Propriétés optiques de matériaux diélectriques nanostructurés : des cristaux photoniques aux métamatériaux

par Kevin Vynck

Thèse de doctorat en Physique de la matière condensée

Sous la direction de David Cassagne et de Emmanuel Centeno.

Soutenue en 2008

à Montpellier 2 .

mots clés

• Cristal photonique
• Métamatériau
• Opale
• Cavité
• Guide d'onde
• Dispersion spatiale
• Cristal photonique à gradient
• Supercollimation
• Couplage
• Tige diélectrique
• Réfraction négative
• Etat collier
• Cristaux photoniques
• Diélectriques

Résumé

L'étude des propriétés optiques des matériaux nanostructurés a récemment connu un engouement croissant dû à leur capacité à manipuler la lumière. Les cristaux photoniques sont des matériaux dont l'indice de réfraction est modulé périodiquement à l'échelle de la longueur d'onde. Ils peuvent interdire la propagation de la lumière dans certaines gammes de fréquences et présenter de fortes dispersions spatiales qui conduisent à des phénomènes de réfraction anormaux. Les métamatériaux quant à eux sont des assemblages d'éléments microscopiques, métalliques ou diélectriques, qui se comportent à l'échelle macroscopique tels des milieux homogènes aux propriétés optiques hors du commun. Cette thèse est consacrée à l'étude théorique et numérique de ces structures, avec pour objectif d'apporter de nouvelles solutions pour un contrôle accru de la lumière. Nous commençons par étudier le confinement de la lumière par des défauts structurels dans des cristaux photoniques à base d'opales, qui sont des empilements de sphères diélectriques, et proposons divers motifs de cavités résonantes et de guides d'ondes monomodes. Dans un second temps, nous considérons la propagation de faisceaux dans des cristaux photoniques planaires sans défaut. Nous démontrons la grande flexibilité offerte par les cristaux photoniques à gradient pour courber la trajectoire de la lumière et proposons une approche pratique pour la coupler efficacement à des guides d'ondes externes. Finalement, nous étudions les propriétés optiques des métamatériaux à base de tiges diélectriques et montrons rigoureusement que leurs résonances microscopiques induisent une permittivité et perméabilité toutes deux dispersives en fréquence qui peuvent être placées dans le domaine optique. Ces travaux ouvrent de nombreuses opportunités pour le contrôle de l'émission et de la propagation de la lumière et peuvent être exploités dans de nombreux domaines tels que les télécommunications, les Sciences de la Vie et l'énergie solaire

Titre traduit

Optical properties of nanostructured dielectric materials : from photonic crystals to metamaterials

Résumé

In recent years, the photonics community has shown a keen interest in the optical properties of nanostructured materials, owing to their capability to manipulate light. Photonic crystals are materials with a periodic modulation of their refractive index on the wavelength scale. They can prohibit light propagation in certain frequency ranges and exhibit large spatial dispersions that yield anomalous refraction effects. Metamaterials, on the other hand, are assemblies of microscopic metallic or dielectric elements behaving on the macroscopic scale as a homogeneous medium with optical properties not found in nature. This thesis is concerned with a theoretical and computational study of these structures and intended to provide novel solutions for an advanced control over light. First, we focus on the confinement of light to structural defects in photonic crystals based on opals, which are stacks of dielectric spheres, and propose various designs of resonant cavities and single-mode waveguides. In a second part, we investigate the propagation of light beams in defectless planar photonic crystals. We demonstrate the ability of graded photonic crystals to curve the path of light and propose a practical way to couple light efficiently to external waveguides. Finally, we study the optical properties of all-dielectric rod-type metamaterials and show that their microscopic resonances induce a permittivity and permeability both dispersive in frequency and scalable to the optical frequencies. These works open many opportunities on the control of the emission and propagation of light and may find use in many areas such as telecommunications, Life Sciences and solar energy