Meta-liquid-based metasurfaces and applications

par Qinghua Song

Thèse de doctorat en Electronique, Optronique et Systèmes

Sous la direction de Tarik Bourouina.

Soutenue le 02-06-2017

à Paris Est , dans le cadre de École doctorale Mathématiques, Sciences et Technologies de l'Information et de la Communication (Champs-sur-Marne, Seine-et-Marne ; 2015-....) , en partenariat avec Laboratoire électronique, systèmes de communication et microsystèmes (laboratoire) et de Electronique- Systèmes de communication et Microsystèmes / ESYCOM (laboratoire) .

Le président du jury était Élodie Richalot.

Le jury était composé de Tarik Bourouina, Yamin Leprince-Wang, Aiqun Liu.

Les rapporteurs étaient Habiba Ouslimani, Catherine Schwob.

  • Titre traduit

    Méta-surfaces à base de méta-liquide et applications


  • Résumé

    Des propriétés électromagnétiques nouvelles peuvent être réalisées à l'aide d'une méta-surface à travers des structures artificielles. La permittivité et la perméabilité effectives d'une méta-surface peuvent être conçues de façon flexible et même accordées de sorte à présenter des réponses électromagnétiques pouvant être très différentes de celles de leurs homologues naturels, ce qui conduit à des propriétés améliorées voire parfois à un comportement extraordinaire. Cette thèse porte sur la conception, la fabrication et l'expérimentation de méta-surfaces micro-fluidiques pour le contrôle de propriétés des ondes électromagnétiques. Leur réalisation est basée sur des technologies relevant de la photolithographie et de la micro-fluidique, mises en œuvre sur des substrats souples d'épaisseur sub-longueur d'onde. Plus spécifiquement, nous avons exploité l'incorporation de divers matériaux dans un réseau de canaux micro-fluidiques, y compris des diélectriques liquides, un métal liquide et un métal solide pour manipuler davantage les réponses électromagnétiques des méta-surfaces correspondantes, telles que l'absorption, la transmission et la chiralité. La première partie de la thèse présente une méta-surface très absorbante sur une ultra-large bande spectrale et. Elle est constituée d'un réseau de résonateurs formés de gouttelettes d'eau noyées dans le matériau diélectrique souple, le PDMS; l’absorption mesurée est presque parfaite sur les bandes Ku, K et Ka. La seconde partie de la thèse porte sur un absorbeur agile et indépendant de l'angle dans la gamme Térahertz ; il s’agit d’une méta-surface à base de métal liquide, où un réseau de puits métalliques liquides dont la hauteur est contrôlée de façon continue, ce qui brise la limitation d'accordabilité dans le plan 2D. La troisième partie de la thèse porte sur une méta-surface chirale active. La méta-surface peut être commutée de achiral à chiral en déformant la structure en spirale initialement plane vers une géométrie 3D. Cette fonctionnalité peut manipuler la transmission hyperfréquence de symétrique à asymétrique sous incidence avant et arrière. En conclusion, l'optimisation de l'absorption, de la transmission et de la chiralité d’ondes électromagnétiques a été réalisée grâce à des méta-surfaces micro-fluidiques, qui semblent ainsi présenter un important potentiel applicatif dans divers domaines tels que la technologie furtive, l'imagerie et la communication optique


  • Résumé

    Novel and tailored electromagnetic properties can be realized using a metasurface through artificially designed structures. The effective permittivity and permeability of a metasurface can be flexibly designed and even tuned so as to exhibit electromagnetic responses that can be very different from those of their natural counterparts, leading to enhanced properties and sometimes to extra-ordinary behaviour. This thesis focuses on the design, fabrication and experimentation of meta-liquid-based metasurfaces for electromagnetic wave control and modulation. These metasurfaces are based on the use of both photolithography-based microfabrication and microfluidic technologies implemented onto thin and flexible substrates of sub-wavelength thickness. More specifically, the incorporation within a microfluidic channel network of various materials, including liquid dielectric material, liquid metal and solid metal have been exploited to further manipulate the electromagnetic responses of the related metasurfaces, such as the absorption, transmission and chirality. The first part of the thesis reports an ultra-broadband and wide-angle absorbing material by water-resonator-based metasurface. It consists of an array of water droplets embedded in the soft dielectric material, PDMS; it exhibited an almost perfect absorptivity over the Ku, K and Ka bands. The second part of the thesis focuses on a frequency-agile and wide-angle absorber in terahertz by liquid-metal-based metasurface, where a liquid-metal-pillar array can be continuously controlled in the vertical direction hence breaking the tuning limitation in the 2D plane. The third part of the thesis focuses on an active chiral metasurface. The metasurface can be switched from achiral to chiral by changing the spiral structure from planar pattern to 3D pattern. This functionality can manipulate the microwave transmission from symmetric to asymmetric under forward and backward incidence. In conclusion, tunability on the absorption, transmission and chirality have been realized through microfluidic metasurfaces, which appear having high potential applications in various areas such as stealth technology, imaging system, and optical communication, to name a few


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