Application de nano-résonateurs optiques à la conception d'un capteur spécifique de spectroscopie infrarouge

Les nano-résonateurs optiques sont des structures de taille sub-longueur d'onde qui permettent d'exalter les interactions lumière-matière à l'échelle nanoscopique. A partir d'empilements de couches minces structurées, il est d'ailleurs possible d'obtenir un large éventail de fonctions optiques pour des applications variées. Cette thèse a pour but d'étudier les propriétés et performances de plusieurs architectures de résonateurs pour la conception d'un détecteur de molécule compact, sensible, sélectif et polyvalent de spectroscopie infrarouge. En effet, un champ électrique fortement exalté localement par un nano-résonateur optique peut donner naissance au phénomène d'absorption exaltée de surface (ou SEIRA) de molécules placées à proximité. Il est alors possible d'observer les lignes d'absorption d'une très faible quantité de matière et repousser les limites de la spectroscopie infrarouge traditionnelle pour la détection de traces de composés chimiques. Je présente dans un premier temps l'exaltation de la réponse de molécules organiques par un résonateur optique de Helmholtz dans une configuration dite sur-couplée. Celle-ci permet une exaltation intense de l'absorption moléculaire et sur une large bande spectrale, proche de la réponse de molécules seules et liée à la quantité de matière sondée. J'exporte ensuite le concept de ce résonateur dans la gamme térahertz. J'explore dans une autre partie différentes stratégies de filtrage spectral dans l'objectif de discriminer une molécule d'une autre. Je présente ainsi le couplage des nano-résonateurs de Helmholtz optiques à des nanocristaux semi-conducteurs pour concevoir une preuve de concept exaltant le photocourant. J'aborde ensuite la possibilité de créer des émetteurs thermiques accordables grâce à des miroirs nanostructurés. Pour terminer, je propose une étude numérique de résonateur à haut facteur de qualité pour l'exaltation SEIRA filtrée et le contrôle du couplage résonateur-molécule.