement properties of light in periodic arrays of metallic nanowires of rectangular and triangular (nanocones) cross section that support localized plasmons. These nanowires are integrated in a photonic circuit that enables an efficient light coupling. The extinction spectra of the plasmonic resonances are directly obtained by analyzing the transmitted light in the device. By making use of the Fourier modal method, we perform an exhaustive theoretical study of the plasmonic Bloch modes that propagate due to the near-field coupling of the localized plasmons resonances. It is demonstrated that for the metallic nanocones, the optical field can be strongly enhanced by a controllable tip effect and remarkably intense

Le but de notre travail était d'étudier comment des interactions impliquant des acides nucléiques pouvaient réguler le cycle viral du virus de l'hépatite C (VHC). L'ARN génomique du VHC est très structuré au niveau de ses extrémités 5' et 3'. La tige-boucle 5BSL3.2 a été décrite comme interagissant avec la SLIIId, la Seq9110 et la SL2 par génétique inverse et expériences de complémentation de mutations. La résonance plasmonique de surface (SPR) a été utilisée afin de caractériser ces interactions. Cela nous a conduit à développer des méthodes permettant d’étendre l'utilisation de la SPR. Nous avons pu observer, in vitro, une interaction entre la 5BSL3.2 et miR-122, un microARN fortement exprimé dans les hépatocytes. Nos résultats ont également montré que la SL2 était une séquence ARN pouvant former au moins deux conformations. L'une étant capable d'interagir avec la 5BSL3.2 et l'autre pouvant s'auto-associer. L'étude de cette dimérisation sur modèle cellulaire a montré qu'elle était impliquée dans les mécanismes de la réplication virale. Le développement d'une méthode d'analyse des complexes ternaires a permis la caractérisation simultanée du complexe formé entre la boucle interne de la 5BSL3.2 et ses partenaires (Seq9110 et SLIIId) ainsi que du complexe formé entre la boucle apicale et ses partenaires (SL2 et miR-122). Ces résultats ont montré que les deux sites de liaison de la 5BSL3.2 étaient structurellement indépendants. Ces interactions pourraient donc coexister dans un contexte physiologique. Les résultats montrent que la SLIIId et la Seq9110 sont en compétition pour interagir avec la boucle interne de la 5BSL3.2 tandis que la tige-boucle SL2 et miR-122 sont en compétition pour interagir avec la boucle apicale de la 5BSL3.2. La 5BSL3.2 est donc un motif ARN structuré pouvant agir comme une plaque tournante, capable d'interagir avec d'autres régions de l'ARN génomique tandis que la SL2 a montré que les deux interactions qu'elle pouvait former, mutuellement exclusives, étaient importantes pour la prolifération virale. Les mécanismes de compétition observés pourraient être impliqués dans la commutation entre les différentes étapes du cycle viral. / We are interested in understanding how interactions involving nucleic acids regulate the life cycle of the Hepatitis C virus (HCV). The HCV genomic RNA is highly structured at the 5' and 3' ends. The stem-loop 5BSL3.2 was described to interact with the SLIIId, the Seq9110 and the SL2 by reverse genetics and complementation mutation experiments. Surface plasmon resonance (SPR) was used to characterize these interactions. This led us to develop methods to expand the use of this technique. We described in vitro evidences for an interaction between 5BSL3.2 and miR-122, a microRNA highly expressed in hepatocytes. As shown by our results, SL2 is a highly dynamic RNA motif that fluctuates between at least two conformations: one is able to hybridize with 5BSL3.2 and the other one is capable of self-associating. The study of this dimerization in living cells has shown an implication of this phenomenon in viral replication processes. The development of a ternary complex analysis method allowed the characterization of the Seq9110 (or SLIIId) and SL2 (or miR-122) interacting with 5BSL3.2. Our results shown that the two binding sites of 5BSL3.2, the apical and internal loops, are structurally independent, suggesting that these interactions may coexist in a physiological context. SLIIId and Seq9110 were shown to compete to interact with 5BSL3.2 internal loop while SL2 and miR-122 were shown to compete to interact with 5BSL3.2 apical loop. In conclusion, 5BSL3.2 is a structured RNA motif that could act as a molecular hub capable of interacting with other genomic RNA regions while the two interactions of the SL2, mutually exclusives, were shown to be crucial for viral proliferation. The competition mechanisms observed could be involved in the commutation between viral cycle steps.

Diplomová práce se zabývá výrobou a využitím zlatých koloidních nanotyčinek v biomedicínských aplikacích. Konkrétně se zaměřuje na tři základní funkce nanočástic v analýze - transportní, separační a především zobrazovací. V části o využití nanočástic pro zobrazování je hlavní zájem věnován zejména povrchové plazmonové rezonanci zlatých nantyčinek. Dále je práce zaměřena na využití nanotyčinek pro termální terapii. Následující část je věnována vhodným modifikacím povrchu, hlavně za účelem zmírnění toxicity částic. Závěrem teoretické části jsou způsoby přípravy zlatých koloidních nanotyčinek a techniky jejich následné analýzy. V navazující experimetální části jsou uvedeny postupy, podmínky a výsledky provedených pokusů.

Tato diplomová práce se zabývala plazmonickými anténami pro infračervenou oblast spektra elektromagnetického záření. K hledání zesílení pole bylo použito FDTD (Finite-Difference Time-Domain Method) simulací. Podle očekávání, byla shledána lineární závislost rezonanční vlnové délky na délce raménka platinové antény na křemíkovém povrchu. Diplomová práce se také zabývala výrobou antén pomocí fokusovaného iontového svazku (FIB) a následným měřením rezonančních vlastností pomocí mikroskopické metody FT-IR (Fourier Transform Infrared Spectroscopy). Posun rezonanční vlnové délky byla registrována pouze pro negativní antény. Nakonec se tato práce zabývala vysvětlením saturace křivky závislosti rezonanční vlnové délky na rozměru raménka platinové antény na substrátu ze SRONu (silicon-rich oxynitride).

Les métamatériaux (MMs) sont des composants artificiels présentant des propriétés électromagnétiques qui n'existent pas dans les matériaux conventionnels naturels. Malgré des développements spectaculaires depuis les années 2000 en radiofréquence et aussi en optique, principalement en mode radiatif, les applications des MMs en optique guidée dans l'objectif de la miniaturisation des composants optoélectroniques sont restés très rares. Donc, poursuivant les recherches sur les MMs plasmoniques en optique guidée initiées par M. Kanté, Mme Ghasemi et Mme Dubrovina, ce travail de thèse constitue une contribution originale à la conception et à la réalisation de composants optoélectroniques basés sur des MMs, y compris leur simulation et leur caractérisation.Durant cette thèse, 3 composants ont été proposés dont 2 ont été réalisés et caractérisés. Ce sont littéralement les premières démonstrations d'applications des MMs à des composants compacts en optique guidée et on peut en conclure qu'une nouvelle famille de composants infrarouges est ici proposée. Cette approche considérée est générique, et elle est compatible avec les plateformes de circuit intégrés conventionnels: Si, InGaAsP / InP, silice dopé, etc. En outre, on démontre que le contrôle à la fois de la variation de l'indice effectif du guide associé au MM et de la fréquence de résonance du MM avec qui travaillent ces composants, sont accessibles simplement en modifiant les dimensions des nanofils qui les composent. Cela permettra à ces composants de fonctionner à d'autres fréquences intéressantes. / Metamaterials (MMs) are artificial components with electromagnetic properties that do not exist in conventional natural materials. Despite tremendous developments achieved since the 2000s in radiofrequency and also in optics, mainly in the radiative mode, the applications of MMs in guided optics, in order to miniaturize the conventional optoelectronic components still remain nearly blank. Following the studies on plasmonic MM in waveguided optics initiated by Mr. Kanté, Mrs. Ghasemi and Mrs. Dubrovina, this thesis work constitutes an original contribution to the design and realization of optoelectronic components based on MMs, including their simulation and characterization methods. During this thesis, 3 components have been proposed, of which 2 have been realized and characterized. These are literally the first demonstrations of MM applications to compact components in waveguided optics and it can be concluded that a new family of infrared components is proposed here. This approach is generic and compatible with conventional integrated circuit platforms: Si, InGaAsP / InP, doped silica, etc. Moreover, it is shown that the control of both the variation of the effective index of the guide associated with the MM, and the resonance frequency of the MM with which these components work, is accessible simply by modifying the dimensions of the nanowires. This will allow these components to operate at other frequencies.

Dans cette thèse, nous étudions les propriétés optiques d'un système multicouche (air-Au-SiO₂-Au-Ti-verre). Les interfaces sont planes et la modélisation est réalisée en utilisant les coefficients de Fresnel à l'interface et la propagation d'ondes planes dans les couches. Deux modèles sont utilisés où l'échantillon est : i) excité par une source à l'infini ; ii) excité par une source locale. Dans l'expérience que nous avons modélisée l'empilement est excité par les électrons tunnel inélastiques dans un microscope à effet tunnel (STM). Dans le modèle, le courant tunnel inélastique est remplacé par un dipôle oscillant vertical. En utilisant ces modèles, nous avons calculé les flux réfléchis (reflectance) et transmis (transmittance) d'une source de lumière à l'infini et le flux transmis de l'excitation locale. La reflectance, transmittance et le flux transmis montrent des modes plasmoniques (surface plasmon polaritons (SPP)) et photoniques (guide d'onde (WG)). A des longueurs d'onde particulières, les courbes de dispersion des SPP et WG présentent un croisement évité. Le choix des épaisseurs d'or et de silice a deux contraintes: une amplitude importante des observables et une large dépendance en longueurs d'onde du vecteur d'onde dans le plan. Nous étudions aussi l'influence des épaisseurs sur les observables. Nous avons trouvé que les observables ont des amplitudes importantes à pour une épaisseur d'or de [10, 90 nm] pour l'empilement de trois couches et de [10, 50 nm] pour celui de six couches. Les modes de guide d'onde apparaissent pour une épaisseur de la couche de silice de >190 nm. Afin de caractériser la localisation du champ dans l'empilement et déterminer la nature du mode, nous avons calculé le champ électrique en fonction de la coordonnée de pénétration z. Nous avons trouvé que pour le mode SPP le champ est localisé à l'interface Au-air, tandis que le champ électrique du guide d'onde est confiné dans la couche de silice. Les résultats théoriques présentés sont en bon accord avec les résultats des études expérimentales menées dans notre groupe. / In this thesis, we investigate the optical properties of a six-layer stack (air-Au-SiO₂-Au-Ti-glass). The interfaces are flat and the modeling is performed using elementary Fresnel expressions at the interface and plane wave propagation in the layers. Two models are used where the sample is: i) excited by a source at infinity (excitation by source at infinity (ESI)); ii) excited by a local source. In the experiments we are modeling this source consists of the inelastic tunneling electrons from a scanning tunneling microscope (STM). In our modeling this source is replaced by a vertical oscillating dipole. Using these two models one calculates the reflected (reflectance) and the transmitted (transmittance) flux from a source at infinity and the transmitted flux of a local source. Surface plasmon polariton (SPP) and wave guide (WG) modes may be identified in the reflectance, transmittance and transmitted flux. In a particular wavelength domain the SPP and WG repel each other giving rise to an avoided crossing. The choice of the gold (Au) and silica (SiO₂) thicknesses of the six-layer stack is guided by two requirements: high amplitude of the observable and wide wavelength dependence of the in-plane wave vector. We also study the influence of the gold and silica thicknesses on the observables. We find that the observables are significant for dAu[10, 90 nm] for the three and dAu[10, 50 nm] for six layer stacks and this predictive study guided the choice of the experimental sample thicknesses. The wave guide mode appears for dSiO₂ >190 nm. The electric field as a function of the penetration coordinate z is calculated in order to characterize the location of the field in the stack and to assign the nature of the modes. We observe that for the SPP the electric field is confined at the Au-air interface whereas, the electric fields corresponding to the WG mode are confined inside SiO₂ layer. Our calculations presented in this work are in good agreement with the experimental measurements performed in our group.

Les Plasmons de surface à l’interface d’un métal et d’un diélectrique sont des oscillations collectives des électrons libres. Pour une interface plane, les plasmons se manifestent comme des champs électromagnétiques évanescents, confinée à quelques centaines de nanomètres de la surface métallique et se propagent le long de l'interface. Ce mode plasmonique, appelé plasmon propagatif de surface (PSP), est un mode fondamental. D’autres modes fondamentaux, non-propagatifs, sont appelé plasmons localisés (LSP) et apparaissent dans les nano-particules métalliques. Dans ce travail, nous avons calculé analytiquement la polarisabilité de géométries métalliques complexes et les résultats obtenus permettent d’expliquer les conditions de résonance des différents modes plasmoniques.Parmi les divers modes plasmoniques, plusieurs modes fondamentaux ont été étudiés en détail et décrits par une formulation analytique. Tout d’abord, dans un réseau binaire de lignes métalliques, des plasmons propagatifs confinés par la dimension finie des lignes sont générés. Ce mode plasmonique est appelé plasmons propagatifs confinée (CPP). D’autre part, dans des réseaux périodiques de nano-particules métalliques, déposées sur un film métallique, des modes de Bragg (BM) sont excités par la diffraction des PSP. De plus, dans de telles structures, un couplage harmonique entre les LSP des nano-particules et le PSP du film métallique sous-jacent se traduit par l’apparition d’un mode hybride (HLP). Les caractéristiques de ce mode hybride pour un réseau de nano-cylindres métalliques sur un film métallique sont présentées en détails, en particulier son intérêt en bio-détection.L'effet du milieu diélectrique environnant sur les modes plasmoniques est utilisé dans les détecteurs basés sur la résonance des plasmons de surface (SPR). Ces systèmes mesurent le décalage de la résonance d’un mode plasmonique, qui est fonction de l’indice de réfraction du milieu diélectrique. L’un des buts de ce travail est d'optimiser les détecteurs SPR pour des expériences typiques sondes – cibles où les molécules sonde sont greffées à la surface du capteur. Nous avons montré que par une fonctionnalisation sélective de la surface métallique, une amélioration de la performance de détection peut être obtenue en terme de quantité de molécules cibles détectable. L'amélioration de champ proche joue aussi un rôle majeur dans les techniques de diffusion Raman exaltée de surface (SERS). La présence de certains des modes plasmoniques étudiés dans les substrats nano-structurés permet d’augmenter significativement l'intensité du signal SERS.Pour réaliser ce travail, des méthodes numériques adaptées à la géométrie particulière des structures étudiées ont été développés pour calculer les distributions des champs proches et lointains dans ces structures. Les caractéristiques de ces modes plasmoniques ont été mesurés expérimentalement et leurs performances en détection SPR ont été démontrées en utilisant une configuration basée sur une interrogation angulo-spectrale en configuration de Kretschmann. Des expériences de SERS ont également été réalisées en collaboration avec le CSPBAT à Paris 13. Les différentes structures ont été fabriquées par lithographie électronique à l’IEF à Paris 11. Les résultats expérimentaux concordent avec les résultats numériques et analytiques.Cette description détaillée des modes plasmoniques offre une compréhension plus complète du phénomène de résonance des plasmons de surface dans les nanostructures métalliques et permet d’optimiser les structures selon l’application souhaitée. Le modèle présenté dans ce travail est relativement général et peut être utilisé pour décrire les propriétés électromagnétiques de différentes géométries et configurations expérimentales. De la représentation complète des modes plasmoniques, différents aspects des interactions photons-plasmons peuvent ainsi être étudiés. / The surface plasmons on metallic surfaces are excited by the collective oscillations of free electrons. They satisfy certain resonance conditions and their dispersion can be considered as modes of the system. The plasmons at uniform metal-dielectric interfaces manifest as evanescent electromagnetic (EM) fields confined to a few hundreds of nanometers from the metallic surface and propagate along the interface. This mode is called the Propagating surface plasmon (PSP) and is a fundamental plasmonic mode. The other fundamental modes, which are non-propagative, results from collective oscillations of free electrons on curved surfaces of metallic nano-particles. They are called localized surface plasmon (LSP) modes. We have shown that the polarizability of complex geometries with an underlying substrate can be calculated analytically and the results obtained closely approximate the resonance conditions for such geometries.In this work, various other plasmonic modes originating from the two fundamental modes were studied in details and described by their corresponding analytical formulation. In a binary metallic arrays on glass substrate, plasmonic modes are excited by diffraction orders, called the Wood-Rayleigh modes (WRM). In metallic strips the PSP is confined by the finite edges of the strips and propagate along the length of the strips, called the confined propagating plasmons (CPP).For arrays of metallic nano-particles on a metallic film, the Bragg modes (BM) are excited by diffraction of the PSP. In such structures the LSP of the nano-particles and the PSP of the film can undergo a harmonic coupling to give rise to the hybrid lattice plasmon (HLP). The characteristics of the HLP mode for an array of metallic nano-cylinders on a metallic film is presented in details.The effect of the surrounding medium on the plasmonic modes is used in surface plasmon resonance (SPR) detectors which probe the shift in resonance condition of the modes. Such shift is dependent on the intrinsic dispersion of the modes. The aim of this work is to optimize the SPR detectors for affinity biosensing where probe and analyte molecules are bound to the metallic surface. We have shown that by selective functionalization of the metallic biochip surface, an enhancement of the performance of such detection can be achieved in terms of the amount of analyte used. Also the near field enhancement plays a major role in surface enhanced Raman scattering (SERS). We have shown that the presence of certain modes in the system can enhance the recorded SERS intensity.Rigorous numerical methods, adapted to the particular geometry under study, were developed to compute the near and far field characteristics of different structures. The experimental excitation of the modes and their application in SPR detection was demonstrated using a setup based on a spectral scanning modality operating in the Kretschmann configuration. The various structures were fabricated on a biochip using e-beam lithography at IEF, University Paris Sud and the reflectivity dispersion from the biochip was recorded. Such experimental results were shown to be in close agreement with the theoretical results. SERS experiments were carried out in collaboration with CSPBAT at University Paris 13 and the results were seen to fit closely the theoretically predicted trends.Such detailed description of plasmonic modes can offer a complete understanding of the surface plasmon resonance phenomenon in metallic structures and be optimized as per required for various applications. The theories presented in this work can be used to effectively describe the EM properties of different geometries and experimental configurations. From a comprehensive representation of plasmonic modes, different aspects of the photon-plasmon interactions can thus be elucidated.

Moderne Methoden der Oberflächenbehandlung können Oberflächen mit besonderen Eigenschaften versehen. Diese Eigenschaften werden zunehmend durch ultradünne Schichten mit Schichtdicken von einigen Nanometern erzeugt, da mit minimalem Materialaufwand definierte Resultate erreichbar sind. Die meisten Metalle überziehen sich mit einer Oxidschicht, deren Eigenschaften von den herrschenden Umgebungsbedingungen bestimmt werden. Diese Oxidschicht bildet die Oberfläche des Festkörpers, und weist andere Eigenschaften auf als der Festkörper selbst. Darüber hinaus beeinflussen die Rauhigkeit sowie eventuell vorliegende Legierungsbestandteile die Oberflächenbeschaffenheit. Besonders geeignet zum Erzeugen ultradünner oder monomolekularer Schichten ist der Prozess der Selbstorganisation, bei dem man sich zu Nutze macht, dass oberflächenaktive Moleküle mit sich selbst und einem Substrat in Wechselwirkung treten können. Zum Verständnis der ablaufenden Vorgänge ist die Kenntnis der Prozesskinetik sowie die Charakterisierung der Substratoberfläche vor und nach der Adsorption erforderlich. Die Größenverhältnisse zwischen den adsorbierten Molekülen und der Rauheit der Oberfläche erschweren die Charakterisierung der vorliegenden Ordnung und Orientierung der erzeugten dünnen Schichten. In dieser Arbeit sind Untersuchung des Schichtbildungsverhaltens und die Charakterisierung der erzeugten Schichten aus Phosphon- und Phosphorsäurederivaten in Abhängigkeit verschiedener Eigenschaften der Substratoberflächen vorgenommen worden. Dabei kamen oberflächensensitive Methoden wie AFM, REM, SPR und XPS zum Einsatz. Es konnte gezeigt werden, dass sich die untersuchten Moleküle wie erwartet auf den Oberflächen orientieren und dabei einen Bedeckungsgrad von etwa 60% erreichen. Der Einfluss von unterschiedlichen Vorbehandlungsmethoden konnte ebenso charakterisiert werden.

The first part of this dissertation deals with the application of a luminescence quenching method to measure diffusion and permeation coefficients of oxygen in polymers. Most luminescence oxygen sensors do not follow linearity of the Stern-Volmer (SV) equation due to heterogeneity of luminophore in the polymer matrix, thus the complexity of data analysis is increased. To circumvent this limitation, inverted fluorescence microscopy is utilized in this work to investigate the SV response of the sensors at the micron-scale. In these diffusion experiments, oxygen concentration is measured by luminescence changes in regions with high SV constants and good linearity. Thus, we avoid numerical complexity of combining nonlinear SV equation with a diffusion model. This technique allows us to measure oxygen diffusion properties in different type of polymers like transparent, opaque, free-standing polymers and polymers that cannot be cast into free standing films and polymer composites. In the second part of this thesis, we have explored the effect of Ag-Cu alloy nanoparticles on the emission intensity of luminophores at their close proximity. Alloy nanoparticles offer additional degrees of freedom for tuning their optical properties by altering atomic composition and atomic arrangement and thus can be an attractive option for manipulating signal of a wide range of luminophores. In this work, surface plasmon resonance spectrum of Ag-Cu alloy nanoparticles deposited by sputtering was easily tuned in wide wavelength range by varying one experimental condition- annealing temperature. Large metal enhanced luminescence for different luminophores viz Alexa Fluor 594 and Alexa Fluor 488 were achieved at the vicinity of Ag-Cu nanoparticles when maximum spectral overlap between SPR spectra of Ag-Cu nanoparticles and the emission and absorption spectra of the luminophores occur. We also studied the effect of composition of Ag-Cu nanoparticles synthesized by the polyol process on the luminescence of low quantum yield dye Cy3. In the third part of this thesis, quenching effect of Cu nanoparticles on CdSe/ZnS nanocrystal quantum dots has been explored. As Cu nanoparticles have comparable dielectric properties with gold nanoparticles, they are expected to show similar quenching effects. It was found that Cu is an efficient quencher of fluorescence from CdSe/ZnS quantum dots and the quenching effect is due to resonance energy transfer from quantum dots to Cu nanoparticles.

The effects of surface plasmon for InGaN/GaN multi-quantum wells and ZnO nanoparticles optical linear and nonlinear emission efficiency had been experimentally studied. Due to the critical design for InGaN MQWs with inverted hexagonal pits based on GaN, both contribution of surface plasmon effect and image charge effect at resonant and off resonant frequencies were experimentally and theoretically investigated. With off- resonant condition, the InGaN MQWs emission significantly enhanced by metal nanoparticles. This enhancement was caused by the image charge effect, due to the accumulation of carriers to NPs region. When InGaN emission resonated with metal particles SP modes, surface Plasmon effect dominated the emission process. We also studied the surface plasmon effect for ZnO nanoparticles nonlinear optical processes, SHG and TPE. Defect level emission had more contribution at high incident intensity. Emissions are different for pumping deep into the bulk and near surface. A new assumption to increase the TPE efficiency was studied. We thought by using Au nanorods localized surface plasmon mode to couple the ZnO virtual state, the virtual state’s life time would be longer and experimentally lead the emission enhancement. We studied the TPE phenomena at high and near band gap energy. Both emission intensity and decay time results support our assumption. Theoretically, the carriers dynamic mechanism need further studies.