Thèse Année : 2024

Application of optical nanoresonators to the design of a specific sensor for infrared spectroscopy

Application de nano-résonateurs optiques à la conception d'un capteur spécifique de spectroscopie infrarouge

Laura Paggi
  • Fonction : Auteur
  • PersonId : 1400196

Résumé

Optical nanoresonators are structures of sub-wavelength size that enable the enhancement of light-matter interactions at nanoscopic scale. Thanks to structured stacked thin films, it is possible to obtain a wide range of optical functions for a variety of applications. The aim of this thesis is to investigate the properties and performance of several resonator architectures for the design of a compact, sensitive, versatile and selective molecule detector for infrared spectroscopy. An electric field locally strongly enhanced by an optical nano-resonator can give rise to the phenomenon of surface-enhanced infrared absorption (or SEIRA) of nearby molecules. It is then possible to observe the absorption lines of a very small quantity of matter and push back the limits of traditional infrared spectroscopy for the detection of traces of chemical compounds. First, I present the enhancement of the response of organic molecules by a Helmholtz optical resonator in an over-coupled configuration. This enables intense exaltation of molecular absorption over a wide spectral band, close to the specific response of molecules and linked to the quantity of matter probed. Then, I export the concept of this resonator to the terahertz range. In another section, I explore different spectral filtering strategies with the aim of discriminating the response of one molecule from another. I present the coupling of optical Helmholtz nanoresonators to semiconductor nanocrystals to design a proof-of-concept photodetector with enhanced photocurrent. The possibility of creating tunable thermal emitters using nanostructured mirrors is then discussed. Finally, I propose a numerical study of high quality factor resonators for filtered SEIRA enhancement and control of resonator-molecule coupling.
Les nano-résonateurs optiques sont des structures de taille sub-longueur d'onde qui permettent d'exalter les interactions lumière-matière à l'échelle nanoscopique. A partir d'empilements de couches minces structurées, il est d'ailleurs possible d'obtenir un large éventail de fonctions optiques pour des applications variées. Cette thèse a pour but d'étudier les propriétés et performances de plusieurs architectures de résonateurs pour la conception d'un détecteur de molécule compact, sensible, sélectif et polyvalent de spectroscopie infrarouge. En effet, un champ électrique fortement exalté localement par un nano-résonateur optique peut donner naissance au phénomène d'absorption exaltée de surface (ou SEIRA) de molécules placées à proximité. Il est alors possible d'observer les lignes d'absorption d'une très faible quantité de matière et repousser les limites de la spectroscopie infrarouge traditionnelle pour la détection de traces de composés chimiques. Je présente dans un premier temps l'exaltation de la réponse de molécules organiques par un résonateur optique de Helmholtz dans une configuration dite sur-couplée. Celle-ci permet une exaltation intense de l'absorption moléculaire et sur une large bande spectrale, proche de la réponse de molécules seules et liée à la quantité de matière sondée. J'exporte ensuite le concept de ce résonateur dans la gamme térahertz. J'explore dans une autre partie différentes stratégies de filtrage spectral dans l'objectif de discriminer une molécule d'une autre. Je présente ainsi le couplage des nano-résonateurs de Helmholtz optiques à des nanocristaux semi-conducteurs pour concevoir une preuve de concept exaltant le photocourant. J'aborde ensuite la possibilité de créer des émetteurs thermiques accordables grâce à des miroirs nanostructurés. Pour terminer, je propose une étude numérique de résonateur à haut facteur de qualité pour l'exaltation SEIRA filtrée et le contrôle du couplage résonateur-molécule.
Fichier principal
Vignette du fichier
133270_PAGGI_2024_diffusion.pdf (34) Télécharger le fichier
Origine Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-04929316 , version 1 (06-02-2025)

Identifiants

  • HAL Id : tel-04929316 , version 1

Citer

Laura Paggi. Application de nano-résonateurs optiques à la conception d'un capteur spécifique de spectroscopie infrarouge. Physique [physics]. Université Paris-Saclay, 2024. Français. ⟨NNT : 2024UPASP032⟩. ⟨tel-04929316⟩
0 Consultations
0 Téléchargements

Partager

More