Contrôle avancé de faisceaux lumineux à l'aide de nanoantennes et de métasurfaces

par Anton Ovcharenko

Projet de thèse en Optique et photonique

Sous la direction de François Marquier et de Christophe Sauvan.

Thèses en préparation à Paris Saclay , dans le cadre de Ondes et Matière , en partenariat avec Laboratoire Charles Fabry (Palaiseau, Essonne) (laboratoire) , Nanophotonique et électromagnétisme (equipe de recherche) et de Institut d'optique théorique et appliquée (établissement de préparation de la thèse) depuis le 01-10-2016 .


  • Résumé

    Le développement des micro et nanotechnologies a récemment ouvert un large éventail de possibilités pour contrôler la lumière à des échelles plus petites que la longueur d'onde. Parmi les différents champs de recherche en nanophotonique, de nombreux efforts se concentrent sur la réalisation de matériaux artificiels (les métamatériaux) qui sont composés d'inclusions microscopiques (plus petites que la longueur d'onde) et qui possèdent des propriétés macroscopiques qui n'existent pas dans la nature. Comme il est très difficile de fabriquer des morceaux de métamatériaux tri-dimensionnels, de nombreux travaux se sont orientés vers le contrôle de la lumière avec des métamatériaux bi-dimensionnels, aussi appelés métasurfaces. Le terme « métasurface » désigne une surface qui a été fonctionnalisée par l'ajout d'un ensemble de nanostructures qui agissent comme des nanoantennes optiques. Une telle fonctionnalisation permet d'obtenir des propriétés optiques qui vont bien au-delà des propriétés habituelles d'une surface plane standard. Ainsi, les métasurfaces peuvent en principe être utilisées pour contrôler des faisceaux optiques à volonté. Jusqu'à présent, les métasurfaces n'ont pas encore été utilisées pour démontrer de nouvelles fonctionnalités optiques qui ne pourraient pas être implémentées avec d'autres technologies connues. Les objectifs de la thèse sont doubles. Le doctorant explorera tout d'abord les mécanismes physiques qui gouvernent les propriétés optiques des métasurfaces pour évaluer leur potentiel ultime. Guidé par cette compréhension, le doctorant concevra et caractérisera des composants optiques originaux basés sur l'utilisation de métasurfaces. En particulier, il explorera la possibilité de réaliser des lentilles plates avec des aberrations chromatiques et géométriques réduites. La thèse comporte à la fois un travail théorique et un travail expérimental.

  • Titre traduit

    Metasurfaces and nanoantennas for a smart control of light beams


  • Résumé

    This PhD proposal falls within the research field of Nanophotonics. Our group (Nanophotonics and Electromagnetism) carries out fundamental and applied research in the field. The development of nanotechnologies has recently opened a wide range of possibilities for controlling light at the wavelength scale or below. Among the different research fields in nanophotonics, much effort is devoted to the realization of artificial materials (so called metamaterials) that are composed of microscopic (subwavelength) inclusions and that exhibit macroscopic optical properties that do not exist in nature. Because of the technological difficulty to fabricate real bulk metamaterials in 3D, many works are devoted to the control of light with 2D metamaterials, often called metasurfaces [1]. The term Metasurface refers to surfaces that are functionalized by arrays of nanostructures, the so-called optical nanoantennas. Such a functionalization provides optical properties that go far beyond those of standard flat surfaces and metasurfaces can in principle be used to control at will optical beams. Because they rely on resonant scattering by nanostructures instead of phase-accumulation through propagation, metasurfaces offer new abilities to control optical beams. However, until now, metasurfaces have not yet been used to demonstrate new optical functionalities that cannot be implemented with other known technology. In addition, as most optical components, their optical properties are fixed by the geometry and cannot be tuned. The objectives of the PhD will be twofold. We plan to explore the physics of metasurfaces for understanding their ultimate potential. We also propose to develop original optical devices with completely new properties. In particular, we will develop active metasurfaces, whose optical properties can be controlled electrically through a bias voltage. For that purpose, we could take advantage of the so-called “epsilon-near-zero” (ENZ) mode. It is a confined optical mode that can be supported by extremely thin semiconductor films. The work will involve theory/numerical calculations and experimental characterizations.