SURFACE PLASMON MICROSCOPY OF INHOMOGENEOUS AQUEOUS MIXTURES

Abstract

In the last decade, the field of photonics has seen a great deal of research in the use of nanostructures to excite surface plasmon resonance (SPR) on metal-dielectric interfaces. Nowadays, various applications benefit from this phenomenon where an incident light beam causes an electromagnetic resonance characterized by electron density fluctuations at a metal-dielectric interface. One of these applications is SPR microscopy. The most widely used excitation technique for SPR microscopy is the prism coupling method. This work presents a different approach, which uses crossed surface relief gratings (CSRG) for SPR microscopy. The CSRG fabrication is based on direct laser interference patterning applied on azobenzene molecular glass thin films using a Lloyd’s mirror interferometer. Two superimposed perpendicular constant-pitch linear gratings are fabricated and then they are coated with a 60-nm layer of silver. The resulting metallic CSRG has the ability to transmit light in a very narrow bandwidth when placed in between two orthogonal linear polarizers due to a unique SPR light polarization conversion phenomenon. In this work, this SPR effect is used for obtaining polarization-contrast microscopy images of water-based inhomogeneous mixtures placed on the CSRG’s surface. A series of imaging experiments were carried out using a variety of water-based inhomogeneous mixtures when the samples were illuminated by coherent and incoherent light at a wavelength of 632.8 nm. The static and video microscopy images resulting from these experiments were analyzed in terms of their brightness and contrast with respect to the CSRG parameters, as well as their ability to image and detect various analytes or inhomogeneities in water. Also, first-ever direct imaging of the SPR wave propagation along a metal-dielectric interface was performed. The obtained SPR propagation length was found to be in agreement with the theoretical results. Two-dimensional demonstration of the plasmonic energy exchange and the polarization conversion in a CSRG was carried out.

Au cours de la dernière décennie, de nombreuses recherches ont été faites dans le domaine de la photonique sur l’utilisation de nanostructures pour exciter la résonance de plasmon de surface (RPS) sur des interfaces métal-diélectrique. De nos jours, diverses applications tirent profit de ce phénomène lorsqu'un faisceau lumineux incident provoque une résonance électromagnétique caractérisée par des fluctuations de la densité des électrons à une interface métal-diélectrique. Une de ces applications est la microscopie RPS. La technique d'excitation RPS la plus largement utilisée pour la microscopie RPS est la méthode de couplage par prisme. Ce travail présente une approche différente qui utilise des réseaux de diffraction croisés (RDC) pour la microscopie RPS. La fabrication du RDC est basée sur la structuration de films minces d’azobenzène de verre moléculaire par interférence directe d’un laser à l’aide d’un interféromètre à miroir de Lloyd. Deux réseaux linéaires perpendiculaires à pas constant superposés sont fabriqués puis recouverts d'une couche d'argent de 60 nm. Le RDC métallique résultant a la capacité de transmettre la lumière dans une bande passante très étroite lorsqu'il est placé entre deux polariseurs linéaires orthogonaux en raison d'un phénomène unique de conversion de polarisation de la lumière RPS. Dans ce travail, cet effet RPS est utilisé pour obtenir des images de microscopie à contraste de polarisation de mélanges inhomogènes à base d’eau placés à la surface du RDC. Une série d'expériences d'imagerie a été réalisée en utilisant une variété de mélanges inhomogènes à base d'eau lorsque les échantillons ont été éclairés par une lumière cohérente et incohérente à une longueur d'onde de 632,8 nm. Les images statiques et les vidéos de microscopie résultantes de ces expériences ont été analysées en termes de luminosité et de contraste par rapport aux paramètres RDC, ainsi que de leur capacité à visualiser et à détecter divers analytes ou inhomogénéités dans l'eau. En outre, la toute première imagerie directe de la propagation de l’onde RPS le long d’une interface métal-diélectrique a été réalisée. La longueur de propagation du RPS obtenue était en accord avec les résultats théoriques. Une démonstration bidimensionnelle de l'échange d'énergie plasmonique et de la conversion de polarisation dans un CSRG a été effectuée.