Etude de la polarisation de la lumière à travers un empilement de métamatériaux métalliques

Study of polarization of light through a stack of metallic metamaterials

• Auteur / Autrice : Xavier Romain
• Direction : Fadi Issam Baida, Philippe Boyer
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Optique et photonique
• Date : Soutenance le 08/11/2018
• Etablissement(s) : Bourgogne Franche-Comté
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur et microtechniques (Besançon ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : FEMTO-ST : Franche-Comté Electronique Mécanique Thermique et Optique - Sciences et Technologies (Besançon) - Franche-Comté Électronique Mécanique- Thermique et Optique - Sciences et Technologies (UMR 6174) / FEMTO-ST
• Partenaire(s) de recherche : Etablissement de préparation : Université de Franche-Comté (1971-....)
• Jury : Président / Présidente : Maria-Pilar Bernal-Artajona
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Fadi Issam Baida, Philippe Boyer, Maria-Pilar Bernal-Artajona, Antoine Moreau, Xavier Letartre, Anne-Laure Fehrembach
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Antoine Moreau, Xavier Letartre

Mots clés

Mots clés contrôlés

Métamatériaux

Polarisation (lumière)

Nanophotonique

Mots clés libres

Nano-Optique

Métamatériaux

Polarisation

Résonances Fano

Résonances Fabry-Perot

Nano-Optics

Metamaterials

Polarization

Fano Resonances

Fabry-Perot Resonances

Résumé

Cette thèse a pour but l’étude théorique de métamatériaux métalliques empilés. Ces structures sont actuellement proposées pour améliorer et élargir les fonctionnalités des métamatériaux métalliques. Nous portons un intérêt particulier aux propriétés de polarisation de ces structures métalliques empilées.En premier lieu, nous précisons le type de métamatériaux que nous étudions et nous présentons la méthode modale qui nous permet de décrire les propriétés électromagnétiques de la structure. A l’aide d’un Formalisme de Jones Etendu (FJE), développé récemment dans notre équipe, nous faisons ressortir les principales propriétés de polarisation linéaire de ces métamatériaux métallique.En alliant le FJE à l’algorithme de propagation de la matrice S, nous étudions un empilement de deux métamatériaux vus comme un montage polariseur-analyseur. Nous établissons ensuite une expression de la transmission de la structure: la loi de Malus étendue. Cela nous permet notamment de démontrer les résonances de type Fabry-Perot qui ont lieu entre les métamatériaux.Pour des structures plus conséquentes, nous montrons qu’il est possible de réaliser une rotation de la polarisation, à très faible perte et spectralement agile, grâce aux résonances de type Fabry-Perot.Fondamentalement, nous révélons une nouvelle façon d’exciter des résonances Fano qui sont induites par les propriétés de polarisation des métamatériaux. Ces résonances peuvent être utilisées pour des applications de capteur ou de filtrage. De plus, ces résonances Fano induites par la polarisation ouvrent de nouvelles possibilités d’applications pour les empilement de métamatériaux métalliques.

This PhD thesis deals with the theoretical study of stacked metallic metamaterials. Such structures are currently investigated to extend the functionalities offered by single metallic metamaterials. We especially focus on the specific polarization properties of the stacked metallic metamaterials.We first present the type of metamaterial that we consider, and we describe the modal method that is used to model its electromagnetic properties. We outline the linear polarization properties characterizing the metamaterial thanks to an Extended Jones Formalism (EJF) recently developed by our team.In combination with the EJF, we apply the S-matrix algorithm to the study of a stack of two metallic metamaterials in a polarizer-analyzer configuration. We derive an analytical expression for the transmission response of the stacked structure: the Extended Malus Law. Mainly, it highlights the Fabry-Perot-like resonances located between the metamaterials.Using larger stacked structures, we demonstrate that spectrally tunable and low loss polarization rotation can be achieved owing to these Fabry-Perot-like resonances.In essence, we reveal a new way of realizing Fano resonances which are induced by the specific polarization properties of the metamaterials. We show that such resonances can be engineered for sensing or filtering applications. Moreover, the polarization-induced Fano resonances expand the possibilities of stacked metallic metamaterials.