EP2286413A1 - Dispositif de focalisation de lumiere a des dimensions sub-longueur d'onde a fort rendement - Google Patents

Dispositif de focalisation de lumiere a des dimensions sub-longueur d'onde a fort rendement

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Publication number
EP2286413A1
EP2286413A1 EP09749843A EP09749843A EP2286413A1 EP 2286413 A1 EP2286413 A1 EP 2286413A1 EP 09749843 A EP09749843 A EP 09749843A EP 09749843 A EP09749843 A EP 09749843A EP 2286413 A1 EP2286413 A1 EP 2286413A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
focusing device
cavity
wavelength
optical focusing
optical
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP09749843A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Marianne Consonni
Jérôme HAZART
Gilles Lerondel
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Universite de Technologie de Troyes
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Original Assignee
Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Universite de Technologie de Troyes
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Commissariat a lEnergie Atomique CEA, Universite de Technologie de Troyes, Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA filed Critical Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Publication of EP2286413A1 publication Critical patent/EP2286413A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B5/00—Optical elements other than lenses
    • G02B5/008—Surface plasmon devices
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01Q—SCANNING-PROBE TECHNIQUES OR APPARATUS; APPLICATIONS OF SCANNING-PROBE TECHNIQUES, e.g. SCANNING PROBE MICROSCOPY [SPM]
    • G01Q60/00—Particular types of SPM [Scanning Probe Microscopy] or microscopes; Essential components thereof
    • G01Q60/18—SNOM [Scanning Near-Field Optical Microscopy] or apparatus therefor, e.g. SNOM probes
    • G01Q60/22—Probes, their manufacture, or their related instrumentation, e.g. holders
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10S—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10S359/00—Optical: systems and elements
    • Y10S359/90—Methods

Definitions

  • the field of the invention is that of optical focusing devices with sub-wavelength dimensions.
  • sub-wavelength optical focusing device is meant a device which, when illuminated, allows the creation of secondary sources having dimensions much smaller than the wavelength.
  • the applications of these types of secondary sources are very numerous and concern as well the fields of nanolithography and optical recording as biology, microscopy, ...
  • One of the main techniques used is to illuminate a hole smaller than the wavelength pierced in a metal film. This produces a light spot at the exit of the subwavelength hole. By this means alone, it is difficult to obtain a high intensity and a good directivity. Also, various refinement techniques have been proposed to improve these parameters.
  • the first of these techniques is called enhanced emission by excitation of surface plasmons.
  • the pithasmons are particular solutions to the Maxwell equations at the interface between certain media, especially metallic media.
  • the optical focusing devices according to this technique comprise, as indicated in FIGS. 1 and 2, concentric metal networks 2 centered on the focusing hole 1.
  • a macroscopic lens 3 can complete the device.
  • FIG. 1 is a schematic sectional view of the device and FIG. metal networks 2 of the same device. When illuminating this device, surface plasmons are generated. The propagation then the coupling of these plasmons with the modes of the hole then induces an increase in the total flux introduced into the subwavelength opening and makes it possible to improve the energy efficiency of the device.
  • the ratio of the light power transmitted through the subwavelength aperture to the total light power with which the device is illuminated is referred to as efficiency.
  • efficiency The ratio of the light power transmitted through the subwavelength aperture to the total light power with which the device is illuminated. Examples of such devices can be found in US Patent Application Nos. 6834027, US 6982844, US 7085220, US 7149395, US 7154820, WO 2006/067734 and US 2007/0048628 and in the following publications: Science 297, 820 (2002) - Phys. Rev. Lett. 90, 167401 (2003) - Opt. Expr. 12, 3694 (2004) - J.Opt. Soc. Soul; B 23, 419 (2006) - Opt. Expr. 15, 7984 (2007) and Phys. Rev. Lett. 99, 043902 (2007).
  • This technique significantly improves the transmission of optical flux through the aperture.
  • this device still has poor performance.
  • a good performance must be above 10% and a very good performance beyond 20%.
  • the size of the spot obtained remains at least of the order of a few hundred nanometers, which may be insufficient for some applications.
  • the second of these techniques is said to contain reinforced by using surface plasmons.
  • the purpose of this technique is to allow the generation of an intense and highly localized hot spot.
  • the principle is to propagate plasmons along a guide or metal tip 4 called "tap" whose section gradually decreases.
  • the field of the plasmons is thus progressively confined to a very small section, a phenomenon which is consequently accompanied by an increase in the intensity of the field.
  • Figures 3 and 4 illustrate two possible embodiments of this technique.
  • the "tap” consists of a metal-dielectric-metal guide.
  • the dielectric portion has a triangular shape providing confinement.
  • the "tap” section ranges from 50 nanometers in its widest width to only 1 nanometer in its narrowest width (to the right of Figure 3).
  • the metal can be silver and the dielectric of silica.
  • the "tap” 4 consists of a nanostructured metal tip.
  • the arrow vertical represents the excitation wave and the horizontal arrow the generated plasmonic wave. Examples of such devices are found in US Patents 7106935, US 2006/0274611 and Phys. Rev. Lett. 97, 176805 (2006) and Nano Lett. 7, 2784 (2007) and in J. Conway's thesis (UCLA, 2006). In this case, the results of confinement of the field are very conclusive. Thus, it is possible to obtain spot sizes of less than 10 nanometers. This type of device, however, remains difficult to perform experimentally and has a poor performance.
  • FIGS. 5 and 6 illustrate two possible embodiments of this technique.
  • the focalization of the plasmons is obtained by means of variable-pitch gratings positioned at the output of a wavelength sublave hole 1.
  • the focusing is obtained by the excitation of plasmons along of a parabolic chain of nanoparticles 6. Examples of this type of device can be found in the following publications: Nature Phys. 3, 301 (2007), Appl; Phys.
  • the secondary source point produced by the focusing device according to the invention does not have these disadvantages.
  • the principle implemented consists in reinforcing the emission of a focusing device composed of at least one subwavelength aperture which may be, for example, a slot pierced in a metal film, the said opening being overcome an optical cavity that increases the efficiency of the device.
  • the subject of the invention is an optical focusing device comprising at least one focusing structure comprising a metal film comprising at least one opening passing through the film and having dimensions of an order of magnitude less than the wavelength of the film.
  • the focusing device characterized in that the focusing structure comprises at least one optical cavity, the optical cavity opening on the opening so that, when the structure is illuminated by an optical flux at the wavelength d use of the focusing device, a large part of this flux is concentrated on the opening or openings by said cavity.
  • the metal film has a single opening through the film.
  • the optical cavity is centered on the opening.
  • the optical cavity may comprise at least one mirror, the mirror consisting of an alternation of layers forming patterns reflecting the plasmons arranged on the film, the layers being alternately made of metal and dielectric material and acting as plasmon reflectors, said plasmons being generated when the focusing structure is illuminated by an optical flux at the wavelength of use of the optical focusing device.
  • the pitch of the patterns reflecting the plasmons is substantially equal to half a wavelength of the piasmons.
  • the layers are concentric, centered on the opening and arranged on the film.
  • the cavity is a hole made in the metal film opening on at least one opening, the diameter of the cavity being one or two orders of magnitude greater than the dimensions of said opening and its depth being less than the thickness of the metal film.
  • the cavity is a hole made in the metal film emerging on at least one opening and the structure comprises an alternation of layers forming patterns, arranged on the film, the layers being alternately made of metal and material. dielectric and whose function is to enhance the generation of plasmons.
  • the pitch of the patterns enhancing the generation of the plasmons is substantially equal to an integer number of plasmon wavelengths.
  • the film may have a single aperture and the cavity may be centered on the aperture.
  • the pattern section may be either substantially rectangular in shape or substantially trapezoidal in shape.
  • the film is a metal capable of supporting plasmons at the wavelength considered.
  • the film is silver or gold for applications in the visible and infra-red and aluminum for ultraviolet applications.
  • the dielectric material is transparent at the illumination wavelength.
  • the dielectric material for applications in the visible is silica, resin or polymethylmethacrylate (PMMA).
  • the optical focusing device comprises a substrate on which the focusing structure is arranged, the substrate comprising a layer made of a luminescent material.
  • This feature has the advantage of directly using the luminescent material as a source of illumination for the operation of the focusing device
  • the invention also relates to the method of producing an optical focusing device according to the characteristics defined above, such that:
  • a layer of dielectric material is deposited on a substrate
  • the layers constituting the cavity and / or the patterns are lithographically etched in the layer of dielectric material;
  • a metal film is deposited, for example, by evaporation or by spraying or "spin-coating" (the “spin-coating” being a technique for obtaining uniform deposits by high speed centrifugation) on the patterns of the layer of dielectric material so as to constitute the cavity and / or the patterns;
  • the metal film is pierced in particular by means of an ion beam focused so as to achieve the first opening.
  • Figures 1 and 2 show a first embodiment of an optical focusing device according to the prior art
  • Figures 3 and 4 show two variants of a second embodiment of an optical focusing device according to the prior art
  • Figures 5 and 6 show two variants of a third embodiment of an optical focusing device according to the previous part
  • Figures 7 and 8 show a first embodiment of an optical focusing device according to the invention
  • Figures 9 and 10 show a second embodiment of an optical focusing device according to the invention.
  • FIG. 11 represents a third embodiment of an optical focusing device according to the invention
  • FIG. 12 represents a fourth embodiment of a focusing device according to the invention
  • FIG. 13 represents the different steps of the method of producing an optical focusing device according to the invention.
  • the heart of the device according to the invention consists in creating above at least one subwavelength aperture of the optical focusing device a cavity serving in particular as a power concentrator.
  • a cavity serving in particular as a power concentrator.
  • the calculation and the optimization of this type of structure can be done by the finite element method, for example by a software of the type "Comsol Electromagnetics”, or by the method of finite differences in time and space, method called "FDTD", meaning "Finite Difference Time Domain” or by another suitable electromagnetic computation software.
  • the modeling can be done in two dimensions, the simulation can then be extended to the third dimension by applying a symmetry of revolution or by adding structures in the third axis.
  • the various geometrical parameters of the device can be transcribed in the electromagnetic computation software of tye "COMSOL" or "FDTD” or other.
  • the optimization method for example transcribed in a scripting language used to define the "Matlab” or “Python” type geometry, may be local based on “simplex". The optimization is mainly done on the four main parameters of the metallic geometry: the step a and the depth of the layers constituting the network when there is one, the width D of the cavity that they form and the thickness e metal film.
  • the optical focusing device is made of reflecting mirrors of plasmons 7.
  • the device is composed of a subwavelength aperture 1 pierced in a metal film 10 nearby. which plasmon reflectors 7 are placed formed by alternating concentric layers surrounding the opening and forming a network. These layers consist alternately of metal and dielectric material (see on this subject Weber et al., Phys Rev B 70, 235406 (2004) and Nano Lett 7, 1352 (2007)).
  • These mirrors create a cavity around the opening and concentrate the luminous flux in the vicinity thereof, leading on the one hand a decrease in the losses of the system and on the other hand an increase in the amount of field capable of coupling in the 'opening.
  • the conjugation of the two phenomena then leads to an increase in the output intensity of the device.
  • the layers may be arranged either symmetrically as illustrated in FIG. 7 or asymmetrically as illustrated in FIG. 8. In the same way, they may be either centered on the opening as illustrated in FIG. 7, or off-center as illustrated in FIG.
  • the device may also comprise either an opening (in the case of FIGS. 7 and 8), or several openings.
  • the wavelength of the plasmons is calculated by the following dispersion relationship:
  • ⁇ being the wavelength of illumination
  • ⁇ d and ⁇ d being the respective permittivities of the dielectric material and the metal film.
  • the plasmons generated by the aperture and those reflected by the network are in phase. This condition is fulfilled when the width D of the cavity is substantially equal to either the illumination wavelength or an integer p of half the wavelength ⁇ s P of the interfering plasmons.
  • the wavelength of illumination is 532 nanometers
  • the substrate bearing the device is optical index glass 1.48
  • the dielectric material is a layer of "PMMA", acronym for polymethylmetacryate, optical index 1.49 and 150 nanometers thick
  • the metal layer being deposited on said PMMA layer.
  • the metal film is a silver film with a complex optical index of 0.05 ⁇ 3.43 at a wavelength of 532 nanometers. Its thickness is close to 50 nanometers.
  • the dimensions of the opening are of the order of a few tens of nanometers.
  • the aperture may be, for example, a slot 30 nanometers wide perforated in the silver film or a circular aperture.
  • the wavelength of plasmons ⁇ sp is of the order of 320 nanometers.
  • the reflectors may be metal layers whose pitch is substantially equal to half the wavelength of the plasmons to reflect, being close to 160 nanometers.
  • the depth of the patterns of the layers can be close to 75 nanometers. In this case, the optimal width of the cavity is substantially 305 nanometers.
  • the optical focusing device has a resonant metal cavity. It consists essentially of a sub-wavelength opening 1 pierced in a metal film 10, the cavity then being a hole 8 made in the metal fiim opening either on a single opening (case of Figure 9), or on several openings (case of Figure 10), the diameter of the cavity being one or two orders of magnitude greater than the dimensions of the openings and its depth being less than the thickness of the metal fiim.
  • the efficiency of the previous system is thus increased by replacing the metal / dielectric alternation of the plasmon reflector mirrors by a single metal film. This gives a better reflectivity, which reduces the absorption losses in the mirrors.
  • This arrangement then makes it possible to increase the amount of field likely to be cut and to be transmitted through the opening.
  • This all-metal cavity indeed supports clean modes (see on this subject the article of Phys Rev. B 75, 035411 (2007)) whose excitation leads to focus the field in it.
  • the cavity behaves both as a concentrator and an energy reservoir for transmission through the subwavelength aperture, which has the effect of increasing the intensity of the light spot at the output.
  • the width of the cavity must be at least three times greater than the dimensions of the opening and preferably substantially equal to either the illumination wavelength or an integer p of half the wavelength ⁇ sp plasmons that interfere. It is preferable that p is equal to 1 or less than or equal to 5.
  • a resonant metal cavity optical focusing device can operate at the illumination wavelength of 532 nanometers, the light being polarized in TM (Magnetic Transverse) mode, the substrate carrying the device being glass covered with a layer of PMMA, the metal layer being deposited on the said PMMA layer.
  • the metallic film is a silver film.
  • the optimal width of the cavity is substantially 300 nanometers.
  • the optical focusing device is a resonant metal cavity 8 reinforced by surface plasmons.
  • This device aims to optimize the previous device, the goal being to increase the intensity of the light spot at the output and thus improve the efficiency of the system.
  • the first two embodiments consist in confining the field in the vicinity of the opening and in limiting the losses within the structure, this embodiment has the additional objective of introducing a maximum of flux into the cavity. to make the most of the power provided by the incident illumination.
  • the principle consists in adding metal networks 14 at the edge of a cavity 8 as described in FIG. 11 so that their illumination induces the generation of surface plasmons.
  • the structure comprises an alternation of layers surrounding the cavity 8 and disposed on the film 10, the layers being made alternately of metal and dielectric material and whose function is to enhance the generation of plasmons.
  • the propagation then diffraction of these plasmons at the upper edges of the cavity then allows their coupling with the eigen modes thereof and leads to an increase in the field present in the cavity.
  • the width of the cavity must be substantially equal to an integer p of half the wavelength ⁇ sp of the interfering plasmons. Its depth h must be substantially equal to half the wavelength ⁇ sp .
  • the network closest to the cavity must be at a distance d from the edges of the cavity equal to an integer q of half of this same wavelength ⁇ sp of the plasmons.
  • the period or not between two successive layers of the network is substantially equal to the wavelength of the plasmons to reflect.
  • a reinforced resonant metal cavity optical focusing device can operate at the 532 nanometer illumination wavelength, the light being polarized in TM (Magnetic Transverse) mode, the substrate carrying the device being glass covered with a layer of PMMA, the layer metal being deposited on said PMMA layer.
  • the metallic film is a silver film.
  • the optimal width of the cavity is substantially 300 nanometers, its height 180 nanometers, the diameter of the opening is 30 nanometers and its depth 60 nanometers, the minimum network-cavity distance is 160 nanometers, the step of the network is 320 nanometers, the height of the patterns of the network 15 nanometers.
  • the focusing device is made on a substrate of variable thickness, the thickness at the center being greater than the thickness at the periphery of the substrate.
  • This substrate can be, for example, convex.
  • the layers constituting the patterns reflecting or enhancing the generation of plasmons may have a section that is not necessarily rectangular, for example trapezoidal as illustrated in FIG.
  • a transparent substrate for example made of glass, a layer of dielectric, for example an oxide, silica, a resin, polymethylmethylacrylate (PMMA) in which the various layers constituting the cavity and / or the patterns are etched and which constitutes the layer of dielectric material and,
  • a layer of dielectric for example an oxide, silica, a resin, polymethylmethylacrylate (PMMA) in which the various layers constituting the cavity and / or the patterns are etched and which constitutes the layer of dielectric material and,
  • PMMA polymethylmethylacrylate
  • a metal or alloy coating which supports plasmas at the wavelength of use the coating being disposed on said layer of dielectric material.
  • a metal capable of supporting plasmons at the wavelength of use is necessary.
  • silver or gold which are metals capable of supporting the plasmons in the visible and infrared.
  • aluminum may be used.
  • the dielectric material is transparent at the illumination wavelength.
  • the substrate may be made of a luminescent material. Different types of excitation are possible to obtain luminescence, such as photo-luminescence or electroluminescence.
  • photoluminescence the material is illuminated at a given wavelength and emits light at another wavelength.
  • electroluminescence an electric potential is applied to the luminescent material and the latter emits light.
  • the luminescent material is illuminated or when a potential is applied, the luminescent material emits light at the wavelength of use of the focusing device. The light emitted by the luminescent material is directly used as a source of illumination of the focusing device.
  • the substrate may comprise a transparent material and at least one layer made of a luminescent material.
  • a method for producing optical focusing devices according to the invention is detailed in FIG. 13.
  • This method which applies equally to the different types of optical focusing devices according to the invention, essentially comprises the following four steps.
  • a layer of dielectric material 11, for example PMMA is deposited on a substrate, for example glass 12;
  • a second step B the structures constituting the cavity and / or the patterns are etched by lithography, for example electronically in the layer 11 of dielectric material
  • a metal film 10 which may be silver, is deposited, for example by evaporation or by spraying or "spin-coating", on the patterns of the layer 11 of dielectric material so as to constitute the cavity and / or patterns;
  • a fourth step D the metal film is pierced, for example, by means of an ion beam focused so as to produce the opening (s) 1.
  • An additional step of planarization of the metal film after deposition may be necessary in order to planarize the exit surface.
  • the various geometrical parameters of the optical focusing devices according to the invention have the following values, for applications in visible light (wavelength close to 530 nanometers), which corresponds, in the case of silver and PMMA, at a wavelength of plasmons ⁇ sp of the order of 320 nm:
  • Diameter of the optical focusing device on the order of one to several microns;
  • Width of aperture or subwavelength apertures approximately 30 nanometers
  • Depth of aperture or subwavelength apertures approximately 60 nanometers; • Diameter of the metal cavity: of the order of the wavelength or substantially equal to an integer wavelength of plasmons ⁇ sp , namely 310 nanometers;
  • Depth of the metal cavity 100 to 200 nanometers
  • the pitch is substantially equal to half a wavelength of plasmons ⁇ sp-
  • the pitch is substantially equal to an integer number of wavelengths of plasmons ⁇ sp : 320 nanometers;
  • the aperture is unique and makes it possible to obtain a single intense light spot of very small dimensions. It is possible to adapt the geometry of the opening, the cavity and the patterns of the gratings to obtain more complex light patterns. By way of example, it is possible to use a slit in the form of an elongated rectangle of very small width, of the order of a few tens of nanometers. It is shown that it is possible to obtain several light spots at the exit of the slot.
  • FDTD time-domain finite difference methods
  • an oval or racetrack-shaped cavity is better suited than a circular cavity and gives better performance.
  • the excitation conditions of the surface plasmons are not limited to the silver film pair and illumination wavelength of 532 nanometers. Depending on the wavelength, different metals may be suitable.
  • At the wavelength of 248 nanometers at least the following materials can be used to make the metal film: Beryllium - Aluminum - Silica - Vanadium - Chromium - Iron - Cobalt - Nickei - Copper - Germanium - Niobium - Molybdenum - Rhodium - Palladium - Tin - Antimony - Rhenium - Osmium - Iridium - Platinum
  • At the wavelength of 405 nanometers at least the following materials can be used to make the metal film:
  • At the wavelength of 532 nanometers at least the following materials can be used to make the metal film:
  • the best performing metal is silver.
  • the best candidate is aluminum.
  • the possible choices for a focusing device to operate in the violet-violet, at the wavelength of 248 nanometers are an aluminum film whose complex optical index is 0.19 + 2.94i and a dielectric transparent to UV as the sapphire index 1.9.
  • optical focusing devices when illuminated compact and effective near field optical sources that have multiple applications. These range from nanolithography where these sources can be used to make high-resolution point-to-point lithography in optical storage. In this case, they can be inserted into the high-capacity writing or reading systems, for example in systems including "SIL", an acronym for "Solid Immersion Lenses”.
  • SIL Solid Immersion Lenses
  • the optical focusing devices can also be applied to the field of optical tongs, where their high efficiency makes it possible to solve the problem of the available energy and to use lower power illumination sources. more easily manipulated.
  • These high efficiency devices can also improve the detection efficiency in the fields of photodetection devices by decreasing the associated noise level.

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Abstract

Le domaine général de l'invention est celui des dispositifs de focalisation de lumière à des dimensions sub-iongueur d'onde comprenant au moins une structure de focalisation comportant un film métallique comportant une première ouverture traversant le film et de dimensions d'un ordre de grandeur inférieures à la longueur d'onde d'utilisation du dispositif de focalisation. Dans les dispositifs selon l'invention, la structure de focalisation comporte au moins une cavité optique disposée sur l'ouverture de façon que, lorsque la structure est éclairée par un flux optique à la longueur d'onde d'utilisation du dispositif, une partie importante de ce flux est concentrée sur l'ouverture par ladite cavité. Plusieurs modes de réalisation sont décrits utilisant différents types de cavité pouvant comporter des réflecteurs à plasmon.

Description

Dispositif de focalisation de lumière à des dimensions sub-longueur d'onde à fort rendement.
Le domaine de l'invention est celui des dispositifs de focalisation optique à des dimensions sub-longueur d'onde. On entend par dispositif de focalisation optique sub-longueur d'onde un dispositif qui, lorsqu'il est éclairé, permet Ia création de sources secondaires ayant des dimensions nettement inférieures à la longueur d'onde. Les applications de ces types de sources secondaires sont très nombreuses et concernent aussi bien les domaines de la nanolithographie et de l'enregistrement optique que la biologie, la microscopie, ...
On sait qu'en optique classique, une des limites à la taille des sources lumineuses est liée à la diffraction de la lumière, les sources ayant des dimensions minimales de l'ordre de grandeur de la longueur d'onde. Différentes techniques permettent de franchir cette barrière et de réaliser des dispositifs de focalisation de lumière, qui, lorsqu'ils génèrent des sources de dimensions de l'ordre de grandeur de quelques nanomètres ou de quelques dizaines de nanomètres, sont communément appelés des nanosources.
Une des principales techniques utilisées consiste à illuminer un trou de dimension inférieure à la longueur d'onde percé dans un film métallique. On obtient ainsi un spot lumineux en sortie du trou de taille sub- longueur d'onde. Par ce seul moyen, il est difficile d'obtenir une intensité élevée et une bonne directivité. Aussi, différentes techniques de perfectionnement ont été proposées pour améliorer ces paramètres.
La première de ces techniques est dite à émission renforcée par excitation de plasmons de surface. Les pîasmons sont des solutions particulières aux équations de Maxwell à l'interface entre certains milieux, notamment métalliques. Les dispositifs de focalisation optique selon cette technique comportent comme indiqué sur les figures 1 et 2 des réseaux métalliques concentriques 2 centrés sur le trou de focalisation 1. Une lentille macroscopique 3 peut compléter le dispositif. La figure 1 est une vue en coupe schématique du dispositif et la figure 2 une vue de dessus des réseaux métalliques 2 du même dispositif. Lorsqu'on illumine ce dispositif, des plasmons de surface sont générés. La propagation puis le couplage de ces plasmons avec les modes du trou induit alors une augmentation du flux total introduit dans l'ouverture sub-longueur d'onde et permet d'améliorer le rendement énergétique du dispositif. On appelle rendement le rapport entre la puissance lumineuse transmise à travers l'ouverture sub-longueur d'onde et la puissance lumineuse totale avec laquelle le dispositif est éclairé. On trouvera des exemples de ce type de dispositifs dans les demandes de brevet ou brevets US 6834027, US 6982844, US 7085220, US 7149395, US 7154820, WO 2006/067734 et US 2007/0048628 et dans les publications suivantes : Science 297, 820 (2002) - Phys. Rev. Lett. 90, 167401 (2003) - Opt. Expr. 12, 3694 (2004) - J.Opt. Soc. Ame ; B 23, 419 (2006) - Opt. Expr. 15, 7984 (2007) et Phys. Rev. Lett. 99, 043902 (2007). Cette technique permet d'améliorer de façon significative la transmission du flux optique à travers l'ouverture. Cependant, ce dispositif présente encore un rendement médiocre. Dans ce type d'application, on considère qu'un bon rendement doit se situer au-delà de 10% et un très bon rendement au-delà de 20%. De plus, la taille du spot obtenu reste au minimum de l'ordre de quelques centaines de nanomètres, ce qui peut s'avérer insuffisant pour certaines applications.
La seconde de ces techniques est dite à confinement renforcé par utilisation de plasmons de surface. Le but de cette technique est de permettre la génération d'un point chaud intense et fortement localisé. Le principe consiste à propager des plasmons le long d'un guide ou d'une pointe métallique 4 appelé « taper » dont la section diminue progressivement. Le champ des plasmons est ainsi progressivement confiné sur une très petite section, phénomène qui s'accompagne en conséquence d'une augmentation de l'intensité du champ. Les figures 3 et 4 illustrent deux modes de réalisation possibles de cette technique. Sur la figure 3, le « taper » est constitué d'un guide métal-diélectrique-métal. La partie diélectrique a une forme triangulaire assurant le confinement. Dans cet exemple, la section du « taper » varie de 50 nanomètres dans sa plus grande largeur à 1 nanomètre seulement dans sa plus faible largeur (à droite de Ia figure 3). Le métal peut être de l'argent et le diélectrique de la silice. Sur la figure 4, le « taper » 4 est constitué d'une pointe métallique nanostructurée. Sur cette figure, la flèche verticale représente l'onde d'excitation et la flèche horizontale l'onde plasmonique engendrée. On trouvera des exemples de ce type de dispositifs dans les brevets US 7106935, US 2006/0274611 et les publications Phys. Rev. Lett. 97, 176805 (2006) et Nano Lett. 7, 2784 (2007) ainsi que dans la thèse de J. Conway (UCLA, 2006). Dans ce cas, les résultats de confinement du champ sont très concluants. Ainsi, il est possible d'obtenir des tailles de spot de moins de 10 nanomètres. Ce type de dispositif reste cependant difficile à réaliser expérimentalement et possède un mauvais rendement.
La dernière technique d'obtention d'un dispositif de focalisation optique repose sur la focalisation de plasmons de surface. Le principe consiste à exciter des plasmons selon différentes directions de façon que leur propagation dans chacune de ces directions les fasse converger en un point unique et génère ainsi un spot intense de faibles dimensions. A titre d'exemples, les figures 5 et 6 illustrent deux modes de réalisation possibles de cette technique. Sur la figure 5, la focaiisation des plasmons est obtenue par le biais de réseaux 5 à pas variable positionnés en sortie d'un trou sublongueur d'onde 1. Sur la figure 6, la focalisation est obtenue par l'excitation de plasmons le long d'une chaîne parabolique de nanoparticuies 6. On trouvera des exemples de ce type de dispositifs dans les publications suivantes: Nature Phys. 3, 301 (2007), Appl ; Phys. Lett. 91 , 061124 (2007), J. Opt ; soc. Am. A 25, 238 (2008) et Opt. Expr. 15, 6576 (2007). Cette technique possède l'avantage de permettre un contrôle direct de la distance entre la structure et la position du spot lumineux généré. La dimension de celui-ci reste cependant relativement élevée, ce qui peut être gênant pour certaines applications.
Ces techniques présentent un certain nombre d'inconvénients. Dans le cas de l'émission renforcée par excitation de piasmons de surface ou de la focalisation de plasmons de surface, la taille du spot lumineux obtenu reste assez grande, de Tordre de quelques centaines de nanomètres si on considère le domaine des longueurs d'onde visibles, ce qui reste insuffisant dans bon nombre d'applications manipulant Ie champ à i'échelle nanométrique comme la lithographie ou le stockage optique haute densité. La technique à confinement renforcé par utilisation de plasmons de surface permet un confinement important du champ. Cependant, elle est plus difficile à mettre en œuvre et le rendement de ces structures reste assez faible, de l'ordre de quelques pour cents. Dans le cas de l'émission renforcée par excitation de plasmons de surface, le rendement est aussi insuffisant.
Le point source secondaire produit par le dispositif de focalisation selon l'invention ne présente pas ces inconvénients. Le principe mis en œuvre consiste à renforcer l'émission d'un dispositif de focalisation composé d'au moins une ouverture sub-longueur d'onde qui peut être, par exemple, une fente percée dans un film métallique, la dite ouverture étant surmontée d'une cavité optique qui augmente le rendement du dispositif.
Plus précisément, l'invention a pour objet un dispositif de focalisation optique comprenant au moins une structure de focalisation comportant un film métallique comportant au moins une ouverture traversant le film et de dimensions d'un ordre de grandeur inférieures à la longueur d'onde d'utilisation du dispositif de focalisation, caractérisé en ce que la structure de focalisation comporte au moins une cavité optique, la cavité optique débouchant sur l'ouverture de façon que, lorsque la structure est éclairée par un flux optique à la longueur d'onde d'utilisation du dispositif de focalisation, une partie importante de ce flux est concentrée sur l'ouverture ou les ouvertures par ladite cavité.
Préférentiellement, le film métallique comporte une seule ouverture traversant le film.
Avantageusement, la cavité optique est centrée sur l'ouverture. Dans un premier mode de réalisation, la cavité optique peut comporter au moins un miroir, le miroir étant constitué d'une alternance de couches formant des motifs réfléchissant les plasmons disposés sur le film, les couches étant constituées alternativement de métal et de matériau diélectrique et faisant fonction de réflecteurs à plasmons, lesdits plasmons étant générés lorsque la structure de focalisation est éclairée par un flux optique à la longueur d'onde d'utilisation du dispositif de focalisation optique. Avantageusement, dans ce cas, le pas des motifs réfléchissant les plasmons est sensiblement égal à la moitié d'une longueur d'onde des piasmons. Avantageusement, les couches sont concentriques, centrées sur l'ouverture et disposées sur le film.
Dans un second mode de réalisation, la cavité est un trou réalisé dans le film métallique débouchant sur au moins une ouverture, le diamètre de la cavité étant d'un ou deux ordres de grandeur supérieur aux dimensions de ladite ouverture et sa profondeur étant inférieure à l'épaisseur du film métallique.
Dans un troisième mode de réalisation, la cavité est un trou réalisé dans le film métallique débouchant sur au moins une ouverture et la structure comporte une alternance de couches formant des motifs, disposées sur le film, les couches étant constituées alternativement de métal et de matériau diélectrique et dont la fonction est de renforcer la génération de plasmons.
Préférentiellement, le pas des motifs renforçant la génération des plasmons est sensiblement égal à un nombre entier de longueurs d'onde de plasmons. Le film peut comporter une seule ouverture et la cavité peut être centrée sur l'ouverture. La section des motifs peut être soit de forme sensiblement rectangulaire, soit de forme sensiblement trapézoïdale.
Avantageusement, le film est un métal apte à supporter des plasmons à la longueur d'onde considérée. Préférentieilement, le film est en argent ou en or pour des applications dans le visible et dans l'infra-rouge et en aluminium pour des applications dans l'ultraviolet.
Avantageusement, le matériau diélectrique est transparent à la longueur d'onde d'illumination. Selon une caractéristique, le matériau diélectrique pour des applications dans le visible est de la silice, de la résine ou encore du polyméthylmétacrylate (PMMA).
Avantageusement, le dispositif de focalisation optique comporte un substrat sur lequel est disposée la structure de focalisation, le substrat comportant une couche constituée d'un matériau luminescent.
Cette caractéristique présente l'avantage d'utiliser directement le matériau luminescent comme une source d'illumination pour le fonctionnement du dispositif de focalisation L'invention concerne également le procédé de réalisation d'un dispositif de focalisation optique selon les caractéristiques définies ci-dessus, tel que :
• Dans une première étape, une couche de matériau diélectrique est déposée sur un substrat ;
• Dans une seconde étape, les couches constituant la cavité et /ou les motifs sont gravées par lithographie dans la couche de matériau diélectrique ;
• Dans une troisième étape, un film métallique est déposé, par exemple, par évaporation ou par pulvérisation ou par « spin- coating » (le « spin-coating » étant une technique permettant d'obtenir des dépôts uniformes par centrifugation à haute vitesse) sur les motifs de la couche de matériau diélectrique de façon à constituer la cavité et /ou les motifs ; • Dans une quatrième étape, le film métallique est percé en particulier au moyen d'un faisceau d'ions focalisés de façon à réaliser ia première ouverture.
L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre donnée à titre non limitatif et grâce aux figures annexées parmi lesquelles :
Les figures 1 et 2 représentent un premier mode de réalisation d'un dispositif de focalisation optique selon l'art antérieur ;
Les figures 3 et 4 représentent deux variantes d'un second mode de réalisation d'un dispositif de focalisation optique selon l'art antérieur ;
Les figures 5 et 6 représentent deux variantes d'un troisième mode de réalisation d'un dispositif de focalisation optique selon Part antérieur ;
Les figures 7 et 8 représentent un premier mode de réalisation d'un dispositif de focalisation optique selon l'invention ;
Les figures 9 et 10 représentent un second mode de réalisation d'un dispositif de focalisation optique selon l'invention ;
La figure 11 représente un troisième mode de réalisation d'un dispositif de focalisation optique selon l'invention ; La figure 12 représente un quatrième mode de réalisation d'un dispositif de focalisation selon l'invention ;
La figure 13 représente les différentes étapes du procédé de réalisation d'un dispositif de focalisation optique selon l'invention.
Comme il a été dit, le cœur du dispositif selon l'invention consiste à créer au-dessus d'au moins une ouverture sub-longueur d'onde du dispositif de focalisation optique une cavité servant en particulier de concentrateur d'énergie. Il existe différentes techniques de réalisation de cette cavité. Le calcul et l'optimisation de ce type de structure peuvent être faits par la méthode des éléments finis, par exemple par un logiciel de type « Comsol Electromagnetics», ou bien par la méthode des différences finies dans le temps et l'espace, méthode dite « FDTD », signifiant « Finite Différence Time Domain » ou encore par un autre logiciel de calcul électromagnétique adéquat. La modélisation peut être faite en deux dimensions, la simulation pouvant ensuite être étendu à la troisième dimension en lui appliquant une symétrie de révolution ou bien par un ajout de structures dans le troisième axe. Les différents paramètres géométriques du dispositif peuvent être transcrits dans le logiciel de calcul électromagnétique de tye « COMSOL » ou « FDTD » ou autre. La méthode d'optimisation, par exemple transcrite dans un langage de script servant à définir la géométrie de type « Matlab » ou « Python » peut être locale à base de « simplexe ». L'optimisation s'effectue principalement sur les quatre principaux paramètres de la géométrie métallique : le pas a et la profondeur des couches constituant le réseau quand il y en a un, la largeur D de la cavité qu'ils forment et l'épaisseur e du film métallique.
A titre de premiers exemples de réalisation illustrés en figures 7 et 8, le dispositif de focalisation optique est à miroirs réflecteurs de plasmons 7. Le dispositif est composé d'une ouverture 1 sub-longueur d'onde percée dans un film métallique 10 à proximité duquel on place des réflecteurs de plasmons 7 formés par une alternance de couches concentriques entourant l'ouverture et formant un réseau. Ces couches sont constituées alternativement en métal et en matériau diélectrique (voir sur ce sujet Weber et al., Phys. Rev. B 70, 235406 (2004) et Nano Lett. 7, 1352 (2007)). Ces miroirs créent une cavité autour de l'ouverture et concentrent le flux lumineux au voisinage de celle-ci, entraînant d'une part une diminution des pertes du système et d'autre part une augmentation de la quantité de champ susceptible de se coupler dans l'ouverture. La conjugaison des deux phénomènes conduit alors à une augmentation de l'intensité en sortie du dispositif. Les couches peuvent être disposées soit de façon symétrique comme illustré en figure 7 ou dissymétriques comme illustré en figure 8. De la même façon, elles peuvent être soit centrées sur l'ouverture comme illustré en figure 7, soit décentrées comme illustré en figure 8. Le dispositif peut également comporter soit une ouverture (cas des figures 7 et 8), soit plusieurs ouvertures. La longueur d'onde des plasmons est calculée par la relation de dispersion suivante :
AP > λ étant la longueur d'onde d'illumination, εd et εd étant les permittivités respectives du matériau diélectrique et du film métallique.
Il est important que les plasmons générés par l'ouverture et ceux réfléchis par le réseau soient en phase. Cette condition est remplie lorsque la largeur D de la cavité est sensiblement égale soit à la longueur d'onde d'illumination, soit à un nombre entier p de la moitié de la longueur d'onde λsP des plasmons qui interfèrent.
A titre d'exemple de réalisation non limitatif d'un dispositif de focalisation optique à miroirs réflecteurs de plasmons, la longueur d'onde d'illumination est de 532 nanomètres, la lumière étant polarisée en mode TM (Transverse Magnétique), le substrat portant le dispositif est du verre d'indice optique 1.48, le matériau diélectrique est une couche de « PMMA », acronyme de polyméthylmétacryiate, d'indice optique 1.49 et d'épaisseur 150 nanomètres, la couche métallique étant déposée sur la dite couche de PMMA. Le film métallique est un film d'argent dont l'indice optique complexe vaut 0.05+3.43Î à la longueur d'onde de 532 nanomètres. Son épaisseur est voisine de 50 nanomètres. Les dimensions de l'ouverture sont de l'ordre de quelques dizaines de nanomètres. L'ouverture peut être, par exemple, une fente de 30 nanomètres de largeur perforée dans le film d'argent ou une ouverture circulaire. Dans cette configuration et avec ce choix de matériau, la longueur d'onde des plasmons λsp est de l'ordre de 320 nanomètres. Les réflecteurs peuvent être des couches métalliques dont le pas est sensiblement égal à la moitié de la longueur d'onde des plasmons à réfléchir, soit voisin de 160 nanomètres. La profondeur des motifs des couches peut être voisine de 75 nanomètres. Dans le cas présent, la largeur optimale de la cavité vaut sensiblement 305 nanomètres.
A titre de seconds exemples de réalisation illustrés en figures 9 et 10, le dispositif de focalisation optique est à cavité métallique résonante. Il est composé essentiellement d'une ouverture sub-longueur d'onde 1 percée dans un film métallique 10, la cavité étant alors un trou 8 réalisé dans le fiim métallique débouchant soit sur une ouverture unique (cas de la figure 9), soit sur plusieurs ouvertures (cas de la figure 10), le diamètre de la cavité étant d'un ou deux ordres de grandeur supérieur aux dimensions des ouvertures et sa profondeur étant inférieure à l'épaisseur du fiim métallique. On augmente ainsi l'efficacité du système précédent en remplaçant l'alternance métal/diélectrique des miroirs réflecteurs de plasmons par un film métallique unique. On obtient ainsi une meilleure réflectivité, ce qui réduit les pertes par absorption dans les miroirs. Cette disposition permet ensuite d'augmenter la quantité de champ susceptible de se coupier et d'être transmise à travers l'ouverture. Cette cavité entièrement métallique supporte en effet des modes propres (voir sur ce sujet l'article de Phys. Rev. B 75, 035411 (2007)) dont l'excitation conduit à concentrer le champ dans celle-ci. La cavité se comporte à la fois comme un concentrateur et un réservoir d'énergie pour la transmission à travers l'ouverture sub-longueur d'onde, ce qui a pour conséquence d'augmenter l'intensité du spot lumineux en sortie. La largeur de ia cavité doit être au moins trois fois supérieure aux dimensions de l'ouverture et préférentiellement sensiblement égale soit à la longueur d'onde d'illumination, soit à un nombre entier p de la moitié de la longueur d'onde λsp des plasmons qui interfèrent. Il est préférable que p soit égal à 1 ou inférieur ou égal à 5.
Comme dans l'exemple précédent, un dispositif de focalisation optique à cavité métallique résonnante peut fonctionner à la longueur d'onde d'illumination de 532 nanomètres, la lumière étant polarisée en mode TM (Transverse Magnétique), le substrat portant le dispositif est du verre recouvert d'une couche de PMMA, la couche métallique étant déposée sur la dite couche de PMMA. Le film métallique est un film d'argent. Dans le cas présent, la largeur optimale de la cavité vaut sensiblement 300 nanomètres.
A titre de troisième exemple de réalisation illustré en figure 11 , le dispositif de focalisation optique est une cavité métallique résonante 8 renforcée par plasmons de surface. Ce dispositif a pour but d'optimiser le dispositif précédent, le but étant d'augmenter au maximum l'intensité du spot lumineux en sortie et donc d'améliorer l'efficacité du système. Tandis que les deux premières réalisations consistent à confiner le champ au voisinage de l'ouverture et à limiter les pertes au sein de la structure, ce mode de réalisation a pour objectif supplémentaire d'introduire un maximum de flux dans la cavité, c'est-à-dire d'exploiter au maximum la puissance fournie par l'illumination incidente. Le principe consiste à ajouter des réseaux métalliques 14 en bord d'une cavité 8 telle que décrite en figure 11 de manière que ieur illumination induise la génération de plasmons de surface. Plus précisément, la structure comporte une alternance de couches entourant la cavité 8 et disposées sur le film 10, les couches étant constituées alternativement de métal et de matériau diélectrique et dont la fonction est de renforcer la génération de plasmons. Comme illustré par les flèches en gras de la figure 11 , la propagation puis la diffraction de ces plasmons au niveau des bords supérieurs de la cavité permet alors leur couplage avec les modes propres de celle-ci et conduit à une augmentation du champ présent dans la cavité. La largeur de la cavité doit être sensiblement égale à un nombre entier p de la moitié de la longueur d'onde λsp des plasmons qui interfèrent. Sa profondeur h doit être sensiblement égale à la moitié de la longueur d'onde λsp. De plus, le réseau le plus proche de la cavité doit être à une distance d des bords de la cavité égale à un nombre entier q de la moitié de cette même longueur d'onde λsp des plasmons. La période ou pas séparant deux couches successives du réseau est sensiblement égale à la longueur d'onde des plasmons à réfléchir.
Comme dans ies exemples précédents, un dispositif de focalisation optique à cavité métallique résonnante renforcée peut fonctionner à la longueur d'onde d'illumination de 532 nanomètres, ia lumière étant polarisée en mode TM {Transverse Magnétique), le substrat portant le dispositif est du verre recouvert d'une couche de PMMA, la couche métallique étant déposée sur la dite couche de PMMA. Le film métallique est un film d'argent. Dans le cas présent, la largeur optimale de la cavité vaut sensiblement 300 nanomètres, sa hauteur 180 nanomètres, le diamètre de l'ouverture vaut 30 nanomètres et sa profondeur 60 nanomètres, la distance minimale réseau-cavité vaut 160 nanomètres, Ie pas du réseau vaut 320 nanomètres, la hauteur des motifs du réseau 15 nanomètres.
A titre de quatrième exemple de réalisation illustré en figure 12, le dispositif de focalisation est réalisé sur un substrat d'épaisseur variable, l'épaisseur au centre étant supérieure à l'épaisseur en périphérie du substrat. Ce substrat peut être, par exemple, convexe. Les couches constituant les motifs réfléchissant ou renforçant la génération de plasmons peuvent posséder une section qui ne soit pas nécessairement rectangulaire, par exemple trapézoïdale comme illustré en figure 12.
Pour des applications en lumière visible, autour d'une longueur d'onde voisine de 530 nanomètres, on peut, à titre d'exemple, utiliser comme matériaux :
• un substrat transparent, par exemple en verre, • une couche de diélectrique, par exemple un oxyde, de Ia silice, une résine, du polyméthyimétacrylate (PMMA) dans laquelle on grave les différentes couches constituant la cavité et /ou les motifs et qui constitue la couche de matériau diélectrique et,
• un revêtement métallique ou en alliage qui supporte des piasmons à la longueur d'onde d'utilisation, le revêtement étant disposé sur la dite couche de matériau diélectrique.
Un métal apte à supporter des plasmons à la longueur d'onde d'utilisation est nécessaire. A titre d'exemple, il est possible d'utiliser de l'argent ou de l'or qui sont des métaux aptes à supporter les plasmons dans le visible et l'infrarouge. Pour des applications dans l'ultraviolet, on peut utiliser de l'aluminium.
Il est à noter en outre que le matériau diélectrique est transparent à la longueur d'onde d'illumination. Le substrat peut être constitué d'un matériau luminescent. Différents types d'excitation sont possibles pour obtenir !a luminescence tels que la photoiuminescence ou l'électroluminescence. Il est à noter que dans le cas de la photoluminescence, le matériau est éclairé à une longueur d'onde donnée et émet de la lumière à une autre longueur d'onde. Dans le cas de l'électroluminescence, un potentiel électrique est appliqué au matériau luminescent et celui-ci émet de la lumière. Lorsque le matériau luminescent est éclairé ou lorsqu'un potentiel est appliqué, le matériau luminescent émet de la lumière à la longueur d'onde d'utilisation du dispositif de focalisation. La lumière émise par le matériau luminescent est directement utilisée comme source d'illumination du dispositif de focalisation.
Selon une variante, le substrat peut comporter un matériau transparent et au moins une couche constituée d'un matériau luminescent.
A titre d'exemple, un procédé de réalisation des dispositifs de focalisation optique selon l'invention est détaillé en figure 13. Ce procédé qui s'applique indifféremment aux différents types de dispositifs de focalisation optique selon l'invention comporte essentieliement ies quatre étapes suivantes : • Dans une première étape A, une couche de matériau diélectrique 11 , par exemple du PMMA est déposée sur un substrat, par exemple en verre 12 ;
• Dans une seconde étape B, les structures constituant la cavité et /ou ies motifs sont gravés par lithographie, par exemple électronique dans la couche 11 de matériau diélectrique
(créneaux 13 sur la figure B) ;
• Dans une troisième étape C, un film métallique 10 qui peut être en argent, est déposé, par exemple par évaporation ou par pulvérisation ou par « spin-coating », sur les motifs de la couche 11 de matériau diélectrique de façon à constituer la cavité et /ou les motifs ;
• Dans une quatrième étape D, le film 10 métallique est percé, par exemple, au moyen d'un faisceau d'ions focalisés de façon à réaliser la ou les ouvertures 1. Une étape supplémentaire de planarisation du film métallique après dépôt peut s'avérer nécessaire afin de planariser la surface de sortie.
En synthèse, les différents paramètres géométriques des dispositifs de focalisation optique selon l'invention ont les valeurs suivantes, pour des applications en lumière visible (longueur d'onde voisine de 530 nanomètres), ce qui correspond, dans le cas de i'argent et du PMMA, à une longueur d'onde de plasmons λsp de l'ordre de 320 nm :
• Diamètre du dispositif de focalisation optique : de l'ordre de un à plusieurs microns ;
• Largeur de l'ouverture ou des ouvertures sub-longueur d'onde : environ 30 nanomètres ;
• Profondeur de l'ouverture ou des ouvertures sub-longueur d'onde : environ 60 nanomètres ; • Diamètre de la cavité métallique : de l'ordre de la iongueur d'onde ou sensiblement égal à un nombre entier de longueur d'onde de plasmons λsp, à savoir 310 nanomètres ;
• Profondeur de la cavité métallique : 100 à 200 nanomètres ;
• Pas des motifs réfléchissant les plasmons : de l'ordre de quelques centaines de nanomètres. Avantageusement, le pas est sensiblement égal à la moitié d'une longueur d'onde de plasmons λsp-
• Pas des motifs renforçant la génération des plasmons : de l'ordre de quelques centaines de nanomètres. Avantageusement, ie pas est sensiblement égal à un nombre entier de longueurs d'onde de plasmons λsp: 320 nanomètres ;
• Hauteur des motifs réfléchissant les plasmons : 75 nanomètres et hauteur des motifs renforçant la génération des plasmons : 15 nanomètres ; • Nombre de motifs : quelques unités à quelques dizaines unités.
Avec ces dispositifs, il est possible de réaliser des spots de 70 nanomètres dans le visible avec un rendement qui peut atteindre près de 30 pourcents. Dans les exemples précédents, l'ouverture est unique et permet l'obtention d'un seul spot lumineux intense et de très faibles dimensions. Ii est possible d'adapter ia géométrie de l'ouverture, de la cavité et des motifs des réseaux pour obtenir des motifs lumineux plus complexes. On peut, à titre d'exemple, utiiiser une fente en forme de rectangle allongé de très faibie largeur, de l'ordre de quelques dizaines de nanometres. On démontre qu'il est possible d'obtenir plusieurs spots lumineux à Ia sortie de la fente. L'utilisation de méthodes des différences finies dans le domaine temporel (FDTD) permet de calculer l'intensité du champ électromagnétique à la sortie de la fente, de déterminer le nombre de spots, leur répartition énergétique et leur intensité. Ainsi, avec une fente de 50 nanometres de large percée dans un film métallique d'argent éclairée à la longueur d'onde de 532 nanometres, on obtient un spot unique pour une longueur de fente de 195 nanomètres, deux spots lumineux pour une longueur de fente d'environ 445 nanomètres et trois spots pour une longueur de fente d'environ 695 nanomètres. Ces spots sont centrés sur Ia fente et séparés d'un pas sensiblement constant.
Dans ce cas, il est avantageux d'adapter la forme de la cavité à la forme de l'ouverture. Ainsi, pour une fente en forme de rectangle, une cavité de forme ovale ou en forme d'hippodrome est mieux adaptée qu'une cavité circulaire et donne de meilleures performances.
Dans les exemples précédents, on a essentiellement décrit des dispositifs fonctionnant en lumière visible et plus précisément à la longueur d'onde de 532 nanomètres. Bien entendu, les conditions d'excitation des plasmons de surface ne se limitent pas au couple film en argent et longueur d'onde d'illumination de 532 nanomètres. En fonction de la longueur d'onde, différents métaux peuvent convenir.
Ainsi, à ia longueur d'onde de 193 nanomètres, au moins les matériaux suivants peuvent être utilisés pour réaliser le film métaliique :
Béryllium - Aluminium - Silice - Titane - Vanadium - Chrome - Fer - Cobalt - Nickel - Cuivre - Germanium - Niobium - Molybdène - Rhodium - Palladium - Etain - Antimoine - Tantale - Tungstène - Rhénium - Osmium - Iridium
Ainsi, à la longueur d'onde de 248 nanomètres, au moins les matériaux suivants peuvent être utilisés pour réaliser le film métallique : Béryllium - Aluminium - Silice - Vanadium - Chrome - Fer - Cobalt - Nickei - Cuivre - Germanium - Niobium - Molybdène - Rhodium - Palladium - Etain - Antimoine - Rhénium - Osmium - Iridium - Platine
Ainsi, à la longueur d'onde de 405 nanomètres, au moins les matériaux suivants peuvent être utilisés pour réaliser le film métallique :
Lithium - Béryllium - Aluminium - Titane - Vanadium - Chrome - Fer - Cobalt - Nickel - Cuivre - Zinc - Molybdène - Rhodium - Palladium - Argent -Etain - Antimoine - Tellure - Osmium - Iridium - Platine - Or
Ainsi, à la longueur d'onde de 532 nanomètres, au moins les matériaux suivants peuvent être utilisés pour réaliser le film métallique :
Lithium - Sodium - Aluminium - Potassium - Titane - Chrome - Cobalt - Nickel - Cuivre - Zinc - Rhodium - Palladium - Argent -Etain - Antimoine - Iridium - Platine - Or
Dans le vert, Ie métal donnant les meilleures performances est l'argent. Dans le bleu ou l'ultra-violet proche, le meilleur candidat est l'aluminium.
Ainsi, les choix possibles pour un dispositif de focalisation devant fonctionner dans i'uitra-violet, à la longueur d'onde de 248 nanomètres sont un film en aluminium dont l'indice optique complexe vaut 0.19 + 2.94i et un diélectrique transparent aux U.V comme le saphir d'indice 1.9.
Les dispositifs de focalisation optique selon l'invention constituent, lorsqu'ils sont éclairés des sources optiques de champ proche compactes et efficaces qui ont de multiples applications. Celles-ci vont de la nanolithographie où ces sources peuvent être utilisées pour faire de ia lithographie en champ proche point par point haute résolution au stockage optique. Dans ce cas, elles peuvent être insérées dans les systèmes d'écriture ou de lecture haute capacité, par exemple dans des systèmes incluant des « SIL », acronyme de « Solid Immersion Lenses ».
On peut également les utiliser en biologie où elles permettent d'analyser de très faibles volumes, de renforcer l'excitation de fluorescence et de diminuer le temps de diffusion des molécules ou dans les domaines de la microscopie ou de l'éclairage. Dans cette dernière application, l'insertion d'un milieu émetteur de lumière en amont de la structure du dispositif de focalisation en fait une source compacte directement intégrable au reste du système.
A titre d'exemples non limitatifs, ies dispositifs de focalisation optique peuvent également être appliqués au domaine des pinces optiques où leur fort rendement permet de résoudre le probième de l'énergie disponible et d'utiliser des sources d'illumination de plus faible puissance et plus facilement manipulables.
Leur géométrie peut aussi être adaptée pour sélectionner des longueurs d'onde de transmission et être ainsi employées dans la réalisation de pixels couleur « RGB »> pour l'imagerie.
Ces dispositifs à fort rendement peuvent également permettre d'améliorer le rendement de détection dans les domaines des dispositifs de photodétection en diminuant le niveau de bruiî associé.
Enfin, ils peuvent être insérés sous une géométrie à deux dimensions en entrée ou en sortie d'un guide d'onde pour confiner la lumière de manière efficace.

Claims

REVENDICATIONS
1. Dispositif de focalisation optique comprenant au moins une structure de focalisation comportant un film métallique (10) comportant au moins une ouverture (1) traversant le film et de dimensions d'un ordre de grandeur inférieures à la longueur d'onde d'utilisation du dispositif de focalisation, la structure de focalisation comporte au moins une cavité optique (8), la cavité optique débouchant sur la ou les ouvertures, caractérisé en ce que la cavité est un trou (8) réalisé dans le film métallique débouchant sur au moins une ouverture, le diamètre de la cavité étant au moins trois fois supérieur aux dimensions de ladite ouverture et sa profondeur étant inférieure à l'épaisseur du film métallique.
2. Dispositif de focalisation optique selon ia revendication 1 , caractérisé en ce que, les plasmons générés dans la cavité par la longueur d'onde d'utilisation étant à une longueur d'onde dite de plasmon λsp, la largeur de la cavité est sensiblement égale à un nombre entier p de ia moitié de ladite longueur d'onde de plasmons.
3. Dispositif de focalisation optique selon la revendication 2, caractérisé en ce que la profondeur de !a cavité est sensiblement égale à la moitié de la longueur d'onde de plasmons.
4. Dispositif de focalisation optique selon l'une des revendication 1 à 3, caractérisé en ce que la structure comporte une alternance de couches formant des motifs et disposées sur le film, les couches étant constituées alternativement de métal et de matériau diélectrique et dont la fonction est de renforcer la génération de plasmons, lesdits plasmons étant générés lorsque la structure de focalisation est éclairée par un flux optique à la longueur d'onde d'utilisation du dispositif de focalisation optique.
5. Dispositif de focalisation optique selon la revendication 4, caractérisé en ce que le pas des motifs renforçant la génération des plasmons est sensiblement égal à un nombre entier de longueurs d'onde de plasmons.
6. Dispositif de focalisation selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le film comporte une seule ouverture et que le trou formant la cavité est centrée sur l'ouverture.
7. Dispositif de focalisation optique selon l'une quelconque des revendications 4 à 6, caractérisé en ce que la section des motifs est de forme sensiblement rectangulaire.
8. Dispositif de focalisation optique selon l'une quelconque des revendications 4 à 6, caractérisé en ce que la section des motifs est de forme sensiblement trapézoïdale.
9. Dispositif de focalisation optique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le film est un métal apte à supporter des plasmons à la longueur d'onde considérée.
10. Dispositif de focalisation optique selon la revendication 8, caractérisé en ce que ie film est en argent ou en or pour des applications dans le visible et dans i'infrarouge et que le film est en aluminium pour des applications dans l'ultraviolet.
11. Dispositif de focalisation optique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le matériau diélectrique est transparent à la longueur d'onde d'illumination.
12. Dispositif de focalisation optique selon la revendication 11 , caractérisé en ce que le matériau diélectrique utilisé pour des applications dans le visible est de la silice ou de la résine ou encore du polyméthylmétacrylate (PMMA).
13. Dispositif de focalisation optique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte un substrat (12) sur lequel est disposée la structure de focalisation.
14. Dispositif de focalisation optique selon la revendication 13, caractérisé en ce que le substrat est luminescent ou comporte au moins une couche constituée d'un matériau luminescent.
15. Dispositif de focalisation optique selon l'une des revendications 13 ou 14, caractérisé en ce que le substrat a une épaisseur variable, l'épaisseur au centre étant supérieure à l'épaisseur en périphérie du substrat.
16. Dispositif de focalisation optique selon la revendication 15, caractérisé en ce que le substrat est de forme convexe.
17. Procédé de réalisation d'un dispositif de focalisation optique selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que :
• Dans une première étape, une couche de matériau diélectrique (11 ) est déposée sur un substrat (12) ;
• Dans une seconde étape, les motifs (13) constituant le miroir ou les miroirs de la cavité et /ou les motifs sont gravés par lithographie dans la couche de matériau diélectrique ;
• Dans une troisième étape, un fiîm métallique (10) est déposé sur les motifs de la couche de matériau diélectrique de façon à constituer la cavité et /ou les motifs ;
• Dans une quatrième étape, le film métallique est percé, en particulier au moyen d'un faisceau d'ions focalisés de façon à réaliser la première ouverture (1 ).
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