Génération non-linéaire de vortex optiques à l’aide de metasurfaces et couches minces diélectriques

Nonlinear generation of optical vortices with dielectric metasurfaces and thin films

• Auteur / Autrice : Laure Coudrat
• Direction : Giuseppe Leo, Aloyse Degiron
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 16/01/2025
• Etablissement(s) : Université Paris Cité
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique en Île-de-France (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Matériaux et phénomènes quantiques (Paris ; 2005-....)
• Jury : Président / Présidente : Alfredo de Rossi
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Elena Mikheeva
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Antonio Ambrosio, Delphine Marris-Morini

Mots clés

Mots clés contrôlés

Optique non linéaire

Métasurfaces

Vortex optiques

Nanophotonique

Lithographie par faisceau d'électrons

Couches diélectriques

Génération de second harmonique

Mots clés libres

Optique non linéaire

Nanophotonique

Métasurfaces

Vortex optiques

Génération de seconde harmonique

Manipulation de front d'onde

Lumière structurée

Holographie

Moment angulaire orbital

Nonlinear optics

Nanophotonics

Metasurfaces

Optical vortices

Second harmonic generation

Wavefront shaping

Structured light

Holography

Orbital angular momentum

Résumé

Dans ce travail de doctorat, nous étudions la génération de second harmonique avec fronts d'onde sur mesure dans des films diélectriques d'AlGaAs structurés à l'échelle nanométrique. Ce semi-conducteur III-V doté d'une forte susceptibilité quadratique suscite un fort engouement dans le domaine de l'optique non-linéaire compacte. En particulier, cette thèse aborde le potentiel de cette plateforme pour la génération non-linéaire de formes de lumière structurées à la demande, en s'intéressant plus spécifiquement aux vortex optiques. Les faisceaux de vortex sont caractérisés par des fronts d'ondes hélicoïdaux et dotés d'un moment angulaire orbital, un degré de liberté de la lumière qui a fait l'objet d'une attention croissante au cours des trois dernières décennies en raison de son potentiel dans les domaines de la détection, de la microscopie et des communications. Nous nous concentrons tout d'abord sur la conception de métasurfaces non-linéaires qui sont des composants optiques planaires permettant un contrôle sub-longueur d'onde des fronts d'onde générés au second harmonique. A l'aide de simulations numériques, nous nous appuyons sur la méthode de la table de correspondance, qui associe de manière univoque les paramètres géométriques des nanostructures qui composent la métasurface et la phase locale qui contribue à la synthèse des faisceaux émis au second harmonique. Grâce à cette approche, des composants non-linéaires tels que des méta-déflecteurs et de méta-lentilles ont déjà été démontrés dans notre groupe. Cependant, le contrôle précis et local de la phase reste un défi en raison de la complexité des géométries impliquées et de la difficulté de fabrication associée. Nous relevons ce défi en améliorant le protocole de fabrication et nous démontrons la première génération de vortex optiques de second harmonique dans des métasurfaces en AlGaAs. Nous développons dans un second temps une nouvelle génération de métasurfaces non-linéaires dans lesquelles la géométrie de base est radicalement simplifiée pour augmenter la robustesse et la reproductibilité des structures. Nous démontrons expérimentalement le potentiel de cette plateforme en générant une large gamme de faisceaux vortex au second harmonique associés à différentes valeurs de moment angulaire orbital avec un excellent accord avec la théorie et les simulations. L'une des caractéristiques de telles métasurfaces diélectriques est qu'elles sont sujettes à la génération simultanée d'un faisceau de vortex de charge opposée à celle du faisceau principal. Nous élucidons la présence de ce vortex fantôme par une analyse expérimentale approfondie des faisceaux de second harmonique générés et montrons que, bien qu'il s'agisse d'un effet visuel important, sa contribution à la dégradation de la pureté du vortex prévu est mineure. Enfin, nous étudions le couplage entre le moment angulaire de spin et le moment angulaire orbital de la lumière dans le processus de génération de second harmonique dans une couche mince uniforme d'AlGaAs. Nous démontrons la génération de vortex vectoriels sur le champ harmonique en pompant la membrane avec un faisceau gaussien de polarisation circulaire. Les propriétés uniques de l'AlGaAs et la polyvalence des métasurfaces non-linéaires font de cette plateforme un outil puissant pour le contrôle de multiples degrés de liberté de la lumière, avec des possibilités prometteuses pour la génération non-linéaire de faisceaux lumineux structurés complexes.

In this PhD work, we study the generation of tailored second harmonic wavefronts in nanoscale-engineered dielectric films of AlGaAs, a III-V semiconductor with a strong quadratic susceptibility that has become very popular in flat nonlinear optics. In particular, this thesis addresses the potential of this platform for the nonlinear generation of on-demand structured forms of light, with a focus on optical vortices. Vortex beams are characterized by helical wavefronts and endowed with orbital angular momentum, a degree of freedom of light that has received growing attention over the three last decades owing to its potential in sensing, microscopy and communications. We first focus on the design of nonlinear metasurfaces which are flat optical components that enable sub-wavelength control of the generated harmonic wavefronts. By employing full-wave numerical simulations, we leverage on the look-up table approach, which provides a one-to-one correspondence between the geometrical parameters of the nanostructures that compose the metasurface and the phase they locally impart on the generated wavefronts. Via this approach, nonlinear beam-deflectors and lenses components were already demonstrated in our group. However, the precise and local control over the phase remained challenging due to the complexity of the geometries involved and the related fabrication difficulty. We address this challenge by improving the fabrication protocol and demonstrate the first generation of second harmonic optical vortices in AlGaAs metasurfaces. However, we find that the complex geometry employed is not reproducible and robust enough to envisage larger scale applications. We therefore develop a new generation of nonlinear metasurfaces in which the building block geometry is drastically simplified. We demonstrate that this new design enables the straightforward fabrication of a variety of nonlinear metasurface and experimentally evidence the potential of this platform by generating a second harmonic vortex beams associated with different orbital angular momentum values. Acknowledging that dielectric metasurfaces are subject to the simultaneous generation of a vortex beam with opposite charge to the main one, we study this effect in the nonlinear regime. We unravel the presence of this ghost vortex by resorting to thorough experimental analysis of the generated second harmonic beams and report that despite being a strong visual effect, this constitutes a contribution of the order of only a few percent to the degradation of the purity of the intended vortex. Finally, we investigate the coupling between the spin and angular momentum of light in the process of second harmonic generation in a uniform AlGaAs thin film, demonstrating the generation of vector vortices on the harmonic field by pumping the membrane with a circularly polarized gaussian beam. The unique properties of AlGaAs and the versatility of nonlinear metasurfaces make this platform a powerful tool for the control of multiple degrees of freedom of light, with promising possibilities for the nonlinear generation of more complex structured light beams.