The interaction of quantum dots with plasmons supported by metal waveguides

Plasmonics is a recently emerged technology that enables the compression of electromagnetic waves into miniscule metallic structures, thus enabling the focusing and routing of light on the nanoscale. Plasmonic waveguides can be used to miniaturise the size of integrated chip circuits while increasing the data transmission speed. Plasmonic waveguides are used to route the plasmons around a circuit and are a major focus of this thesis. Also, plasmons are highly sensitive to the surrounding dielectric environment. Using this property we have experimentally realised a refractive index sensor to detect refractive index change in solutions.

Acoustic plasmons in extrinsic free-standing graphene

An acoustic plasmon is predicted to occur, in addition to the conventional two-dimensional (2D) plasmon, as the collective motion of a system of two types of electronic carriers coexisting in the same 2D band of extrinsic (doped or gated) graphene. The origin of this novel mode stems from the anisotropy present in the graphene band structure near the Dirac points K and K'. This anisotropy allows for the coexistence of carriers moving with two distinct Fermi velocities along the Gamma K and Gamma K' directions, which leads to two modes of collective oscillation: one mode in which the two types of carriers oscillate in phase with one another (this is the conventional 2D graphene plasmon, which at long wavelengths (q -> 0) has the same dispersion, q(1/2), as the conventional 2D plasmon of a 2D free electron gas), and the other mode found here corresponds to a low-frequency acoustic oscillation (whose energy exhibits at long-wavelengths a linear dependence on the 2D wavenumber q) in which the two types of carriers oscillate out of phase. This prediction represents a realization of acoustic

Effect of surface plasmon resonance in TiO2/Au thin films on the fluorescence of self-assembled CdTe QDs structure

23rd Congress of the International Comission for Optics (ICO 23)

Single mode vertical-cavity surface emitting laser with surface plasmon nanostructure

The vertical-cavity surface-emitting laser(VCSEL) has proved to be a low cost light source with attractive properties such as surface emission, circular and low divergence output beam, and simple integration in two-dimensional array. Many new applications such as in spectroscopy, optical storage, short distance fiber optic interconnects, and in longer distance communication, are continuously arising. Many of these applications require stable and single-mode high output power. Several methods that affect the transverse guiding and/or introduce mode selective loss or gain have been developed. In this study, a method for improving the single mode output power by using metal surface plasmons nanostructure is proposed. Theoretical calculation shows that the outpout power is improved about 50% compared to the result of standard VCSELs.

Surface plasmon coupling in hexagonal textured metallic microcavity

The coupling of surface plasmons to the photonic modes in hexagonal textured metallic microcavity was studied. The modified photonic modes enable efficient coupling with the luminescence source in the microcavity. Hexagonal photonic crystal lattice has higher folding symmetry providing more channels for surface plasmon coupling in different in-plane directions, i.e., more isotropic light extraction profile than one-or two-dimensional gratings. Results show that strong coupling between surface plasmon modes and the waveguide mode in the microcavity has led to angle-selective enhanced light extraction and it was as much as 12 times more light extracted compare to planar microcavity. (c) 2006 American Institute of Physics.

Flat Surface Plasmon Polariton Bands in Bragg Grating Waveguide for Slow Light

The formations of the surface plasmonpolariton (SPP) bands in metal/air/metal (MAM) sub-wavelength plasmonic grating waveguide (PGW) are proposed. The band gaps originating from the highly localized resonances inside the grooves can be simply estimated from the round trip phase condition. Due to the overlap of the localized SPPs between the neighboring grooves, a Bloch mode forms in the bandgap and can be engineered to build a very flat dispersion for slow light. A chirped PGW with groove depth varying is also demonstrated to trap light, which is validated by finite-difference time-domain (FDTD) simulations with both continuous and pulse excitations.

Dressing Plasmons in Particle-in-Cavity Architectures

Placing metallic nanoparticles inside cavities, rather than in dimers, greatly improves their plasmonic response. Such particle-in-cavity (PIC) hybrid architectures are shown to produce extremely strong field enhancement at the particle cavity junctions, arising from the cascaded focusing of large optical cross sections into small gaps. These simply constructed PIC structures produce the strongest field enhancement for coupled nanoparticles, up to 90% stronger than for a dimer. The coupling is found to follow a universal power law with particle surface separation, both for field enhancements and resonant wavelength shifts. Significantly enhanced Raman signals are experimentally observed for molecules adsorbed in such PIC structures, in quantitive agreement with theoretical calculations. PIC architectures may have important implications in many applications, such as reliable single molecule sensing and light harvesting in plasmonic photovoltaic devices.

Actively Tuned Plasmons on Elastomerically Driven Au Nanoparticle Dimers

We demonstrate a novel way to actively tune surface plasmons by fabricating plasmonic nanostructures on stretchable elastomeric films. This allows reversible modification of the metal geometry on the nanometer scale. Using 100 nm scale Au nanoparticle dimers whose spacing is stretch-tuned reveals radically different spectral tuning than previously reported for sub-10-nm nanoparticles, but which can be explained by a revised interpretation of existing models. Tuning plasmons in this way offers a much more robust way than lithography to interrogate the physics of localized plasmons and has applications in optimized surface-enhanced luminescence and Raman scattering.

The interaction of surface plasmon polaritons with a silver film edge

A prism coupling arrangement is used to excite surface plasmons at the surface of a thin silver aim and a photon scanning tunnelling microscope is used to detect the evanescent field above the silver surface. Excitation of the silver/ air mode of interest is performed at lambda(1) = 632 . 8 nm using a tightly focused beam, while the control of the tip is effected by exciting a counter-propagating surface plasmon field at a different wavelength. lambda(2) = 543 . 5 nm, using an unfocused beam covering a macroscopic area. Propagation of the red surface plasmon is evidenced by an exponential tail extending away from the launch site, but this feature is abruptly truncated if the surface plasmon encounters the edge of the silver film - there is no specularly reflected 'beam'. Importantly, the radiative decay of the surface mode at the film edge is observable only at larger tip-sample separations, emphasizing the importance of accessing the mesoscopic regime.

Contrasting damage characteristics in direct incidence and surface plasmon mediated single-shot laser ablation of aluminium films

Thin, oxidised Al films grown an one face of fused silica prisms are exposed. tinder ambient conditions, to single shots from an excimer laser operating at wavelength 248 nm. Preliminary characterisation of the films using attenuated total reflection yields optical and thickness data for the Al and Al oxide layers; this step facilitates the subsequent, accurate tuning of the excimer laser pulse to the: surface plasmon resonance at the Al/(oxide)/air interface and the calculation of the fluence actually absorbed by the thin film system. Ablation damage is characterised using scanning electron, and atomic force microscopy. When the laser pulse is incident, through the prism on the sample at less than critical angle, the damage features are molten in nature with small islands of sub-micrometer dimension much in evidence, a mechanism of film melt-through and subsegment blow-off due to the build up of vapour pressure at the substrate/film interface is appropriate. By contrast, when the optical input is surface plasmon mediated, predominately mechanical damage results with the film fragmenting into large flakes of dimensions on the order of 10 mu m. It is suggested that the ability of surface plasmons to transport energy leads to enhanced, preferential absorption of energy at defect sites causing stress throughout the film which exceeds the ultimate tensile stress for the film: this in turn leads to film break-up before melting can onset. (C) 1998 Elsevier Science B.V.

IMAGING OF SURFACE-PLASMON LAUNCH AND PROPAGATION USING A PHOTON SCANNING TUNNELING MICROSCOPE

The spectroscopic capability of the photon scanning tunneling microscope is exploited to study directly the launch and propagation of surface plasmons on thin silver films. Two input beams, of different wavelength, are incident through the prism in a prism-Ag film-air-fibre tip system. Both excite surface plasmons at the Ag-air interface and light of both wavelengths is coupled into the fibre probe via the respective surface plasmon evanescent fields. One laser beam is used for instrument control. The second, or probe beam is tightly focused on the sample, within the area of the unfocused or control beam, giving a well-defined and symmetrical, confined surface plasmon launch site. However, the image at the probe wavelength is highly asymmetrical in section with an exponential tail extending beyond one side of the launch site. This demonstrates in a very direct fashion;the propagation of surface plasmons; a propagation length of similar to 11.7 mu m is measured at a probe wavelength of 543.5 nm. On rough Ag films the excitation of localised scattering centres is also observed in addition to the launch of delocalised surface plasmons.

Développement et validation de méthodes visant une utilisation optimale d'antennes réceptrices en imagerie par résonance magnétique

Différentes méthodes ayant pour objectif une utilisation optimale d'antennes radio-fréquences spécialisées en imagerie par résonance magnétique sont développées et validées. Dans un premier temps, il est démontré qu'une méthode alternative de combinaison des signaux provenant des différents canaux de réception d'un réseau d'antennes mène à une réduction significative du biais causé par la présence de bruit dans des images de diffusion, en comparaison avec la méthode de la somme-des-carrés généralement utilisée. Cette réduction du biais engendré par le bruit permet une amélioration de l'exactitude de l'estimation de différents paramètres de diffusion et de diffusion tensorielle. De plus, il est démontré que cette méthode peut être utilisée conjointement avec une acquisition régulière sans accélération, mais également en présence d'imagerie parallèle. Dans une seconde perspective, les bénéfices engendrés par l'utilisation d'une antenne d'imagerie intravasculaire sont étudiés. Suite à une étude sur fantôme, il est démontré que l'imagerie par résonance magnétique intravasculaire offre le potentiel d'améliorer significativement l'exactitude géométrique lors de mesures morphologiques vasculaires, en comparaison avec les résultats obtenus avec des antennes de surface classiques. Il est illustré qu'une exactitude géométrique comparable à celle obtenue grâce à une sonde ultrasonique intravasculaire peut être atteinte. De plus, plusieurs protocoles basés sur une acquisition de type balanced steady-state free-precession sont comparés dans le but de mettre en évidence différentes relations entre les paramètres utilisés et l'exactitude géométrique obtenue. En particulier, des dépendances entre la taille du vaisseau, le rapport signal-sur-bruit à la paroi vasculaire, la résolution spatiale et l'exactitude géométrique atteinte sont mises en évidence. Dans une même optique, il est illustré que l'utilisation d'une antenne intravasculaire permet une amélioration notable de la visualisation de la lumière d'une endoprothèse vasculaire. Lorsque utilisée conjointement avec une séquence de type balanced steady-state free-precession utilisant un angle de basculement spécialement sélectionné, l'imagerie par résonance magnétique intravasculaire permet d'éliminer complètement les limitations normalement engendrées par l'effet de blindage radio-fréquence de l'endoprothèse.

Cage de résonance à base de films minces transparents et conducteurs de nanotubes de carbone

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

Développement du cartilage articulaire équin du fœtus à l’adulte : imagerie par résonance magnétique et microscopie en lumière polarisée

La structure du cartilage articulaire adulte est caractérisée par la présence de couches créées par l’orientation des fibres de collagène (Benninghoff, 1925). Avant de présenter la structure adulte classique en arcades “de Benninghoff”, le cartilage subit une série de changements au cours de sa maturation (Julkunen et al., 2010; Lecocq et al., 2008). Toutefois, un faible nombre d’études s’est intéressé à la structure du collagène du cartilage articulaire in utero. Notre objectif était d’étudier la maturation de la surface articulaire de l’épiphyse fémorale distale chez le cheval, en employant à la fois l’imagerie par résonance magnétique (IRM) et la microscopie en lumière polarisée après coloration au rouge picrosirius, au niveau de sites utilisés dans les études de réparation tissulaire et de sites prédisposés à l’ostéochondrose (OC). Le but était de décrire le développement normal du réseau de collagène et la relation entre les images IRM et la structure histologique. Des sections provenant de cinq sites de l’épiphyse fémorale distale de 14 fœtus et 10 poulains et adultes ont été colorées au rouge picrosirius, après que le grasset ait été imagé par IRM, dans l’optique de visualiser l’agencement des fibres de collagène de type II. Les deux modalités utilisées, IRM et microscopie en lumière polarisée, ont démontré la mise en place progressive d’une structure en couches du réseau de collagène, avant la naissance et la mise en charge de l’articulation.

Apport de nouvelles techniques dans l’évaluation de patients candidats à une chirurgie d’épilepsie : résonance magnétique à haut champ, spectroscopie proche infrarouge et magnétoencéphalographie

L'épilepsie constitue le désordre neurologique le plus fréquent après les maladies cérébrovasculaires. Bien que le contrôle des crises se fasse généralement au moyen d'anticonvulsivants, environ 30 % des patients y sont réfractaires. Pour ceux-ci, la chirurgie de l'épilepsie s'avère une option intéressante, surtout si l’imagerie par résonance magnétique (IRM) cérébrale révèle une lésion épileptogène bien délimitée. Malheureusement, près du quart des épilepsies partielles réfractaires sont dites « non lésionnelles ». Chez ces patients avec une IRM négative, la délimitation de la zone épileptogène doit alors reposer sur la mise en commun des données cliniques, électrophysiologiques (EEG de surface ou intracrânien) et fonctionnelles (tomographie à émission monophotonique ou de positrons). La faible résolution spatiale et/ou temporelle de ces outils de localisation se traduit par un taux de succès chirurgical décevant. Dans le cadre de cette thèse, nous avons exploré le potentiel de trois nouvelles techniques pouvant améliorer la localisation du foyer épileptique chez les patients avec épilepsie focale réfractaire considérés candidats potentiels à une chirurgie d’épilepsie : l’IRM à haut champ, la spectroscopie proche infrarouge (SPIR) et la magnétoencéphalographie (MEG). Dans une première étude, nous avons évalué si l’IRM de haut champ à 3 Tesla (T), présentant théoriquement un rapport signal sur bruit plus élevé que l’IRM conventionnelle à 1,5 T, pouvait permettre la détection des lésions épileptogènes subtiles qui auraient été manquées par cette dernière. Malheureusement, l’IRM 3 T n’a permis de détecter qu’un faible nombre de lésions épileptogènes supplémentaires (5,6 %) d’où la nécessité d’explorer d’autres techniques. Dans les seconde et troisième études, nous avons examiné le potentiel de la SPIR pour localiser le foyer épileptique en analysant le comportement hémodynamique au cours de crises temporales et frontales. Ces études ont montré que les crises sont associées à une augmentation significative de l’hémoglobine oxygénée (HbO) et l’hémoglobine totale au niveau de la région épileptique. Bien qu’une activation contralatérale en image miroir puisse être observée sur la majorité des crises, la latéralisation du foyer était possible dans la plupart des cas. Une augmentation surprenante de l’hémoglobine désoxygénée a parfois pu être observée suggérant qu’une hypoxie puisse survenir même lors de courtes crises focales. Dans la quatrième et dernière étude, nous avons évalué l’apport de la MEG dans l’évaluation des patients avec épilepsie focale réfractaire considérés candidats potentiels à une chirurgie. Il s’est avéré que les localisations de sources des pointes épileptiques interictales par la MEG ont eu un impact majeur sur le plan de traitement chez plus des deux tiers des sujets ainsi que sur le devenir postchirurgical au niveau du contrôle des crises.