Influence of surface plasmons propagation on the coherence of optical systems
Influence des plasmons de surface propagatifs sur la cohérence de systèmes optiques
Résumé
This experimental thesis studies effects induced by the spatial extension of surface plasmon polaritons on the emission properties of organic and inorganic materials. First, we focused on leakage radiation microscopy images, a technic which is now widely used in a lot of different scientific fields, as biology for exemple. We showed that the detected emission at a given point of the fluorescence image of an assembly of emitters mostly comes from the environment and not from the observed point, defining an influence circle related to the surface plasmon propagation length. When the surface plasmon strongly interact with emitters, the strong coupling leads to energy modifications in the system and new hybride states excitons-plasmons appear called polaritons. All the different localized emitters (aggregated dye chains) are not independant anymore. Diffusion measurments showed a collective effect induced by the strong-coupling. Two Young's slits experiment added on the optical system confirm that an extended coherent state of several micrometers is created as predicted by theory. All emitters behave as only one macromolecule where the interaction is mediated by the surface plasmon.
Cette thèse expérimentale s'est attachée à l'étude des effets induits par l'extension spatiale des plasmons de surface sur l'émission de matériaux organiques et inorganiques. Le système est formé d'un ensemble d'émetteurs localisés émettant principalement des plasmons de surface délocalisés. Dans un premier temps, nous nous sommes intéressés à l'imagerie par microscopie plasmon, technique de plus en plus utilisée dans divers domaines, notamment la biologie. Nous avons montré que l'émission détectée en un point provient essentiellement de l'environnement et non du point observé, définissant ainsi un cercle d'influence lié à la longueur de propagation du plasmon de surface. Quand le plasmon interagit plus fortement avec des émetteurs, il peut entrer en régime de couplage fort. Ce couplage fort se traduit par un changement dans les énergies du système et par l'apparition de nouveaux états hybrides excitons-plasmons, les polaritons. Les différents émetteurs localisés (des chaines de colorants agrégés) ne sont alors plus indépendants entre eux. Des mesures de diffusion montrent un effet collectif induit par le couplage fort. Ces expériences ont été confirmées par des mesures de cohérence spatiale, réalisées en ajoutant une expérience de fentes d'Young au dispositif de microscopie plasmon. Il apparait qu'un état cohérent étendu sur plusieurs microns se forme, conformément aux prévisions théoriques. L'ensemble d'émetteurs se comporte alors comme une macromolécule, dont l'interaction est induite par le plasmon de surface.