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ENS Cachan - Laboratoire de photonique quantique et moléculaire

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Optique et nanocristaux

Ancien thème de recherche du LPQM

Pour de nombreuses applications en physique comme en biologie, l'émission de lumière issue de nanoparti­cules est utilisée pour sonder des surfaces ou des cellules. Dans le cadre de la microscopie non-linéaire à deux photons, la détection de fluorescence à deux photons est maintenant assez répandue. Il s'agit d'un processus ré­sonant efficace, mais donc aussi souvent limité par des phénomènes thermiques ou de photoblanchiment. Ce pro­cessus est sans cohérence, c'est-à-dire sans relation de phase avec le faisceau d'excitation. Par ailleurs, pour des structures non-centrosymétriques, un second phénomène, la génération de seconde harmonique (GSH), peut co­exister avec la fluorescence à deux photons. Le laboratoire a montré en 2004 que l'étude simultanée de ces deux effets permet d'extraire l'orientation relative de la structure cristalline d'une nanoparticule isolée. Cependant de nombreuses propriétés propres à la GSH n'avaient pas été exploitées. Par exemple la GSH peut être non-réso­nante, donc conduire à une émission de photons très stable, qualité recherchée pour une sonde. De plus, l'onde harmonique générée est cohérente avec l'onde excitatrice, ce qui permet d'envisager des méthodes de détection interférométrique. Cependant la génération de seconde harmonique est souvent peu efficace. Au cours de ces 4 dernières années, nous avons étudié la possibilité d'utiliser des nanocristaux nonlinéaires actifs en génération de seconde harmonique et développé les techniques de microscopie associées.

Mise au point de nanocristaux non-linéaires de KTP pour la microscopie non-linéaire. Le Xuan Small (2008). Zhou Chin. Opt. Lett. (2007).

La première étape a consisté à mettre à jour de nouveaux nanocristaux non-linéaires efficaces en GSH, même non-résonante. Nous sommes partis d'une idée simple. Des cristaux inorganiques comme le tytanyl phosphate de potassium (KTP) sont des matériaux bien connus, efficaces et résistants en optique non-li­néaire « macroscopique ». Peut-on obtenir des nanocristaux de KTP ? Pour cela, en collaboration avec la société Cristal Laser en France et le Laboratoire LPMC de Polytechnique, nous avons d'abord trié des poudres de KTP issues de croissance par méthode par flux, puis il a même été possible de faire croître ces nanocristaux directement par méthode chimique. L'émission de GSH d'un nanocristal isolé de KTP d'une taille allant de 30 nm à 100 nm est d'une part facilement détectable dans un microscope à deux photons, mais aussi parfaitement stable pendant des heures.

Polarimétrie non-linéaire et imagerie défocalisée de l'émission de seconde harmonique de nanocristaux non-linéaires Sandeau Opt. Expr. (2007).

Le diagramme de rayonnement et la polarisation de la GSH émise par un nanocristal de KTP sont directe­ment reliés à la polarisation du champ excitateur ainsi qu'à l'orientation en trois dimensions de la structure du nanocristal. Nous avons pu montrer que l'analyse polarimétrique de la GSH, associée à l'imagerie défo­calisée du diagramme de rayonnement du nanocristal, méthode originale pour la GSH, permet d'extraire de façon précise (+/- 5°) l'orientation des axes du nanocristal. La connaissance de cette orientation est cruciale pour l'utilisation des nanocristaux de KTP en tant que sonde.

Mise au point d'une méthode de détection homodyne équilibrée pour détection des champs de second-harmonique très faible et mesure la phase de la génération de seconde harmonique. Le Xuan Appl. Phys. Lett. (2006)

Bien que les nanocristaux de KTP soient efficaces pour la GSH, l'émission de photons est proportionnelle à la taille à la puissance 6 des nanocristaux et on atteint vite la limite de détection du microscope en dimi­nuant cette taille. Une voie possible pour dépasser cette limite, liée au bruit d'obscurité des photodiodes à avalanche, est de réaliser une détection interférométrique de la GSH émise par les nanocristaux, en parti­culier la détection cohérente homodyne équilibrée est bien adaptée à la mesure du champ très faible émis par un nanocristal. Une telle détection n'avait jamais été réalisée sur un nanocristal unique au foyer d'un microscope. Nous avons pu démontrer expérimentalement le principe d'une telle microscopie, aujourd'hui déjà compétitive avec la détection par photodiode à avalanche (quelques photons par seconde). De plus une détection interférométrique est capable d'extraire la phase de la GSH et ainsi d'apporter une informa­tion sur l'orientation absolue du nanocristal.

Etude d’une nanoparticule de KTP de taille 60 nm : (a) Image top

Fonctionnalisation de pointes de microscope à force atomique par des billes d'or pour l'étude de l'interac­tion plasmonique entre une bille d'or et un nanocristal de KTP.

Grâce à l'acquisition d'un microscope à force atomique que nous avons adapté à notre microscope à deux photons, nous avons pu commencer l'étude de nouvelles microscopies fondées sur l'utilisation de la GSH d'un nanocristal de KTP pour sonder des champs électromagnétiques intenses pouvant exister au voisi­nage de surface ou de nanostructures excitées par des faisceaux ultrarapides. Dans ce cadre une pre­mière étape est de considérer l'interaction entre une nanobille métallique et un nanocristal de KTP isolé. Pour cela, en collaboration avec Yannick De Wilde (ESPCI) nous avons fonctionnalisé des pointes AFM avec des nanobilles d'or pour ensuite les approcher au voisinage de nanocristaux de KTP. En modifiant la configuration du champ excitateur, nous avons clairement observé que le nanocristal de KTP était sensible au champ électromagnétique créé par la nanobille. Ces études sont en cours. (Le Xuan-Loc et al. Poster EOS 2008).