Contribution à l'étude des propriétés optiques des métamatériaux hyperboliques

par Jessica Benedicto

Thèse de doctorat en Physique des Matériaux

Sous la direction de Emmanuel Centeno.

Le président du jury était Pierre Disseix.

Le jury était composé de Emmanuel Centeno, Antoine Moreau, Christophe Sauvan.

Les rapporteurs étaient Nicolas Bonod, Olivier Vanbésien.


  • Résumé

    A la fin des années 80, ont été introduits les cristaux photoniques et les métamatériaux, permettant de concevoir des dispositifs avec des propriétés optiques très intéressantes. La découverte de ces propriétés artificielles est considérée comme l’une des avancées les plus spectaculaires de la photonique moderne, avec des applications importantes telles que la création de matériaux à réfraction négative, ou la conception de lentilles plates parfaites. Ces structures présentent néanmoins des pertes optiques dues aux métaux qui rendent plus difficile l’obtention de lentilles super-résolues. Une nouvelle approche, basée sur l’anisotropie du métamatériau, a alors été proposée comme une alternative très intéressante pour la conception de lentilles plates à super-résolution. Parallèlement les limites du modèle de Drude pour la description de la réponse optique des métaux ont été mises en évidence expérimentalement. Ce manuscrit de thèse présente une étude théorique et numérique d’empilements de couches minces métallo-diélectriques se comportant dans certains domaines de fonctionnement comme des milieux hyperboliques. Après avoir étudié le lien existant entre la réfraction négative et les décalages géants, le manuscrit se concentre sur la conception de lentilles plates permettant d’obtenir de la super-résolution : des images offrant une meilleure résolution que celle permise par les lois de la diffraction classique. Pour répondre à ces objectifs, nous avons développé une théorie basée sur l’approximation du milieu hyperbolique (obtenue avec un empilement métallo-diélectrique) par un milieu isotrope effectif à l’aide d’un développement parabolique du vecteur d’onde de Bloch. Les outils nécessaires pour toute étude de l’influence de la non-localité intrinsèque des métaux sur les propriétés optiques des structures sont ensuite développés et appliqués aux métallo-diélectriques.

  • Titre traduit

    Contribution to the study of the optical properties of hyperbolic metamaterials


  • Résumé

    In the early 80’s, planar or periodic photonics crystals have been introduced in order to control light and to obtain entirely new optical properties. The unrivalled properties of these metamaterials are of tremendous interest for advanced photonic systems, with some important applications such as materials with negative refraction or flat lenses. However, these structures present optical losses induced by metals defects and experimental fabrication at nanometric scales that prevent them to reach the expected performances. A new approach based on describing metallo-dielectric as anisotropic materials has then been proposed as an alternative description. In parallel, the limits of the Drude model have been experimentally highligthed. In this context this manuscript presents a theoretical and numerical study of metallo-dielectric multilayers that can be considered as homogeneous media with a hyperbolic dispersion relation. We first present the link between negative refraction and large negative lateral shifts, and then focus on the design of flat lenses with subwavelength resolution : structures allowing a better resolution than the classical diffraction limit. We thus developed a theory based on the approximation of the hyperbolic medium, by a homogeneous and isotropic medium with a parabolic development of the vector of wave of Bloch. Finally, the tools required to study the influence of the intrinsic nonlocality of metals on the optical properties of multilayers are developped and the formalism is applied to metallo-dielectric lenses.

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