Concepts avancés de métamatériaux pour l'électromagnétisme et la photonique

Advanced Concepts of Metamaterials for Electromagnetism and Photonics

• Auteur / Autrice : Elena Bochkova
• Direction : Shah Nawaz Burokur, Anatole Lupu
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique et optoélectronique, nano- et microtechnologies
• Date : Soutenance le 15/12/2017
• Etablissement(s) : Université Paris-Saclay (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Electrical, optical, bio : physics and engineering (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Université Paris-Sud (1970-2019)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de nanosciences et de nanotechnologies (Palaiseau, Essonne ; 2016-....)
• Jury : Président / Présidente : Alexandre Bouhelier
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Shah Nawaz Burokur, Anatole Lupu, Alexandre Bouhelier, Nicolas Bonod, Éric Lheurette, Julien Moreau
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Nicolas Bonod, Éric Lheurette

Mots clés

Mots clés contrôlés

Optique

Matériaux -- Propriétés électromagnétiques

Métamatériaux

Mots clés libres

Métamatériaux

Mode sombre

Résonance de Fano

Facteur de qualité

Metamaterials

Dark mode

Fano resonance

Quality factor

Résumé

Les méta-surfaces permettent de contrôler efficacement es rayonnements électromagnétiques en manipulant la phase, l'amplitude et la polarisation des ondes. Pour de nombreuses applications, telles que des fonctions d’agilité, de commutations et de détection, des surfaces de haute performance sont nécessaires. L’objectif de cette thèse est d'explorer des méthodes innovantes permettant d'améliorer les facteurs de qualité des méta-surfaces dans les domaines micro-ondes et optique. La limitation des méta-surfaces est généralement liée aux pertes par rayonnement et à l'absorption non radiative. L'étude se concentre sur des solutions permettant la suppression des pertes de rayonnement en utilisant des concepts de mode sombre et de résonance de Fano. Un mécanisme d'excitation direct de mode sombre dans un résonateur individuel basé sur l’adaptation de symétrie est proposé. La possibilité d'améliorer l'efficacité de la réponse magnétique en optique est présentée. L'analyse de l'excitation par résonance de Fano dans un système de résonateurs couplés identiques est également réalisée sur la base du formalisme de la théorie des modes couplés. Deux configurations générales correspondant à l'arrangement spatial symétrique et énantiomères des résonateurs sont considérées. Dans le premier cas, le système de cavité formé par les méta-surfaces très proches fournit des caractéristiques spectrales très étroites et une sensibilité efficace élevée par rapport aux cavités Fabry-Perot conventionnelles. Dans le second cas, les caractéristiques de conception permettent de contrôler la suppression des pertes de rayonnement, permettant d'augmenter considérablement le facteur de qualité de la résonance de Fano.

Metasurfaces allows an effective control of electromagnetic radiation by manipulating phase, amplitude and polarization of electromagnetic waves. For numerous applications including tunable, switchable and sensing functionalities, high performance metasurfaces are required. The goal of this thesis is to explore innovative methods enabling to improve the quality factors of metasurfaces in microwave and optical domains. The limitation of metasurfaces is generally related to radiation losses and non-radiative absorption. The study is focused on solutions allowing the suppression of radiative losses by using concepts of dark mode and Fano resonance. A direct dark mode excitation mechanism in individual resonator based on symmetry matching is proposed. The possibility to enhance magnetic response efficiency in optical frequency range is presented. Analysis of Fano resonance excitation in a system of identical coupled resonators is also performed on the basis of coupled mode theory formalism. Two general configurations are considered corresponding to symmetric and enantiomeric space arrangement of resonators. In the first case, cavity system formed by near-field coupled metasurfaces provides sharp spectral characteristics and high efficient sensitivity compared to conventional Fabry-Perot cavities. In the second case the design features enables to control suppression of radiation losses, allowing to considerably increase Fano resonance quality factor.