èmes XVI Journées de l'Ecole Doctorale Carnot-Pasteur 21 et 22 Mai 2015, Dijon Programme Section Physique Bâtiment Mirande 1 Programme du 21 mai 2015 2 3 10h15 Accueil des participants dans la salle du conseil de l'UFR Sciences Mirande (UFR Sciences et Techniques - Bâtiment Mirande – 9, av. Alain Savary, Dijon) 10h45 Ouverture des journées 11h00 - Amphi. GEVREY Conférence de Christophe COUDRET (Université P. Sabatier, Toulouse) «La dynamique chimique : une autre approche de la réaction chimique » 12h15 Repas au restaurant universitaire Montmuzart 14h30 - Amphi. GEVREY Conférence de Pierre ROUCHON (Ecole des Mines de Paris) « Stabilisation par feedback quantique de la boite à photons du LKB » 15h45 - Amphi. GEVREY Laurence MOTTE (Université Paris 13) « Elaboration et propriétés de nanomatériaux hybrides pour des applications biomédicales » 16h45 Présentation des affiches 18h00 – 19h30 Buffet offert à tous les participants, salle du Conseil 4 5 Programme du 22 mai 2015 6 7 COMMUNICATIONS ORALES Chaque communicant dispose de 15 min + 5 min pour les questions Salle C101 ( aile C 1er étage ) 9h00 – 10h00 1. Fatima Barakat (ICB) Spectroscopic fingerprints of the structural fluctuations of a single amino acid 2. Pauline Vitry (ICB) Tomographic multi-frequency microscopy for depth investigation 3. Clément Roux (ICB) Sources lasers compactes pour la LIBS 10h00 – 11h00 Présentation des affiches et café 11h00 – 12h00 4. Mickaël Buret (ICB) Spontaneous light emission from electron-fed optical antennas 5. Léo Van Damme (ICB) La raquette de tennis quantique 6. Gang Xu (ICB) Incoherent dispersive shock waves and extreme events in optical turbulence 12h15 – 13h45 Repas au restaurant universitaire Montmuzart 8 14h00 – 15h30 7. Benoit Frisquet (ICB) Instabilité de modulation vectorielle de type Manakov dans une fibre optique à dispersion normale 8. Marie-Maxime Mennemanteuil (ICB) Nonlinear optical gap antenna, an optoelectronic interface at the nanoscale 9. Tatyana Sinyakova (UTINAM) Studying of stable van der Waals CO2 clusters for planetary atmosphere modeling 10. Magda Alsaleh (ICB) Approche par coordonnées collectives de la dynamique des lasers à fibre à modes bloqués 11. Marie Girault (ICB) Etude d’un plasma généré lors d’un traitement de surface métallique par ablation laser dans l’air : caractérisations du rayonnement et des nanoparticules induits 15h30 – 16h45 Présentation des affiches et café 16h45 – 17h30 Délibération du Jury 9 Sommaire des présentations 10 11 Communications Orales Spectroscopic fingerprints of the structural fluctuations of a single amino acid Fatima BARAKAT p.16 Tomographic multi-frequency microscopy for depth investigation Pauline VITRY p.17 Sources lasers compactes pour la LIBS Clément ROUX p.18 Spontaneous light emission from electron-fed optical antennas Mickaël BURET p.19 La raquette de tennis quantique Léo VAN DAMME p.20 Incoherent dispersive shock waves and extreme events in optical turbulence Gang XU p.21 Instabilité de modulation vectorielle de type Manakov dans une fibre optique à dispersion normale Benoit FRISQUET p.22 Nonlinear optical gap antenna, an optoelectronic interface at the nanoscale Marie-Maxime MENNEMANTEUIL p.23 Studying of stable van der Waals CO2 clusters for planetary atmosphere modeling Tatyana SINYAKOVA p.24 Approche par coordonnées collectives de la dynamique des lasers à fibre à modes bloqués Magda ALSALEH p.25 Etude d’un plasma généré lors d’un traitement de surface métallique par ablation laser dans l’air : caractérisations du rayonnement et des nanoparticules induits Marie GIRAULT p.26 12 Communication par affiches Flexible Long-range plasmonic waveguide for optical interconnect application Christian VERNOUX p.30 Génération d'impulsions lumineuses à profils sculptés sur mesure dans un laser à fibre utilisant un NOLM et un filtre spectral Christian MBACK p.31 Optimisation de la modélisation d'un détecteur au germanium pour la spectrométrie des photons gamma Déborah DEGRELLE p.32 Study of TiO2 nanomembranes obtained by an induction heated MOCVD reactor Andreaa CRISBASAN 13 p.33 COMMUNICATIONS ORALES 14 15 Spectroscopic fingerprints of the structural fluctuations of a single amino acid Fatima Barakat, Patrice Delarue, Patrick Senet* ICB, UMR 6303 CNRS-Universite de Bourgogne, 9 Av. Alain Savary, 21018 Dijon Cedex *[email protected] keywords: single molecule, amino acid, infrared, SERS, fluctuations Thanks to the nanoscience revolution, nowadays it is possible to study a single amino-acid experimentally by using the Surface Enhanced Raman Spectroscopy. In contrast to bulk Raman measurements that average over an ensemble of molecules, single-molecule spectroscopy on a single amino acid produces a set of high-resolution heterogeneous spectra. Several reasons might be the cause of the heterogeneity of the spectra as the experimental noise, the amino-acid interactions with the SERS nanodevice and the (intrinsic) conformational fluctuations of the amino acid. To examine the latter hypothesis from a theoretical point of view, classical infrared spectra as well as Raman spectra were computed for blocked hydrated amino-acids. One thousand conformations of hydrated amino-acids were selected every 100 ps from classical molecular dynamics trajectories of 100 ns of duration at 300 K in explicit solvent (water). Normal mode analysis was performed for every conformation and the infrared and Raman spectra were computed. The calculations produce heterogeneous ensembles of infrared and Raman spectra, similar to those measured in SERS. The fluctuations of the spectra relative to the average spectrum were studied by using principal component analysis. The role of the hydration on the fluctuations was clearly identified. A correlation between the amino-acid conformational fluctuations and the fluctuations of the spectra was rationalized by calculating an effective local force constant on each of the atom. The present work strongly supports that the origin of the time-dependent fluctuations of the Raman spectra observed in SERS are mainly due to the multiple minima of the free-energy surface of a single amino acid in solution. 16 TOMOGRAPHIC MULTI -FREQUENCY MICROSCOPY FOR DEPTH INVESTIGATION Pauline Vitry1, Eric Bourillot1, and Eric Lesniewska1 Laboratoire Interdisciplinaire Carnot de Bourgogne, UMR 5209 CNRS – Université de Bourgogne, 9 avenue Alain Savary, BP 47870, 21078 DIJON Cedex 1 [email protected] Atomic force microscopy (AFM) and other techniques derived from AFM mostly provide surface properties, while the observation of sub-surface nanoscale defects remains a challenge. Two techniques allow tomographic investigation of subsurface structures. Scanning Microwave Microscopy (SMM) uses microwave in 0.2 – 16 GHz range to measures electromagnetic interactions of the microwave from a sharp probe or aperture with the sample under test on a scale that is significantly less than the wavelength of the radiation. Mode-Synthesizing AFM (MS-AFM) is based on the interaction of two ultrasonic waves, one launched by the AFM probe f p, a second launched by the sample fs, and the resulting nonlinear frequency mixing. We will first illustrate their capabilities on study of nanofabricated calibration depth samples consisting of buried metallic patterns. Reconstruction of the depth profile of the sample could be performed, resolving the buried nanostructures with high fidelity. Moreover we applied this multi-frequency analysis to visualize with high resolution insulated polymers and lipid vesicles contained in bacteria. In parallel, an atomic force microscope coupled with a tunable infrared laser source (AFM-IR), was used to measure and maps the distribution of oil inclusions inside microorganism without staining or other special sample preparation. a) a ) b) b ) Figure 1: a) Experimental device. b) 3D reconstruction of a bacteria with lipid vesicles. Références [1] L. Tetard et al. Nature Nanotechnology, 3 (8), 501 (2008). [2] A. Dazzi et al. Appl. Spectrosc., 66, 1365-1384 (2012) [3] P. Vitry et al. Appl. Phys. Lett, 105, 053110 (2014). [4] P. Vitry, Pauline, et al. Nano Research DOI 10.1007/s12274-015-0728-8 [5] C. Plassard et al., Phys. Rev. B, 83, 121409(2011) [6] V. Optsanamu et al.,NanoscaleDOI: 10.1039 (2014) 17 SOURCES LASER COMPACTES POUR LA LIBS Clément Roux 1, Olivier Musset 1, Jean François Buoncristiani 2 et Michaël Claudon 1 1 2 Laboratoire Interdisciplinaire Carnot de Bourgogne, UMR 5209 CNRS – Université de Bourgogne, 9 avenue Alain Savary, BP 47870, 21078 DIJON Cedex Laboratoire Biogéosciences, UMR 6282 CNRS-Université de Bourgogne, 6 Boulevard Gabriel F-21000 Dijon, France [email protected] La spectroscopie de plasma induit par laser (LIBS) est une technique d’analyse quasi-instantanée et multiélémentaire ne nécessitant aucune préparation d’échantillon [1]. Cette technique peut être utilisée dans de nombreux domaines : analyses d’aérosols, d’agents biologiques, de matériaux géologiques, tri de déchets etc. Il convient de différencier i) la LIBS portable [2] et ii) la LIBS transportable [3] dont les contraintes respectives sont différentes. L’objectif ici est de développer deux sources laser compactes distinctes répondant aux exigences spécifiques de ces deux types d’applications. Dans le premier cas, le but est de fournir une aide à la mesure in situ par exemple pour un pré-tri d’échantillons en prospection géologique. Pour maximiser le confort de l’utilisateur le laser doit être le plus compact possible et les performances doivent être suffisantes pour réduire le temps de mesure au minimum. Dans le deuxième cas, le but est d’effectuer une analyse approfondie de l’échantillon comme par exemple faire une cartographie chimique de sa surface. Le laser doit dans ce cas posséder des performances optimales tout en gardant des dimensions restreintes lui permettant d’être intégrer dans un système transportable. Les contraintes d’encombrement, de poids et de résistance sont moins poussées que dans l’utilisation in situ mais les performances requises sont plus élevées. Figure 1 : prototype de source laser compacte pour la LIBS et son électronique de pilotage Références [ [1] D. A. Cremers and L. J. Radziemski, Handbook of Laser-Induced Breakdown Spectroscopy. John Wiley & sons, Ltd, 2006. [ [2] J. Rakosky, P. Cermak, O. Musset, and P. Veis, "A review of the development of portable laser induced breakdown spectroscopy and its applications," Spectrochimica Acta Part B, vol. 101, pp. 269-287, 2014. [ [3] F. J. Fortes and J. J. Laserna, "The development of fieldable laser-induced breakdown spectrometer: No limits on the horizon.," Spectrochimica Acta Part B : Atomic SPectroscopy, vol. 65, no. 12, pp. 975-990, 2010. 18 Spontaneous light emission from electron-fed optical antennas Mickaël Buret 1, Marie-Maxime Mennemanteuil 1 and Alexandre Bouhelier 1 1 Laboratoire Interdisciplinaire Carnot de Bourgogne, UMR 5209 CNRS – Université de Bourgogne, 9 avenue Alain Savary, BP 47870, 21078 DIJON Cedex [email protected] Nanoscale electronics and photonics are among the most promising research areas for providing functional nano-components for data transfer and signal processing. By adopting metal-based optical antennas as a disruptive technological vehicle, we demonstrate that these two device-generating technologies can be interfaced to create an electronically-driven self-emitting unit. This nanoscale plasmonic transmitter operates by injecting electrons in a contacted tunneling antenna feedgap. Under certain operating conditions, we show that the antenna enters a highly nonlinear regime in which the energy of the emitted photons exceeds the quantum limit imposed by the applied bias. We propose a model based upon the spontaneous emission of hot electrons that correctly reproduces the experimental findings. The electron-fed optical antennas described here are critical devices for interfacing electrons and photons, enabling thus the development of optical transceivers for on-chip wireless broadcasting of information at the nanoscale. Figure 2: (a) Output characteristics of the G _ 0:8G0 junction featuring a large tunnel current. (b) Wide-field optical image in false color of the electron-fed optical antennas operated at Vbias=1V. A residual illumination enables a visualization of the contacting electrodes (darker areas). (c) Emission spectra of the device for different bias voltages. The emission covers much of the visible spectral domain in clear deviation from the quantum cutoff imposing h νmax ≤ eVbias. All spectra are corrected by the calibrated efficiency curve displayed in Fig. 1(b). (d) Time trace showing the stability of the tunneling current IT during two 70 s sequential acquisitions at Vbias=750 mV and 800 mV, respectively. Time bin is 10 ms. The research leading to these results has received funding from the European Research Council under the European Community’s Seventh Framework Program FP7/2007–2013 Grant Agreement no 306772. This project is in cooperation with the Labex ACTION program (contract ANR-11-LABX-01-01). 19 La raquette de tennis quantique Léo Van Damme 1, Dominique Sugny 1, et Pavao Mardesic 2 1 Laboratoire Interdisciplinaire Carnot de Bourgogne, UMR 5209 CNRS – Université de Bourgogne, 9 avenue Alain Savary, BP 47870, 21078 DIJON Cedex 2 Institut Mathématique de Bourgogne, UMR 5584 CNRS– Université de Bourgogne, 9 avenue Alain Savary, BP 47870, 21078 DIJON Cedex [email protected] Le théorème de la raquette de tennis, ou effet Dzhanibekov, est un phénomène qui apparaît pour une rotation particulière d'un solide en trois dimensions. Dans le cas de la raquette de tennis, l'expérience est la suivante : prenez une raquette avec une face noire et une face rouge. Tenez la raquette horizontalement, face rouge vers le haut et face noire vers le bas. Jetez la raquette en l'air de manière à lui faire faire un tour autour de son axe intermédiaire (axe e sur la figure 1 (a)). Après une rotation, récupérez la raquette par le manche, la face noire 2 sera presque toujours vers le haut. La raquette fait quasi-systématiquement un « flip » de π autour du manche pour ce type de rotation (voir figure 1 (b)). Cet effet a été étudié dans [1], mais plusieurs aspects importants sont négligés, ce qui nous a poussé à reprendre le problème depuis le début, et d'une manière plus générale. Ce travail, plus mathématique, a été réalisé en collaboration avec Pavao Mardesic, mathématicien à l'IMB. L'année dernière, nous avons montré que le contrôle optimal d'une chaîne de trois spins couplés se réduit à l'étude de la dynamique d'un solide en rotation [2]. Nous pouvons maintenant identifier pour quels types de contrôles et de couplages le phénomène de la raquette de tennis apparaît. Ceci permet de montrer que pour certains types de transferts, équivalents à des rotations de la raquette, les imperfections expérimentales sur les champs de contrôle vont aboutir à cet effet. Cela nous permet aussi de calculer des contrôles robustes si on souhaite réaliser un transfert équivalent à l'effet de la raquette de tennis. Nous travaillons en collaboration avec le groupe de S. J. Glaser à Munich, afin de mesurer expérimentalement cet effet de « raquette de tennis quantique » sur une molécule C12H12Cl3F3NO5P [3]. (a) (b) Figure 1 : Repère attaché à la raquette (a), Mouvement du repère dans le repère du laboratoire (b) choisi tel que Z soit aligné sur le moment cinétique de la raquette. N est la ligne des noeuds, intersection entre les plans (e ,e ) et (X,Y). 2 3 Références [1] M. S. Ashbaugh, C. C. Chicone, and R. H. Cushman, “The Twisting Tennis Racket”, Journal of Dynamics and Differential Equations”, vol. 3, No. 1, 1991 [2] L.Van Damme, R, Zeier, S. J. Glaser, and Dominique Sugny, “Application of the Pontryagin maximum principle to the time-optimal control in a chain of three spins with unequal couplings”, PRA 90,013409, 2014 [3] M. Nimbalkar, R. Zeier, J.L. Neves, S. Begam Elavarasi, H. Yuan, N. Khaneja, K. Dorai and S.J. Glaser, “Multiple-spin coherence transfer in linear Ising spin chains and beyond: Numerically optimized pulses and experiments”, PRA 85,012325, 2012 20 Incoherent dispersive shock waves and extreme events in optical turbulence G. Xu,1 J. Garnier,2 S. Trillo,3 D. Vocke,4 D. Faccio,4 and A. Picozzi1 1 Laboratoire Interdisciplinaire Carnot de Bourgogne, UMR 6303 CNRS - Université de Bourgogne, Dijon, France 2 Laboratoire de Probabilités et Modèles Aléatoires Université Paris Diderot, 75205 Paris Cedex 13, France 3 Department of Engineering, University of Ferrara, Via Saragat 1, 44122 Ferrara, Italy 4 School of Engineering and Physical Sciences, SUPA, Heriot-Watt University,Edinburgh EH14 4AS, UK [email protected] Understanding the underlying mechanisms and the role of emerging structures in turbulent flows is a central and challenging issue in physics [1-3]. We have studied the existence of nonequilibrium singular behaviors such as dispersive shock waves (DSW) or collapse singularities (CS) in an optical turbulent system characterized by a nonlocal response. Contrary to traditional studies of DSWs which have been reported for purely coherent, i.e., deterministic, amplitudes of the waves [4], we have shown that incoherent waves can exhibit DSWs of a fundamental different nature that their coherent counterpart. Incoherent DSWs manifest themselves as a wave breaking process (“gradient catastrophe”) in the spectral dynamics of the incoherent wave [5-7]. On the basis of the weak (Langmuir) turbulence theory, we have derived a family of singular integro-differential kinetic equations (SIDKE) which provide a detailed description of these incoherent singularities, without adjustable parameters (Fig. 1a-c). This theory reveals that, depending on the form of the response function, the system can also develop an incoherent CS in the spectral domain (Fig. 1d). The approach based on SIDKEs also reveals that nonlinear dispersion effects deeply affect these incoherent singularities: They completely remove the incoherent CS, and also lead to a considerable delay in the development of the incoherent DSW [6]. Figure 1. (a-c) Incoherent DSWs: Spectral snapshots at z = 1040 Lnl, 1200 Lnl and 1400 Lnl for numerical simulation of NLS equation (tiny grey), Langmuir kineitc equation (green), SIDKE (dashed red) and input (solid black). The inset in (c) reports the corresponding temporal profile of the NLS incoherent wave. (d) Evolution of the spectrum that exhibits an incoherent CS: NLS (gray), SIDKE (red). The black line stands from the SIDKE analytical prediction. (d) Emergence of an incoherent extreme rogue wave event from a turbulent state of the waves. We will also present our recent theoretical and experimental works concerning a remarkable transition from a sea of small scale DSWs ('shocklets') to the formation of unexpected giant collective incoherent shocks in nonlocal turbulent flows [8]. This work should open the door to the study of a variety of collective incoherent wave phenomena, such as, e.g., the formation of incoherent rogue wave events (see Fig. 1-e) [9]. References [1] Nazarenko, Wave Turbulence (Springer, Lectures Notes in Physics, 2011). [2] Laurie, Bortolozzo, Nazarenko, Residori, “One-Dimensional Optical Wave Turbulence: Experiment and Theory”, Physics Reports 514, 121-175, (2012). [3] Picozzi, Garnier, Hansson, Suret, Randoux, Millot, Christodoulides, “Optical Wave Turbulence: Toward a unified nonequilibrium thermodynamic formulation of statistical nonlinear optics”, Physics Reports 542, 1-132 (2014). [4] For shocks in disordered media, see Ghofraniha, Gentilini, Folli, Del Re, Conti, "Shock Waves in Disordered Media" PRL 109, 243902 (2012); Fratalocchi, Armaroli, Trillo, "Time-reversal focusing of an expanding soliton gas in disordered replicas," PRA 83, 053846 (2011). [5] Garnier, Xu, Trillo, Picozzi, "Incoherent Dispersive Shocks in the spectral evolution of random waves", PRL 111, 113902 (2013). [6] Xu, Garnier, Trillo, Picozzi, "Impact of self-steepening on incoherent dispersive shocks in the spectral collapse-like singularities", PRA. 90, 013828 (2014). Xu, Garnier, Conforti, A. Picozzi, "Generalized formulation of spectral incoherent solitons", Opt. Lett, 39, 14 (2014). [7] Xu, Garnier, Trillo, Picozzi, "Spectral dynamics of incoherent waves with a noninstantaneous nonlinear response" Opt Lett, 38, 16 (2013). Xu, Garnier, Picozzi, "Spectral long-range interaction of temporal incoherent solitons", Opt. Lett, 39, 3 (2014). [8] Xu, Vocke, Faccio, Garnier, Roger, Trillo, Picozzi, "From dispersive shocklets to giant collective incoherent shock waves in nonlocal turbulent flows", to appear in Nat. Commun. (2015). [9] Onorato, Residori, Bortolozzo, Montina, Arecchi, “Rogue waves and their generating mechanisms in different physical contexts,” Physics Reports 528, 47-89 (2013). 21 Instabilité de modulation vectorielle de type Manakov dans une fibre optique à dispersion normale B. Frisquet1,*, B. Kibler1, P. Morin1, J. Fatome1, F. Baronio2, M. Conforti3, G. Millot1, S. Wabnitz2 1 Laboratoire Interdisciplinaire Carnot de Bourgogne (ICB), UMR 6303 CNRS/Université de Bourgogne, Dijon, France 2 Dipartimento di Ingegneria dell’Informazione, Università di Brescia, Italy 3 PhLAM/IRCICA UMR 8523/USR 3380, CNRS-Université Lille 1, Villeuneuve d’Ascq, France *[email protected] L’instabilité de modulation (MI) d’un laser continu intense dans une fibre optique est à l’origine des effets fondamentaux tels que les solitons optiques et la génération d’ondes scélérates. La MI (scalaire) se produit dans le régime de dispersion anormale des fibres optiques standards, alors qu’elle doit être également observable dans un régime de dispersion normale à travers la modulation de phase croisée (XPM) entre deux ondes de fréquence différente [1]. Cependant, la MI induite par XPM dans le régime à dispersion normale n’a pas été observé expérimentalement à cause de la compétition avec le mélange à quatre ondes (FWM). Notons que la MI vectorielle (PMI) induite par XPM a été observé avec des pompes polarisées orthogonalement en utilisant de courts segments de fibre optique à haute biréfringence [2-4]. Ici, nous présentons une première démonstration expérimentale de la PMI dans un régime de dispersion normale dans une fibre optique standard à faible biréfringence aléatoire, et de grande longueur (plusieurs kms) et avec deux pompes ayant chacune une fréquence polarisées orthogonalement l’une par rapport à l’autre, ce type de système optique est généralement décrit par le modèle de Manakov [5,6]. Nous avons effectué des expériences dans le cas spontané, nous avons fait varier les puissances et l’écart entre des deux pompes. La figure 1 confirme l’excellent accord quantitatif entre le modèle Manakov et les expériences. Figure 1 (a) Comparaison simulations (CNLSEs) / expériences de l’évolution du spectre de sortie selon deux polarisations orthogonales en fonction de la puissance d'entrée des pompes. (b) Même comparaison en fonction de l’espacement entre les deux pompes. References [1] G. P. Agrawal, “Modulation instability induced by cross-phase modulation,” Phys. Rev. Lett., 59, 880-883 (1987). [2] J. E. Rothenberg, “Modulational instability for normal dispersion,” Phys. Rev. A, 42, 682-685 (1990). [3] F P. Drummond et al., “Cross-phase modulational instability in high-birefringence fibers,” Opt. Communications, 78, 137-142 (1990). [4] E. Seve et al, “Modulational instability and critical regime in a highly birefringent fiber,” Phys. Rev. A, 54, 35193534 (1996) [5] S. V. Manakov, “On the theory of two-dimensional stationary self-focusing of electromagnetic waves,” Sov. Phys. JETP, 38, 248-253 (1974). [6] P. K. A. Wai and C. R. Menyuk, “Polarization mode dispersion, decorrelation, and diffusion in optical fibers with randomly varying birefringence,” JLT 14, 148-157 (1996). 22 Nonlinear optical gap antenna, an optoelectronic interface at the nanoscale M.M. Mennemanteuil, M. Buret, A. Bouhelier Laboratoire Interdisciplinaire Carnot de Bourgogne, UMR 6303, Unviversité de Bourgogne, 9 avenue Alain Savary, 21000 Dijon. [email protected] Our research consists at developing a new method for nanoscale information processing based on a transduction between electron and a photon using optical antennas. This technology, merging nano-electronics and plasmonics, proposes alternative routes for addressing integrated components. Similar to radiowave and microwave antennas, optical antennas are able to convert the energy of free propagating radiation to localized energy, and vice versa [1]. This concept provides a novel approach where, at the nanoscale, the light source and the detector are integrated into a single metallic structure, superseding more complex hetero-designs. The advantage of this proposal is that the nano-transducer operates with very low power consumption (<nW) and has an extremely small active surface (nm²) and an ultrafast response. At the core of the design is an atomic-scale tunnel gap between two coupled antennas electrically connected, whereby an optical radiation is interfaced with current-carrying electrons [2]. Indeed, photons coming from the gap excitation by a femtosecond pulsed laser beam, can exchange energy with tunneling charges modifying thus the conductance of the barrier [3]. Photocurrent resulting from this transduction, due to excitation of d-bands electrons to empty states close to the Fermi level is correlated to enhancement of nonlinear optical responses such as second harmonic generation (SHG) and two-photons luminescence (TPL) in the tunnel gap [2]. The optical gap and the electrical rectifying gap are self-aligned at the nanometer scale. Enhancement of the photocurrent yield can achevied by controlling the intrinsic feed characteristics of these two overlapping functionnal gaps. The research leading to these results has received funding from the European Research Council under the European Community’s Seventh Framework Program FP7/2007–2013 Grant Agreement no 306772. This project is in cooperation with the Labex ACTION program (contract ANR-11-LABX-01-01). References [1] L. Novotny and N. Van Hulst. Antennas for light. Nature Photonics, 5(2):83–90, 2011. [2] A. Stolz, J. Berthelot, M.-M. Mennemanteuil, G. Colas des Francs, L. Markey, V. Meunier, and A. Bouhelier. Nonlinear photon-assisted tunneling transport in optical gap antennas. Nano letters, 14(5):2330– 2338, 2014. [3] DP Siu, RK Jain, and TK Gustafson. Stimulated electron tunneling in metal-barrier-metal structures due to surface plasmons. Applied Physics Letters, 28(7):407–410, 1976. 23 Studying of stable van der Waals CO2 clusters for planetary atmospheres modeling T. N. Sinyakova1, R. E. Asfin2, J. V. Buldyreva1, D. V. Oparin2, and N. N. Filippov2 1 Institute UTINAM, UMR CNRS 6213, University of Franche-Comte, 25030 Besancon cedex, France 2 Faculty of Physics, Saint-Petersburg State University, 198504 Saint-Petersburg, Russi [email protected] Knowledge of line shape parameters of carbon dioxide clusters is required for radiative transfer modeling of the atmospheres of Mars and Venus due to its high abundance. The atmosphere of Venus is made up almost completely of carbon dioxide. Current experimental studies of weakly bound van der Waals CO2 complexes are mainly performed at low pressure for example in supersonic jets 1, and contributions of dimers varying as the squared gas density cannot be disentangled experimentally. Rotationally resolved spectra of van der Waals clusters provide the most direct, precise and unambiguous experimental probe of intermolecular potential energy surfaces, particularly in the lower energy range of attractive forces. The evolution of the band shape with increasing pressure is a proper source of information on the dynamics and stability of dimers knocked by surrounding molecules. In this work we present experimental and theoretical results on CO2 dimers at very high pressure approaching the liquid phase. We obtain that the shape of CO2 dimer bands is influenced by the line-mixing effects2, what demonstrate an unexpected stability of the dimers despite the collisions with bath molecules and negates the common belief that CO2 dimers are shot-lived complexes. The simple strong collision model3 is used to describe the band shape in a qualitatively correct manner. Our results allow a better modeling of CO2-rich atmospheres and provide also a new spectroscopic tool for studying of the stability of molecular clusters. Références [1]. N. Moazzen-Ahmadi and A. R. W. McKellar, Int. Rev. Phys. Chem. 32, 611 (2013) [2]. M. O. Bulanin, A. B. Dokuchaev, M. V. Tonkov, and N. N. Filippov,J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer 31, 521 (1984) [3]. M. V. Tonkov, N. N. Filippov, Y. M. Timofeev, and A. V. Polyakov, J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer 56, 783 (1996) 24 APPROCHE PAR COORDONNEES COLLECTIVES DE LA DYNAMIQUE DES LASERS A FIBRE A MODES BLOQUES M. Alsaleh, E. Tchomgo Felenou, C. B. L. Mback, P. Tchofo Dinda, and Ph. Grelu 1 Laboratoire Interdisciplinaire Carnot de Bourgogne, UMR 5209 CNRS – Université de Bourgogne, 9 avenue Alain Savary, BP 47870, 21078 DIJON Cedex [email protected] Les techniques d'analyse, de conception et d'optimisation des lasers à fibre à modes bloqués passifs, sont généralement basées sur des méthodes purement numériques, qui sont nécessaires pour résoudre les équations de propagation des impulsions dans la cavité laser [1, 2]. Mais cette approche numérique est extrêmement couteuse en temps de calcul, et nécessite par ailleurs de passer par une technique de caractérisation pour accéder à la dynamique interne des impulsions stables dans la cavité. C’est pour ces raisons que l’approche numérique est parfois complétée par des approches analytiques ou semi-analytiques. Dans ce travail, nous présentons une approche de modélisation d’une cavité laser fibrée à modes bloqués passifs, qui repose entièrement sur la méthode des collectives coordonnées (CC). Dans notre approche de CC, les équations de propagation des champs sont transformées en un système d’équations différentielles ordinaires (EDO) décrivant l'évolution des paramètres de l’impulsion lors de sa propagation au sein de la cavité laser [2,3,4]. Dans les fibres intra-cavité, les EDO s’écrivent : 1 1 2 𝛽2 𝑥1 𝑥4 − 𝛼𝑥1 + 𝑥1 𝐺𝑎 − 𝑥1 𝑥52 + 2 𝐾1 2 2 𝑥3 2 𝑥33 𝑥42 𝑥3 = −𝛽2 𝑥3 𝑥4 + − 𝐾1 𝑥3 2 4 2𝑥12 8𝑥4 𝐾1 𝑥4 = 𝑥42 + 4 𝛽2 − 2 𝛾 − 𝑥3 𝑥3 𝑥32 Dans l’approche de CC, les fonctions de transfert associées aux composants non fibrés (absorbant saturable, coupleur de sortie), sont remplacées par un jeu de relations entre les paramètres des impulsions à l’entrée et à sortie du composant. Nous présentons une amélioration substantielle de l'efficacité des CC, dans laquelle le passage de l’impulsion à travers l’absorbant saturable est décrit par le jeu d’équations ci après : 𝑥1 = 𝑋1𝑆 = 2 𝑋1𝑠 𝑅0 + ∆𝑅 4 𝑋1𝑒 2 𝑃 𝑠𝑎𝑡 +𝑋1𝑒 , 𝑋1𝑆 = 𝑋1𝑠 ∗𝑋3𝑒 𝑋1𝑒 2 +𝑝 2 (𝑋1𝑒 𝑠𝑎𝑡 ) 2 +𝑝 2 2 2 2 𝑅0 (𝑋1𝑒 𝑠𝑎𝑡 ) +∆𝑅𝑋1𝑒 (𝑋1𝑒 +𝑝 𝑠𝑎𝑡 )+∆𝑅𝑋1𝑒 𝑝 𝑠𝑎𝑡 Les paramètres du laser sont de la Ref.[1]. La figure 1 (a) illustre la détermination de l’état stationnaire, par l’approche numérique et par notre CC approche. Nous pouvons observer clairement que les deux méthodes convergent vers le même état stationnaire d’énergie 23.5pJ, quelle que soit la condition initiale. Les résultats de l’approche des CC s’accordent très bien avec ceux obtenus par l’approche numérique. De plus, l’approche des CC fournit un aperçu utile de la dynamique interne de l'impulsion dans le régime stationnaire, comme le montre la figure. 1 (b). La figue 1 (c) illustre la dynamique interne de l'amplitude d'impulsion pendant un tour complet de la cavité. Finalement, la méthode proposée dans le présent travail est un pas en avant dans l'optimisation des outils théoriques pour l’analyse du comportement dynamique d'impulsions lumineuses dans des lasers à fibre. Figure 1 : 1- Evolution de la dynamique du système, pour R0=0.70, ∆R=0.30, P0=10W Références 1. S. Chouli, J. M. Soto-Crespo, and Ph. Grelu, Opt. Express 19, 2959–2964 (2011). 2. J. G. Caputo, C. B. Clausen, M. P. Sorensen, and S. Bischoff, J. Opt. Soc. Am. B 17 705–711 (2000). 3. B. G. Bale, S. Boscolo, J. N. Kutz, and S. K. Turitsyn, Phys. Rev. A 81 033828 (2010). 4. P. Tchofo Dinda, A. B. Moubissi, and K. Nakkeran, Phys. Rev. E 64 016608 (2001). 25 ETUDE D’UN PLASMA GENERE LORS D ’UN TRAITEMENT DE SURFACE METALLIQUE PAR ABLATION LASER DANS L’AIR : CARACTERISATIONS DU RAYONNEMENT ET DES NANOPARTICULES INDUITS Marie Girault1*, Jean-Marie Jouvard1, Luc Lavisse1, François-Xavier Ouf2, J. Brian Mitchell3 1 Laboratoire Interdisciplinaire Carnot de Bourgogne (ICB), UMR 6303 CNRS-Université de Bourgogne, 1 Allée des Granges Forestier 71100 Chalon-sur-Saône 2 Institut de Radioprotection et de Sûreté Nucléaire (IRSN), Saclay, BP 68, 91192 Gif-sur-Yvette cedex 3 Institut de Physique de Rennes (IPR), UMR 6251 CNRS-Université de Rennes 1, 35042 Rennes cedex * [email protected] Suite à l’irradiation laser d’une cible métallique par un faisceau laser de courte durée d’impulsion (de l’ordre de la nanoseconde), nous observons la formation d’une fine couche de métal fondu en surface du matériau, puis la formation de vapeur très énergétique et fortement ionisée. L’expansion de cette vapeur dans son environnement, ici dans l’air, est appelée plume-plasma. A la fin de l’interaction, le plasma se refroidit et se détend à des vitesses supersoniques [1]. Il y a alors formation d’une onde de choc dans la cible. Sous certaines conditions de température et de pression, la vapeur ainsi créée se condense et s’agglomère pour former des particules liquides de tailles micrométriques et nanométriques, appelées nuclei. L’interaction ayant lieu dans l’air, il s’agit de composés oxydés de la cible utilisée [2]. La formation de nanoparticules lors d’un processus d’ablation laser est connue et présente des applications importantes, telle que la technique de « Pulse Laser Deposition » (PLD), qui permet la formation de couches minces. Dans d’autres circonstances, la formation de nanoparticules est à proscrire. Dans le cas du diagnostic LIBS (Laser-Induced Breakdown Spectroscopy), les nanoparticules émettent un rayonnement continu qui dégrade la précision des mesures. L'objectif de cette étude est de comprendre les mécanismes mis en jeu dans le plasma, créé lors de l'interaction laser-cible, qui conduisent à la formation de nanoparticules. Nous souhaitons étudier de façon générale la dynamique d’expansion dans l’air de la plume formée par un laser Nd :YAG déclenché de courte durée d’impulsion pour préciser les conditions de formation de ces particules et leurs caractéristiques morphologiques et structurales. Ainsi, cette étude se décompose en deux parties. Dans une première partie, nous présentons la caractérisation expérimentale de l’expansion de la plume dans l’air. Le rayonnement induit par le plasma permet d’extraire ses caractéristiques. Deux méthodes complémentaires ont été utilisées : la spectrométrie qui permet de faire une analyse physique du plasma et l’imagerie spectrale qui permet une analyse morphologique. La seconde partie est consacrée à la caractérisation des particules formées dans les mêmes conditions opératoires. Dans le but d’analyser les particules le plus proche de leur milieu de formation, une analyse « en vol » de la distribution en taille des particules est mise en œuvre par granulométrie EEPS. Cette expérience est préparatoire à une analyse par diffusion des rayons X aux petits angles (S.A.X.S.) sous atmosphère contrôlée, qui permet d’étudier l’influence de l’oxygène sur la taille et la morphologie des particules formées [3]. Références [1]. M. Cirisan, J.-M. Jouvard, L. Lavisse and R. Oltra, J. Appl. Phys. 109 (2011) 103301. [2]. M. Girault, L. Hallo, L. Lavisse, M.C. Marco de Lucas, D. Hébert, V. Potin and J.-M. Jouvard, Appl. Surf. Sci. 258 (2012) 9461-9465. [3]. L. Lavisse, J.-L. Le Garrec, L. Hallo, J.-M. Jouvard, S. Carles, J. Perez, J.B.A. Mitchell, J. Decloux, M. Girault, V. Potin, H. Andrzejewski, M.C. Marco de Lucas and S. Bourgeois, Appl. Phys. Lett. 100 (2012) 164103. 26 27 COMMUNICATIONS PAR AFFICHES 28 29 Flexible Long-range plasmonic waveguide for optical interconnect application Christian Vernoux1, Laurent Markey1, Alain Dereux1 1 Laboratoire Interdisciplinaire Carnot de Bourgogne UMR CNRS 6303, University of Burgundy, Dijon, 21078 France, [email protected]; 2 Institute of Technology and Innovation, University of Southern Denmark, DK-5230 Odense M, Denmark; 3 Momentive Performance Materials GmbH, D-51368 Leverkusen, Germany Flexible Long-Range SPP (LRSPP) have been proposed as possible components in datacom interconnect systems 1. From the point of view of both processability and reliability the choice of the most convenient polymer to be used as cladding remains an issue. In the context of FP7 IP PHOXTROT, different polymers have been tested. Here we report on the LRSPP potential of Momentive’s research materials. We fabricated LRSPP waveguides (typical Au cross-section 15nm x 10µm, cladding >10µm) after developing a fabrication process based on UV lithography and Au etching (Figure 1). The layers are built up successively onto a Si wafer from which the flexible waveguide can be detached later. The samples were characterized by injecting TM-polarized light (1.55µm laser) from a single-mode fiber and observing the mode with an IR camera, in the top view and also transversally at the output facet for different waveguide widths (7.5, 10 and 12.5 µm). Figure 2 shows the mode observed at the output, in good agreement with the expected shape obtained from simulation, e.g. a 5x10µm ellipse for the 10µm-wide strip. A 14dB total insertion loss was measured for a 9mm length, corresponding to a ~3mm SPP propagation length. The measured bending losses will also be presented. Figure 1: LR-SPP waveguide fabrication [1] Jong-Moo Lee, al. Opt. Express, 17(1), 228–234 (2009). 30 Figure 2: Output LR-SPP mode imaged at 1.55µm (left) ; corresponding structure (right). Génération d'impulsions lumineuses à profils sculptés sur mesure dans un laser à fibre utilisant un NOLM et un filtre spectral C. B. L. Mback1,2, P. Tchofo Dinda1, A. B. Moubissi2 et Ph. Grelu1 1 Laboratoire Interdisciplinaire Carnot de Bourgogne, UMR CNRS n ° 6303, 9 Av. A. Savary, B.P. 47 870, 21078 Dijon Cedex, France 2 Département de Physique de l’Université des Sciences et Techniques de Masuku, B.P. : 934 Franceville, Gabon [email protected] Les lasers à fibre à modes bloqués passifs sont très appréciés pour leur capacité à générer des trains d'impulsions lumineuses ultra-brèves au moyen de dispositifs qui ne contiennent qu'un nombre relativement limité de composants optiques, et qui sont d'un coût économiquement abordable [1-3]. Nous présentons un modèle de laser à fibre incorporant un miroir à boucle non linéaire et un filtre spectral gaussien, qui démontre la possibilité de réunir dans un seul dispositif deux grandes fonctions optiques qui ont été jusqu’à présent développées séparément et commercialisées en tant que dispositifs distincts ; à savoir : la génération de trains d’impulsions ultra brèves, et le traitement optique du signal. Très précisément, nous montrons que ce laser permet de générer des impulsions lumineuses hautement stables, et de sculpter sur mesure le profil de ces impulsions. Le laser à fibre de la présente étude est une transformation de la configuration standard, dans laquelle l’absorbant saturable est remplacé par un miroir à boucle non linéaire optique, plus connu sous l’abréviation NOLM (Non-linear Optical Loop Mirror) [4,5]. La figure 1 (a) illustre le schéma général de cette cavité laser. Le NOLM de la présente étude est schématiquement représenté dans la figure 1 (b). Notre NOLM est conçu pour produire un effet aussi efficace que celui d’un absorbant saturable, vis-à-vis du blocage de modes [5], et ses paramètres sont spécifiquement conçus pour le NOLM fonctionne sur un point fixe bien défini Pop = 220W [5,6], comme illustré sur la figure 1 (c). En outre, afin de mieux contrôler le profil d'impulsion, nous insérons, juste après le NOLM, un filtre spectral (de type gaussien, comme illustré sur la figure 1 (b)). Nous imposons à ce filtre la même largeur spectrale que celle du milieu amplificateur. La caractéristique la plus remarquable de la figure 1 (d) est que la puissance crête de l'impulsion se stabilise à une valeur correspondant exactement au point fixe du NOLM (ou très proche de ce point fixe). Ce résultat remarquable constitue la différence qualitative majeure entre le fonctionnement de notre cavité et celui des cavités laser standard où le blocage de modes est obtenu à l’aide d’un absorbant saturable [4,5]. (a) (c) (b) (d) Figure 1 : (a) Schéma de la cavité laser, (b) Schéma du NOLM, (c) Fonction de transfert du NOLM et (d) profil temporel de l’impulsion en sortie de laser 1. 2. 3. 4. 5. 6. S. Chouli, J. M. Soto-Crespo, and Ph. Grelu, “Optical spectra beyond the amplifier bandwidth limitation in dispersionmanaged mode-locked fiber lasers,” Opt. Express 19, 2959–2964 (2011). M. Alsaleh, E. Tchomgo Felenou, C. B. L. Mback, P. Tchofo Dinda, and Ph. Grelu, “Collective coordinate approach for the dynamics of light pulses in fiber ring lasers”, paper NTh2A.5, Advanced Photonics © 2014 OSA. M. Alsaleh, C. B. L. Mback, E. Tchomgo Felenou, P. Tchofo-Dinda, and Ph. Grelu, “Efficient semianalytical modeling of passively mode-locked lasers”, CLEO/EQEC Conference 2015. I.N. Duling III, C.-J. Chen, P.K.A. Wai, and C. Menyuk, “Operation of a nonlinear loop mirror in a laser cavity,” IEEE J. Quantum Electron. 30, 194 (1994). C. B. L. Mback, P. Tchofo Dinda, Ph. Grelu, and A. B. Moubissi, Generation of light pulses with specifically carved profiles in a fiber laser using a NOLM and a spectral filter , CLEO/EQEC Conference 2015. A Labruyère and P. Tchofo Dinda, “Analytical design of nonlinear optical loop mirror for fiber optic communication systems”, Opt. Commun. 266, 676 (2006). 31 Optimisation de la modélisation d'un détecteur au germanium pour la spectrométrie des photons gamma Déborah Degrelle Laboratoire Chrono-Environnement, UMR 6249 CNRS – Université de Franche-Comté, 16 route de Gray 25030 Besançon Cedex [email protected] La mesure des faibles radioactivités sur des échantillons environnementaux est nécessaire pour la datation des sols et des sédiments lacustres, ou encore pour la surveillance de la radioactivité dans l'environnement provenant d'essais, d'accidents nucléaires ou d'éruptions volcaniques. Les radioéléments recherchés sont identifiés par spectrométrie gamma grâce aux photons gamma émis suite à une désintégration alpha ou béta. Pour remonter à leur activité la détermination de la réponse du détecteur au germanium est indispensable dans le processus de calibration afin de trouver la courbe d'efficacité pour un échantillon considéré. Pour y parvenir, la simulation numérique par méthode Monté-Carlo devient nécessaire, impliquant de connaître avec précision les caractéristiques géométriques de l'ensemble spectrométrique afin que la simulation reflète au mieux l'expérience. L'étude de modélisation se fera sur un détecteur de type P (appelé EGPC 40). Elle permettra d'améliorer la précision des simulations pour la reproduction des mesures spectrométriques. Il est montré [1] que les facteurs influençant le plus sur l'efficacité de détection sont l'épaisseur de la zone morte et le volume actif de germanium. Ces facteurs sont intimement liés mais l'étude se concentre sur l'évaluation de l'épaisseur de la zone morte. Ce choix se justifie par la nature du détecteur. En effet, la zone morte supérieure d'un détecteur type P est réalisée par diffusion d'ions lithium à la surface du cristal de germanium. Du fait de ce procédé, si le détecteur n'est pas conditionné à température cryogénique, les ions lithium continue de se diffuser au sein du cristal, augmentant ainsi l'épaisseur de la zone morte. EGPC40 date de 2003 et a une épaisseur de zone morte d'origine de 0,05 cm. Une méthode alliant expériences et simulations [2] est utilisée pour estimer la zone inactive actuelle. Elle tend à rechercher le bon accord entre résultats expérimentaux et résultats simulés. Il a été trouvé que l’efficacité de EGPC 40 est réduite de 15,12 %, correspondant à une augmentation de la zone morte de 0,05 cm à 0,1473 cm en 12 ans. Ce résultat est une moyenne sur plusieurs valeurs dont l'écart type est de 0,0161 cm. Cet écart peut se traduire par l'hétérogénéité de l'accroissement de la zone morte le long de la surface du cristal, notamment si le détecteur est âgé. Cette inhomogénéité est démontrée expérimentalement par l'utilisation d'une source de 241 Am collimatée (l'énergie de ses photons est idéale par son libre parcours moyen de 0,09 cm pour étudier la zone morte). Différentes acquisitions sont réalisées en ciblant différentes positions sur le cristal. Il est révélé que l'efficacité de détection n'est pas homogène. À terme une correction sur la modélisation du cristal devra être réalisée. RÉFÉRENCES [1] RODENAS, J ; PASCUAL, A et al. Analysis of the influence of germanium dead layer on detector calibration simulation for environment radioactive samples using Monte-Carlo method. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, 2003, vol. 496, p. 390 – 399. [2] HUY, N.Q ; BINH, D.Q ; AN, V.X. Study on the increase of inactive germanium layer in a hight-purity germanium detector after a long time operation applying MCNP code. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, 2007, vol. 573, p. 384 – 388. 32 Study of TiO2 nanomembranes obtained by an induction heated MOCVD reactor A. Crisbasana, D. Chaumonta, M. Sacilottia,c, Y. Lacroutea, A. Crisanb a) ICB and FR 2604 Université de Bourgogne, BP 47 870, 21078 Dijon, France. b) Université Transilvania, Brasov, Roumanie c) Departamento de Fisica – Universidade Federal de Pernambuco Recife Brazil [email protected] TiO2 was deposited through the MOCVD method using the home-made reactor of the Nanoform team of the ICB laboratory of the Burgundy University in Dijon France. This reactor is different from other reactors that can be found in the scientific literature because it is heated through induction [1]. This specific feature and the use of cobalt as a catalyst resulted in nanostructures never obtained by common MOCVD reactors : nanomembranes, crucibles… Past studies have shown that adding cobalt to the surface of the substrate results in strange membrane like structures of titanium dioxide when using titanium isopropoxide and ferrocene as precursors. Without ferrocene these structures will not appear [2], [3]. At first, clusters of cobalt were spread on the glass substrate and TiO2 membranes grew only on these particular particles and not around them. This brought the team to the idea of deposing a layer of cobalt on the glass substrate. Under these conditions membranes grew all over the substrates surface (Figure). To better understand these structures we began to study the influence of the different parameters on the growth. Parameters like : deposition time, temperature, substrate and exposition to precursors were changed. The differences on the thin films morphology and structure due to these changes were registered and analyzed. 3 µm Figure : SEM micrographs of TiO2 membranes on glass substrate with a thin cobalt film on it. Acknowledgment: study performed at the Nanoform team ICB laboratory Université de Bourgogne Dijon, France within the collaboration with Transylvania University, Brasov, Romania. [1] Francois Fabreguette, Caracterisation de couches minces et de multicouches nanometriques a base d'oxynitrure de titane elaborees par LP-MOCVD, Thesis, Universite de Bourgogne, 2000 [2] M. Lazar, D. Chaumont, Y. Lacroute, R. Chassagnon, I. Ciobanu, M. Sacilotti, Growth of Three-Dimensional TiO2 Nanomembranes, Science of Advanced Material, Vol. 3, 1–5, 2011 [3] A.-M. Lazar, D. Chaumont, Y. Lacroute, M. E. Gómez, J. C. Caicedo, G. Zambrano, M. Sacilotti, TiO2 nanostructures prepared by ferrocene/cobalt catalyst agents, phys. stat. sol. (a) 205, No. 2, 289–293 (2008) 33
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