Nanostructures pour l'exaltation d'effets non linéaires

Nanostructures for nonlinear effects enhancement

• Auteur / Autrice : Sébastien Héron
• Direction : Riad Haïdar
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Optique et photonique
• Date : Soutenance le 18/11/2016
• Etablissement(s) : Université Paris-Saclay (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ondes et matière (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Office national d'études et de recherches aérospatiales (France). Département Optique Théorique et Appliquée - ONERA - The French Aerospace Lab
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : École polytechnique (Palaiseau, Essonne ; 1795-....)
• Jury : Président / Présidente : Jean-François Roch
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Riad Haïdar, Patrice Genevet, Patrick Bouchon, Fabrice Pardo
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Sara Ducci, Nicolas Bonod

Mots clés

Mots clés contrôlés

Plasmons

Nanostructures

Optique non linéaire

Mots clés libres

Optique non linéaire

Nanostructures

Plasmonique

Nonlinear optics

Nanostructures

Plasmonics

Résumé

Les sources infrarouges basées sur des effets d'optique du second ordre constituent de très bons outils de spectrométrie des polluants présents dans l'atmosphère, grâce notamment à leur grande accordabilité spectrale. Ils demandent toutefois une forte puissance lumineuse incidente et une grande quantité de matériau non linéaire pour être efficaces. On peut les rendre très compactes en réalisant la conversion de fréquence à l'aide de nanostructures plasmoniques contenant des inclusions diélectriques présentant une susceptibilité du deuxième ordre non nulle. La lumière y est très fortement concentrée à la résonance augmentant fortement la quantité de polarisation non linéaire produite, afin d'y exalter les effets d'optique non linéaire.Ce travail s'attaque d'abord à la conception de nano-résonateurs grâce au développement d'un outil de simulation d’empilements nanostructurés selon une dimension. Trois architectures sont étudiées : les nanorésonateurs de type sillon, les nanorésonateurs de Helmholtz et les guides d'ondes à résonances de modes guidés. Dans chaque cas, le dimensionnement passe par la détermination de géométries bi- voire tri-résonantes pour la réalisation d'accord de modes en génération de second harmonique ou de différence de fréquences.La fabrication en salle blanche des résonateurs sillons et guides d'ondes est ensuite exposée, suite à un important travail de développement technologique, qui a permis l’obtention d’échantillons de très bonne qualité.

Infrared sources based on second order effects are interesting tools for atmospheric pollutants spectrometry thanks to their wide tunability. Such effects nevertheless demand strong incident powers or massive non linear crystals to be efficient. A new way to reduce their size consists in realizing frequency conversion with the help of plasmonic nanostructures containing dielectric inclusions showing a non zero second order susceptibility. Light is greatly harvested and concentrated at resonance leading to the creation of a great quantity of non linear polarization, so as to further enhance non linear optics effects.This work begins with a study of nanoresonators through developing a simulation tool for one dimensional nanostructured multilayered structures. Three architectures are retained : slit nanoresonators, optical Helmholtz nanoresonators and waveguides based on guided mode resonances. In every case, the conception focuses on the finding of bi- and even of tri-resonant geometries to achieve mode matching for second harmonic of difference frequency generation.Clean room fabrication is then detailed step by step following the important works that have permitted the fabrication of samples showing a very good quality.