Étude de structures sublongueur d’onde filtrantes, application à la spectroscopie d’absorption infrarouge

par Clément Tardieu

Thèse de doctorat en Optique et photonique

Sous la direction de Riad Haïdar.

Soutenue le 04-11-2016

à Paris Saclay , dans le cadre de École doctorale Ondes et Matière (2015-.... ; Orsay, Essonne) , en partenariat avec Office national d'études et de recherches aérospatiales (France). Département Optique Théorique et Appliquée (laboratoire) , École polytechnique (Palaiseau, Essonne) (établissement opérateur d'inscription) et de ONERA - The French Aerospace Lab / Palaiseau (laboratoire) .

Le président du jury était Agnès Maître.

Le jury était composé de Riad Haïdar, Christophe Sauvan, Grégory Vincent, Stéphane Collin.

Les rapporteurs étaient Thierry Taliercio, Alexandre Bouhelier.


  • Résumé

    Les nanostructures ont montré leur utilité dans diverses applications optiques. Notre intérêt s'est porté sur deux d'entre elles : le filtrage spectral et la spectroscopie d'absorption. Dans le premier cas, l'application est notamment limitée par la réjection hors de la bande passante des nanostructures filtrantes.Dans cette thèse, j'ai étudié et développé une structure membranaire composée de deux réseaux métalliques sublongueur d'onde encapsulés dans un diélectrique. Cette structure présente une extinction aux hautes longueurs d'onde qui permet d'améliorer la réjection du filtre. Un procédé de fabrication a été développé, et les caractérisations optiques ont permis de mettre en évidence expérimentalement la présence de l'extinction de la transmission.Dans le second cas, les nanoantennes classiquement utilisées nécessitent une optimisation de la structure pour chaque liaison observée et limitent le type de molécules détectables. J'ai proposé une nouvelle méthode de spectroscopie d'absorption de molécules basée sur des nanogrilles. Ces structures composées d'un réseau de barreaux diélectriques suspendus présentent une réflexion parfaite perturbée par la présence de molécules autour de ces barreaux. J'ai montré théoriquement le potentiel de cette méthode basée sur le balayage spectral de la réflexion résonante grâce à l'angle d'incidence et je l'ai comparée aux nanoantennes métalliques décrites dans la littérature.J'ai ensuite fabriqué et caractérisé des nanogrilles de deux sections différentes et montré l'impact de paramètres expérimentaux sur notre méthode de détection.

  • Titre traduit

    Subwavelength gratings for infrared spectral filtering, applied to absorption spectroscpy


  • Résumé

    Nanostructures have demonstrated their utility in different optical applications. Our interest has focused on two of them: the spectral filtering and absorption spectroscopy. In the first case, the application is limited in particular by the rejection outside the passband of the filter nanostructures.In this thesis, I studied and developed a free-standing structure composed of two metalic subwavelength gratings encapsulated in a dielectric. This structure has an extinction at high wavelengths which improves the filter rejection. A fabricating process has been developed, and optical characterizations demonstrate experimentally the presence of the extinction of the transmission.In the second case, the nanoantennas conventionally used require optimization of the structure for each observed bond and limit the type of detectable molecules. I have proposed a new method of absorption spectroscopy of molecules based on nanorods. These structures composed of a free-standing dielectric rods array exhibit a perfect reflection disturbed by the presence of molecules around these rods. I have theoretically shown the potential of this method based on the spectral scanning reflection resonant with the incident angle and I compared to metalic nanoantennas described in the literature.Then, I fabricated and characterized nanogrilles of two different sections and showed the impact of experimental parameters on our detection method.


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