Ingénierie de métasurfaces désordonnées pour le contrôle de propriétés optiques - ONERA - Office national d'études et de recherches aérospatiales Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2021

Disordered metasurface engineering for the control of optical properties

Ingénierie de métasurfaces désordonnées pour le contrôle de propriétés optiques

Résumé

Metasurfaces are artificial objects that offer control over optical properties in absorption, phase and polarization. They are usually designed from sub-wavelength antennas, repeated periodically to cover large areas. The periodicity simplifies the theoretical design and experimental analysis, but it introduces diffraction that can be detrimental to the applications, moreover it is not compatible with all fabrication techniques. The work of this thesis focused on the influence of disorder on the absorbing and radiative behavior of metasurfaces using plasmon gap resonators as building blocks.In the first part, the scattering caused by the introduction of disorder in a 1D ensemble of Metal-Insulator-Metal (MIM) nano-antennas has been studied using a modal method. Energy is redistributed from diffraction or absorption to diffuse reflection when positional disorder is introduced. This diffuse reflection has the particularity of being spectrally signed, and does not exist outside the resonance of the antenna. These theoretical predictions have been validated experimentally by exploiting the fact that the diffuse reflection is only in one plane for a one-dimensional array.In a second part, the results have been extended to another type of nano-antenna composed of metallic grooves. This configuration is described by a single mode model, making possible a quasi-analytical electromagnetic resolution, which is indeed faster than exact methods. More complex disordered pattern can be studied. Thus, combinations of resonators with distinct wavelengths can be assigned to various positional disorder. We have shown that the behavior of a disordered combination can be deduced from the individual behaviors, extending the results demonstrated on periodic combinations.
Les métasurfaces sont des objets artificiels qui offrent un contrôle sur les propriétés optiques en absorption, en phase et en polarisation. Elles sont généralement conçues à partir d’antennes de dimensions sub-longueur d'onde, répétées périodiquement pour couvrir de grandes surfaces. La périodicité simplifie la conception théorique et l’analyse expérimentale, mais elle introduit de la diffraction qui peut être néfaste aux applications, et par ailleurs elle n’est pas compatible avec toutes les techniques de fabrication. Les travaux de cette thèse se sont portés sur l’influence du désordre sur le comportement absorbant et radiatif de métasurfaces utilisant des résonateurs à gap plasmon comme brique de base.Dans une première partie, la diffusion causée par l’introduction de désordre dans un ensemble 1D de nano-antennes Métal-Isolant-Métal (MIM) a été étudiée à l’aide d’une méthode modale. L’énergie est redistribuée de la diffraction ou de l'absorption vers la diffusion lorsqu’on introduit un désordre de position. Cette diffusion a la particularité d'être signée spectralement, et n’existe pas en-dehors de la résonance de l’antenne. Ces prédictions théoriques ont été validées expérimentalement en exploitant le fait que la diffusion se fait uniquement dans un plan pour un réseau unidimensionnel.Dans une deuxième partie, les résultats ont été étendus à un autre type de nano-antenne composé de sillons métalliques. Cette configuration se décrit par un modèle monomode, rendant possible une résolution électromagnétique quasi-analytique, qui de fait est plus rapide que des méthodes exactes. Des configurations plus complexes de désordre de résonateurs ont pu être étudiées. Ainsi, des combinaisons de résonateurs ayant des longueurs d’onde différentes, peuvent se voir affecter des désordres de position différents. Nous avons montré que le comportement d’une combinaison désordonnée peut se déduire des comportements individuels, étendant des résultats démontrés sur les combinaisons périodiques.
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Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-03557078 , version 1 (04-02-2022)

Identifiants

  • HAL Id : tel-03557078 , version 1

Citer

Eslam El Shamy. Ingénierie de métasurfaces désordonnées pour le contrôle de propriétés optiques. Instrumentations et Détecteurs [physics.ins-det]. Institut Polytechnique de Paris, 2021. Français. ⟨NNT : 2021IPPAX068⟩. ⟨tel-03557078⟩
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