Academic literature on the topic 'Sub-Longueur d'onde'

Interaction du champ proche optique avec une unique molecule fluorescente. Mise en place d'un formalisme couplant équations de Bloch optiques et susceptibilité du champ permettant de décrire la fluorescence déclenchée en champ proche. Application à l'interprétation d'images obtenus avec des microscopes en champ proche à sonde moléculaire (PSTM et SNOM). En particulier, mise en évidence du rôle de la densité locale d'états photoniques (LDOS) dans la formation des images. Introduction d'un nouveau concept de guide optique sub-longueur d'onde pour l'adressage moléculaire en géométrie coplanaire.

Ce travail de thèse traite l'interaction du champ proche optique avec une molécule fluorescente. La première partie aborde cette étude à partir du modèle phénoménologique de l'électron élastiquement lié. La notion de susceptibilité du champ est introduite au cours du premier chapitre. Il s'agit d'un tenseur qui décrit le champ électrique engendré en tout point d'un système par un dipôle oscillant. Ce tenseur permet de plus d'expliciter la perturbation de la fluorescence de la molécule par son environnement. Cela nous conduit à caractériser ensuite les images obtenues avec deux types de configurations de microscopes en champ proche optique utilisant une sonde moléculaire soit comme détecteur soit comme émetteur. En particulier, le rôle de la densité locale d'états photoniques dans la formation des images est clairement établi. .
We propose here to study near-field optics interaction with a fluorescent molecule. In the first part, we use the Drude-Lorentz model to describe the fluorescent signal in confined geometry. That leads us to introduce the field-susceptibility formalism. The field-susceptibility is a tensor which gives the electric field scattered by an oscillating dipole, taking into account the surroundings influence. Then, we apply this formalism to two configurations of scanning near-field optical microscopes using a single fluorescent molecule probe as a detector or a light source. In particular, we precise the role of the local density of states in the images formation. .

Les interactions lumière-matière à l'échelle sub-longueur d'onde, mettant notamment en jeu l'excitation de plasmons de surface dans les nanostructures métalliques, offrent de nouvelles perspectives pour la conception de systèmes optiques infrarouges. Elles permettent des fonctions optiques innovantes, miniaturisées et intégrables au voisinage d'une puce de détection. Dans le cadre de cette thèse, nous avons exploré deux concepts pour l'infrarouge. Nous avons proposé de réaliser une transmittance optique modulée spatialement en amplitude et en phase, en utilisant une mosaïque de réseaux métalliques sub-longueurs d'onde de différentes géométries (largeur de fente, période). Les calculs et les mesures de la transmission optique de réseaux individuels, en amplitude et en phase, montrent que le mécanisme non résonant permet une utilisation sur une large bande spectrale. Nous donnons l'exemple de la reconstitution d'une sinusoïde 2D pouvant servir d'objet diffractif dans une application d'analyse de surface d'onde. Le deuxième concept est basé sur l'exaltation des résonances dans des réseaux métalliques suspendus pour réaliser des filtres spectraux dans les bandes II et III de l'infrarouge. Le développement d'un procédé de fabrication original a permis d'obtenir des membranes percées de grandes dimensions. Une transmission optique quasi-totale a été mise en évidence, conformément aux prédictions théoriques. Les résultats obtenus à l'aide d'une micro-caméra multi-voies intégrant une matrice de 11 filtres opérant sur la bande II (2,5 μm - 5 μm) confirment le potentiel des réseaux sub-longueurs d'onde pour des applications de spectro-imagerie.

Un composant optique modifie l’amplitude, la phase ou la polarisation d’une onde élec- tromagnétique incidente. Ma thèse consiste à développer des composants optiques pour l’infrarouge à base de nanostructures sub-longueur d’onde. La possibilité de leur intégration au plus près des matrices de détecteurs permet de réduire l’encombrement des systèmes op- tiques tout en augmentant leur robustesse aux contraintes mécaniques. J’ai développé d’une part deux dispositifs de contrôle de la phase reposant sur des nanofentes déphasantes ou diffractives permettant, par exemple, de réaliser des lentilles planes à l’échelle de la longueur d’onde. J’ai également démontré le potentiel de ces dispositifs pour la conception de com- posants plans aux fonctions optiques nouvelles telles que les combinaisons des fonctions de filtrage ou de prisme avec celle d’une lentille. D’autre part, j’ai développé, fabriqué et carac- térisé des métasurfaces à base de réseau d’antennes plasmoniques sub-longueur d’onde pour le contrôle spatial et spectral de la polarisation. En particulier, j’ai réalisé un convertisseur de polarisation linéaire en réflexion, efficace et large bande dans l’infrarouge
An optical device modifies the magnitude, the phase or the polarization state of the incident light. My thesis consists in developing optical components in infrared range based on sub-wavelength nanostructures. The possibility to integrate them directly on the top of the array of detectors leads to an improvement of the compactness of the optical device and a better robustness relatively to mechanical stresses. First, I have developed two kinds of devices to control the phase based on phase shifting or diffractive nanoslits that permit for example to conceive planar lenses at the wavelength scale. Besides, I have also demonstra- ted, based on these devices, new optical functions such as the combination of a filtering or a prism function with a lens function. Second, I have conceived, fabricated, and characterized metasurfaces based on array of sub-wavelength plasmonic antennas in order to control spa- tially and spectrally the polarization. In particular, I have realized a wide band and efficient linear polarization converter used in reflection in the infrared range

Cette thèse traite du contrôle de la propagation des ondes, électromagnétiques et acoustiques, à l'échelle sub-longueur d'onde dans les métamatériaux localement résonants. Ces derniers sont des matériaux composites composés d'ensembles de résonateurs agencés sur des périodes très petites comparées aux longueurs d'ondes caractéristiques de résonance. Ils sont en général considérés comme des milieux homogènes aux propriétés effectives. Nous prouvons que, au-delà de ces approches communes d'homogénéisation, les propriétés de la plupart des métamatériaux peuvent être réinterprétées à lumière d'une approche microscopique. Celle-ci permet de mettre en évidence que la propagation des ondes dans ces métamatériaux résulte de phénomènes physiques analogues à ceux mis en jeu dans les cristaux photoniques/phononiques : des interférences et de la diffusion multiple. Nous prouvons alors que les concepts de manipulation des ondes développés dans les cristaux photoniques, sont transposables aux métamatériaux, bénéficiant alors des avantages de la structuration sub-longueur d'onde. Nous montrons que des modifications locales du milieu induisent la formation de cavité et guides d'ondes confinant et guidant le champ sur des dimensions arbitrairement plus petites que la longueur d'onde. Nous étudions la capacité de ces guides à manipuler le flux d'onde spatialement et temporellement. Nous soulignons enfin l'importance de la structure microscopique des métamatériaux, jusque-là toujours négligée. Nous prouvons qu'un métamatériau dit simplement négatif (avec une seule propriété effective négative) peut présenter un indice de réfraction négatif simplement en le structurant ingénieusement
This thesis deals with the control of the wave propagation at deep sub-wavelength scales in locally resonant metamaterials. Those composite media are composed of small resonators arranged on spatial scales much smaller than their typical wavelength at resonance. They are hence generally considered as homogeneous media and described with effective parameters. We here prove that, going beyond those homogenization approaches, the properties of most metamaterials can be reinterpreted at the light of a microscopic approach. The latter evidences that the wave propagation in metamaterials only results from phenomenon analog to what happens in photonic/phononic crystals: namely interferences and multiple scattering. We hence demonstrate that concepts developed for wave manipulation in photonic/phononic crystals can be transposed in metamaterials while taking advantage of the latter sub-wavelength spatial organization. For instance, locally modifying the medium, at the scale of the unit celé, creates cavities and waveguides confining and guiding waves on dimensions that are independent of the wavelength. We further study the possibility offered by those waveguides to both mold and slow down the flow of waves. We finally highlight the importance of the spatial subwavelength structuration of metamaterials due to the presence of multiple scattering. We prove that a so-called single negative metamaterial (presenting only one negative effective property) can be turned into a double negative one (hence presenting a negative index of refraction), simply by smartly organizing the building blocks of the metamaterial, at scales much smaller than the wavelength

Les matériaux tirent beaucoup de leurs propriétés de l'interaction entre leurs constituants et une onde. Ceci est principalement conditionné par deux caractéristiques: la composition et l'arrangement structurel. Cette interdépendance est précisément décrite par la physique du solide. Ceci a ensuite motivé la découverte des matériaux composites dont les caractéristiques découlent à nouveau de ces deux critères. Ils se divisent en deux catégories. La première est celle des cristaux photoniques/phononiques, qui tirent leurs propriétés de leur arrangement périodique. La seconde catégorie est celle des métamatériaux, dont les propriétés proviennent de l'interaction de leurs constituants avec les ondes. Les effets de structure sont généralement négligés dans la description de ces milieux et ils sont considérés comme étant des milieux homogènes avec des paramètres effectifs. Ces deux types de systèmes semblent donc a priori très différents du point de vue de l'interaction avec les ondes. Dans cette thèse, nous nous intéressons au cas des métamatériaux localement résonant, c'est-à-dire à ceux dont la cellule unité est un résonateur sub-longueur d'onde. Au lieu de les considérer comme des milieux homogènes effectifs, l'idée est de partir des caractéristiques de la cellule unité du milieu ainsi que de son arrangement spatial afin d'obtenir ses propriétés macroscopiques. Cette approche microscopique permet d'appréhender conjointement les effets de structure et de composition. Ceci est décrit dans le chapitre I, où nous introduisons le concept de polariton dont la relation de dispersion présente une bande liée à des modes sub-longueur d’onde, et une bande interdite d’hybridation. Dans le chapitre II, nous tirons parti cette dernière afin d’induire un couplage localisé entre des défauts résonants qui est similaire au terme de saut que l'on retrouve au sein des Hamiltoniens tight-binding de physique du solide. Nous reproduisons ainsi les structures de bande du graphène et du réseau « dice », ce qui nous permet de mesurer des cônes de Dirac au sein du système. Dans le chapitre III, nous introduisons le concept des métamatériaux cristallins, ce qui revient à considérer ces milieux comme des cristaux photoniques/phononiques, mais à une échelle très petite devant la longueur d'onde de travail. Cela nous permet d’induire une bande négative dans le système mais aussi une bande relativement plate, et des cônes de Dirac. Dans le chapitre IV nous brisons ces cônes en réalisant un analogue de l’effet Hall quantique de Vallée, ce qui revient à modifier conjointement la structure et la composition de la cellule unité. Dans le chapitre V nous brisons encore une fois ces cônes afin de d’induire des propriétés topologiques dans le milieu et de créer un analogue macroscopique d’un isolant topologique de spin
Many material properties arise from the interaction between their constituents and a wave. This is mainly conditioned by two characteristics: the composition and the structural arrangement. This interdependence is precisely described by condensed matter physics. This motivated the discovery of composite materials whose characteristics also stem from these two criteria. They divide in two categories. The first is the photonic/phononic crystals, whose properties are linked to their periodic arrangement. The second category is the one of metamaterials, whose properties come from the interaction of their constituents with the waves. The structural effects are generally neglected in the description of these media and they are considered to be homogeneous media with effective parameters. These two types of systems seem very different from the point of view of the interaction with the waves. In this thesis, we focus on locally resonant metamaterials, whose unit cell is a sub-wavelength resonator. Instead of seeing them as effective homogeneous media, the idea is to start from the characteristics of the unit cell of the medium as well as from its spatial arrangement in order to obtain its macroscopic properties. This microscopic approach makes it possible to jointly apprehend the effects of structure and composition. This is described in Chapter I, where we introduce the concept of polariton whose dispersion relation has a band linked to subwavelength modes, and a hybridization bandgap. In Chapter II, we use the latter to induce a localized coupling between resonant defects that is similar to the hopping term found in tight-binding solid-state physics Hamiltonians. We reproduce the band structures of graphene and of the dice lattice, which allows us to measure Dirac cones within the system. In Chapter III, we introduce the concept of crystalline metamaterials, which amounts to seeing these media as photonic/phononic crystals, but on a very small scale compare to the operating wavelength. This allows us to induce a negative band in the system but also a relatively flat band, and Dirac cones. In Chapter IV we break these cones by creating an analogue of the quantum Hall effect of Valley, which amounts to jointly modifying the structure and composition of the unit cell. In Chapter V we again break these cones in order to induce topological properties in the medium and to create a macroscopic analogue of a topological isolator

Les travaux de cette thèse portent sur la conception de structures sub-longueur d'onde pour l'optique infrarouge. Deux approches se distinguent. En premier lieu, j'ai étudié une méthode indirecte de caractérisation optique applicable à des structures sub-longueur d'onde considérées comme des matériaux homogènes : elle consiste à mesurer par spectroscopie infrarouge les intensités diffractées par des réseaux de période très grande devant la longueur d'onde, et constitués du matériau à caractériser. J'ai mis en oeuvre cette méthode dans le but de la valider en déterminant l'indice de réfraction complexe du nitrure de silicium. J'ai également proposé d'appliquer cette méthode à des nanomatériaux artificiels dans le but de caractériser leur anisotropie et de mettre en évidence le phénomène de dispersion spatiale spécifique au domaine sub-longueur d'onde, dont dépendent étroitement les propriétés optiques. Dans un second temps, j'ai introduit un formalisme matriciel pour concevoir des filtres infrarouge passe-bande sur substrat. Dans ce cas, les propriétés optiques des structures sub-longueur d'onde métal-diélectriques étudiées sont dues à des résonances de modes guidés résultant de l'interaction complexe de plusieurs ordres diffractés entre eux. Ce formalisme permet de modéliser la réponse optique des filtres, et de définir un critère de symétrie. J'ai finalement montré qu'il est possible de concevoir des filtres symétriques sur substrat, et par là même d'optimiser leur réponse optique en termes de maximum de transmission, de facteur de qualité, de tolérance angulaire et d'efficacité de réjection
This work aims at designing infrared optical components based on subwavelengt structures. Two different approaches can be followed. Firstly, I studied an indirect optical characterization method suitable for subwavelength structures considered as homogeneous materials : it consists in measuring the intensities diracted by gratings with periods much larger than the wavelength, the gratings being made of the materials to be characterized. I have implemented this method to determine the complex refractive index of silicon nitride as a validation. Moreover, I have shown that applying this method to articial nanomaterials would allow to characterize their anisotropy and would permit to evidence the spatial dispersion phenomenon speficic of the subwavelength domain, both being very important to understand the optical properties. Secondly, I introduced a matrix formalism to design infrared band-pass filters on substrate. The optical properties of the metal-dielectric subwalength structures considered in that case are due to guided-mode resonances originating from complex interactions between diffracted orders. This formalism allows to model the optical response of these filters ; a symmetry criterion is also formulated. I have finally shown that symmetric Iters on substrate can be designed with an optimal optical response valued with respect to the transmission maximum, the quality factor, the angular tolerance and the rejection

Ce travail de thèse se décompose en deux parties. Tout d'abord, nous présentons une nouvelle technique de focalisation d'ondes avec un seul émetteur en cavité réverbérante (FIM) en profitant d'un algorithme inspiré du filtre inverse. Via l'étude expérimentale de cavités réverbérantes dans le domaine des ultrasons, nous démontrons la capacité du FIM à optimiser la focalisation quelle que soit le type de cavité (de type ergodique ou non). Dans une deuxième partie, la propagation d'ondes élastiques dans un système formé par un ensemble de tiges d'aluminium collées sur une plaque mince de même nature, est étudiée. Ces tiges (résonateurs quasi-ponctuels) sont arrangées de façon périodique ou aléatoire sur une échelle sub-longueur d'onde. Le métamatériau ainsi constitué révèle la présence de larges bandes de fréquences interdites. De plus, la coexistence de résonances de flexion et de compression dans les résonateurs, ajoutée à la présence d'une conversion d'une partie de l'énergie du mode A0 vers le mode S0 dans la plaque, crée une grande complexité du champ d'onde. C'est ce qui fait de ce type de métamatériau, des objets tout à fait singuliers à l'échelle mésoscopique
This thesis is divided into two parts. First, we present a new technique for focusing waves with one emitter in reverberant cavity (OCIF) inspired by inverse filter algorithm. Through the experimental study of reverberant cavities in the field of ultrasound, we demonstrate the ability of the OCIF to optimize the focusing no matter what type of cavity (ergodic type or not). In a second part, we investigate the propagation of elastic waves in a system formed by a set of aluminum rods glued to a thin plate of the same material. These rods form a set of quasi-punctual resonators in the propagation plane of waves. It is possible to arrange them periodically or randomly on a subwavelength scale. The metamaterial thus formed shows a complex wave field within it, including the presence of wide prohibited frequency ranges (bandgaps). The experimental and numerical approaches described in this manuscript show the existence of both flexural and compressional resonances in the resonators. Added to the presence of a conversion of a portion of the energy from the $A0$ Lamb mode to the $S0$ one in the plate, such a complexity makes this type of metamaterials, quite unusual objects at the mesoscopic scale

Les deux grands défis actuels pour l'optoélectronique térahertz (THz) sont d'une part, le besoin de miniaturiser les sources de rayonnement térahertz, et d'autre part, la nécessité d'améliorer leurs performances actuelles. Parmi les sources de rayonnement térahertz existantes, le laser à cascade quantique (QCL) est à ce jour le meilleur candidat pour remplir ces critères. Afin d'y parvenir, il faut cependant apporter des solutions aux verrous qui limitent la miniaturisation des QCLs THz. Le premier est d'ordre fondamental, et tient au fait que les dimensions des cavités photoniques usuelles sont soumises à la limite de diffraction. Le second verrou provient du fait que la recherche de compacité des sources se traduit généralement par la détérioration de leur puissance optique de sortie et de la directionnalité du faisceau laser. Une nouvelle famille de résonateurs THz métal - semiconducteur - métal (M-SC-M) est présentée de façon théorique et expérimentale. Ces dispositifs, inspirés des oscillateurs électroniques LC, ont permis d'atteindre un volume effectif record Veff=LxLyLz/λeff=5.10−6, où Lx,y,z sont les dimensions de la cavité et λeff est la longueur d'onde de résonance dans le cœur du résonateur (GaAs). Ces résonateurs hybrides photoniques-électroniques ont la particularité d'être libérés de la limite de diffraction dans les trois dimensions spatiales, et bénéficient pour la première fois de toutes les fonctionnalités habituellement réservées aux dispositifs électroniques. Une application aux polaritons inter-sousbandes THz a permis d'obtenir des résultats à l'état de l'art, démontrant d'une part que ces résonateurs hybrides conservent leurs propriétés photoniques, et d'autre part qu'ils permettent un couplage lumière-matière fort. En parallèle de ce travail, la faisabilité d'un QCL THz avec une région active extrêmement fine est démontrée expérimentalement. Une étude systématique des caractéristiques du laser en fonction de l'épaisseur de la région active (Lz) a permis la réduction de Lz=10 μm (≈λeff/2,7) jusqu'à la valeur record de Lz=1,75 μm (≈ λeff/13) dans une cavité Fabry-Pérot M-SC-M. Malgré l'augmentation des pertes optiques, l'effet laser est obtenu au-dessus de la température de l'azote liquide (78 K) pour la région active la plus fine. Ces résultats sont très encourageants pour le développement de régions actives plus performantes, et permettent d'envisager le développement de micro-cavités lasers avec des volumes effectifs extrêmement sub-longueur d'onde. Les perspectives de ce travail de thèse s'étendent de l'électrodynamique quantique en cavité au nanolaser. Les applications potentielles varient énormément en fonction de la configuration des résonateurs hybrides. Ils peuvent être utilisés comme des éléments passifs pour la détection, ou encore comme des éléments actifs tels que des antennes. Enfin, l'utilisation d'une région active fine en combinaison avec un résonateur hybride devrait permettre d'obtenir un QCL THz ultra-compact libéré de la limite de diffraction, tout en introduisant pour la première fois la possibilité d'accorder la fréquence du laser en adaptant l'impédance complexe équivalente de la combinaison d'éléments LC.

Ce travail de thèse, essentiellement théorique et basé sur une approche modale, porte sur les propriétés optiques de surfaces métalliques comportant un certain nombre de gravures de profil rectangulaire dont les dimensions sont inférieures à la longueur d'onde de la lumière incidente. Ces surfaces présentent des anomalies de réflexion liées à des exaltations locales du champ électromagnétique, dues notamment à des résonances de type Fabry-Pérot à l'intérieur des sillons. L'analyse du problème d'un couple de cavités sub-longueur d'onde, couplées en champ proche, montre comment on peut générer des "points chauds" et contrôler la localisation de la lumière à l'échelle sub-longueur d'onde. Les applications sont de première importance: commutation optique, adressage quantitatif de la lumière, diffusion Raman exaltée en surface (SERS). . . On s'intéresse également aux effets de localisations liés au désordre structurel: la rupture de symétrie d'un arrangement périodique génère différents jeux d'allumage des cavités, très sensibles à la fréquence d'excitation. Certaines prédictions théoriques sont étayées expérimentalement. Enfin, le cas des réseaux lamellaires très fortement sub-longueur d'onde est examiné, en lien avec l'Absorption Optique Anormale et l'effet SERS observés sur certains films métalliques rugueux. Les exaltations géantes du champ électrique, calculées dans les nano-cavités par la méthode modale exacte, dans le domaine visible, s'expliquent par l'excitation de plasmons-polaritons de surface dont les vecteurs d'onde sont très supérieurs à ceux de la lumière
This thesis presents theoretical works based on a modal approach, about the optical properties of metallic surfaces with rectangular grooves whose dimensions are smaller than the wavelength of the incident light. These surfaces show reflection anomalies related to local enhancements of the electromagnetic field, due to, in particular, Fabry-Pérot like resonances inside the grooves. The problem of two near-field coupled sub-wavelength cavities is analysed. Hot spot phenomena occur, and we show how to control the localization of light at sub-wavelength scales. The results could find important applications: optical switching, quantitative light addressing, surface enhanced Raman scattering (SERS). . . We also study the localization effects due to structural disorder: breaking the symmetry of periodic arrangements, different lighting configurations may appear, very sensitive to the excitation frequency. Some theoretical predictions are evidenced experimentally. Finally, we deal with the case of very sub-wavelength lamellar gratings, in connection with the Abnormal Optical Absorption and the SERS effect observed for some rough metallic films. Giant enhancements of the electric field, calculated inside nano-cavities with the exact modal method, in the visible region, are explained by the excitation of surface plasmons-polaritons whose wave vectors are much larger than those of light