Contrôle de l'émission spontanée par une assemblée d'émetteurs thermalisés en cavité : étude théorique et expérimentale - Groupe Nanophotonique Access content directly
Theses Year : 2023

Control of spontaneous emission by an ensemble of thermalized emitters in a cavity : theoretical and experimental study

Contrôle de l'émission spontanée par une assemblée d'émetteurs thermalisés en cavité : étude théorique et expérimentale

Elise Bailly
  • Function : Author
  • PersonId : 1265195
  • IdRef : 270698884

Abstract

The goal of this thesis is to introduce a model and new techniques to control light emission by an ensemble of fluorophores in the visible spectral range. Miniaturizing light sources in order to reduce their volume and production cost is a challenge. It would also enable an easier integration of light sources in complex systems. It is now well understood that the emitters environment can modify drastically the emission process. In this manuscript, we explore several ways to shape the electromagnetic environment of the emitters, in order to obtain a directive emission of light from a miniaturized device. On the one hand, we study the spatial coherence of light, necessary to obtain directivity. We derive a general absorption-correlation relation which enables to obtain the spatial correlation of the electromagnetic fields thanks to an absorption computation. We then exploit this formula to analyze the origin of the spatial coherence of light emitted by an ensemble of dye molecules deposited on top of a silver layer. It brings out the role of the surface waves in the building of spatial coherence. On the other hand, we use a local form of Kirchhoff law to derive the emission by fluorophores in a resonant environment. It enables to study light emitted by a complex sample composed of two emitters' species on top of a silver layer. We highlight an energy transfer between these two emitters' families. Finally, we make the most of these results to design, fabricate and characterize directional photoluminescent sources, made of nanoplatelets on top of a metallic metasurface. The agreement between experiment and theory proves the impact of the local Kirchhoff's law in the design of new light sources.
Cette thèse a pour but de développer un modèle et des techniques de contrôle de l'émission de lumière par une assemblée de fluorophores dans le domaine visible. Miniaturiser les sources de lumière est un enjeu majeur pour réduire l'encombrement et donc les coûts de production. Cela permet également d'intégrer plus facilement ces sources à d'autres systèmes. Il est maintenant bien compris que l'environnement des émetteurs permet de modifier les propriétés de la lumière émise. Dans cette thèse, nous explorons les moyens de façonner cet environnement électromagnétique afin d'obtenir une source miniaturisée dont l'émission est directive. La première partie est consacrée à l'étude de la cohérence spatiale, qui est nécessaire à l'obtention de directivité. Nous établissons une relation générale absorption-cohérence permettant de calculer la corrélation spatiale des champs à l'aide d'un calcul d'absorption. Cela nous permet d'étudier les propriétés d'émission d'un système composé de molécules de colorant déposées sur de l'argent et de mettre en évidence le rôle des ondes de surface dans l'apparition de cohérence spatiale. Dans un second temps, nous montrons que la photoluminescence en présence de l'environnement résonant peut être calculée à l'aide de la loi de Kirchhoff locale. Grâce à cette méthode, nous modélisons la photoluminescence émise par un système complexe composé de deux types d'émetteurs fluorescents déposés sur un film d'argent. Nous mettons ainsi en évidence un transfert d'énergie entre ces deux familles d'émetteurs. Enfin, nous tirons parti des résultats précédents pour concevoir numériquement des sources photoluminescentes directives, composées de nanoplaquettes déposées sur une métasurface métallique jouant le rôle de cavité résonante. Ces sources sont fabriquées en salle blanche et caractérisées expérimentalement. L'accord des résultats expérimentaux avec la théorie démontre la portée de la loi de Kirchhoff locale dans la conception de sources de lumière innovantes.
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Origin : Version validated by the jury (STAR)

Dates and versions

tel-04142577 , version 1 (27-06-2023)

Identifiers

  • HAL Id : tel-04142577 , version 1

Cite

Elise Bailly. Contrôle de l'émission spontanée par une assemblée d'émetteurs thermalisés en cavité : étude théorique et expérimentale. Optique [physics.optics]. Université Paris-Saclay, 2023. Français. ⟨NNT : 2023UPASP053⟩. ⟨tel-04142577⟩
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