Modélisation de l'influence de la géométrie sur des capteurs plasmoniques à détection de phase

L'interface entre un métal et un milieu diélectrique peut supporter des ondes guidées appelées « plasmons de surfaces » liées aux oscillations des électrons à la surface du milieu métallique. Différents types de coupleurs plasmoniques permettent l'excitation de ces ondes de surfaces. Parmi les dispositifs les plus employés, on distingue les coupleurs plans reposant sur le phénomène de réflexion totale atténuée et les nanostructures périodiques qui exploitent la diffraction évanescente de la lumière. L'excitation des plasmons de surface est principalement exploitée au sein de capteurs d'indice de réfraction de haute précision. Un faisceau laser a alors la possibilité de se coupler au système (on parle alors de résonance), la détection se fait donc à partir du faisceau émergeant du système. Le suivi d'indice peut se faire en étudiant la variation de l'intensité ou du déphasage liée au coupleur en fonction d'un paramètre ajustable (longueur d'onde, angle de couplage). Les capteurs à détection d'intensité sont aujourd'hui bien connus et représentent la grande majorité des dispositifs de détection existants. Moins étudiée, la détection de phase représente pourtant une voie intéressante d'amélioration des performances de détection selon la géométrie du coupleur employé. Ce mémoire a pour principal objectif de mieux comprendre le lien entre la géométrie des coupleurs plasmoniques et la réponse de phase qui leur est associée afin de proposer des voies d'amélioration pour ce type de détection. Pour ce faire, les deux principales méthodes employées en détection plasmonique, à savoir le couplage par prisme et le couplage par réseau de diffraction, sont modélisées dans ce travail. Dans le cadre d'un couplage par prisme, le formalisme de Fresnel permet de modéliser la réponse de phase du système. Nous avons étudié une configuration dite de Kretschmann-Raether impliquant le dépôt sur le prisme d'une couche mince métallique. Pour une épaisseur particulière de cette couche, le couplage plasmonique conduit à une annulation de l'intensité réfléchie par le système. Dans un premier temps, on montre l'importance de cette épaisseur dans l'étude de la réponse de phase du même système. Une caractérisation des performances de détection est par la suite proposée. Elle permet de mesurer le gain en sensibilité et les inconvénients en termes de résolution et de plage de détection qu'il peut y avoir à travailler à cette épaisseur dite

Abstract

"Surface plasmons" are electromagnetic waves originating from surface electrons oscillation which can exist at the metal/dielectric interface. These guided waves can be excited by using various types of plasmonic couplers which are usually based on attenuated total reflection phenomenon or diffraction grating (which uses diffraction of evanescent waves). These surface waves can be excited by resonant coupling with an incident light beam. This phenomenon is very sensitive to the surrounding refractive index and can be used in order to build sensors with high performances. Usually, the monitoring of the sensing events is made possible through the analysis of the beam emerging from this plasmonic coupler. The study of either the intensity or the phase variation of this beam allows to follow the refractive index change versus a tunable parameter (wavelength, coupling angle). While nowadays sensors based on intensity detection are commonly used, sensors using phase variation are slowly emerging. However, phase detection is still less known and studied but could lead to performances improvement for some particular couplers. The main purpose of this master's thesis is to suggest better ways to detect the phase. In order to do so, we have modelized the phase signal obtained from two methods mainly used to detect plasmons: prism coupling and grating coupling. Phase signal with a sensor based on prism coupler can be modeled using the Fresnel formalism. We have used a Kretschmann-Raether configuration which implies a thin metal layer on the prism. For a specific thickness this configuration can lead to null reflectivity during the plasmonic coupling. In this study, we show the importance of such a thickness in phase detection. Then, we analyse the relationship between detection performances and the geometry of the system in order to highlight the advantages (sensitivity) and the drawbacks (resolution and dynamic range) of this "optimal" thickness. We are then able to demonstrate a specific property of phase response which is independent from the metal thickness in certain conditions. This leads us to suggest a new design for the sensor that benefits from this phenomemon and improves the resolution in an angular plasmonic coupling detection. As for the study of phase detection in grating coupler, a numerical method based on coupled waves analysis has been developed and tested. Using this method we have simulated the phase