Matériaux main gauche et cristaux photoniques pour l'optique : approche diélectrique

Left-handed materials and dielectric photonic crystals at optical wavelengths

• Auteur / Autrice : Nathalie Fabre
• Direction : Olivier Vanbésien
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Microondes et microtechnologies
• Date : Soutenance le 04/12/2008
• Etablissement(s) : Lille 1
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur (Lille)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Diélectriques

Ondes évanescentes

Lithographie par faisceau d'électrons

Gravure par plasma

Microscopie en champ proche

Réfraction

Propriétés optiques

Cristaux photoniques

Mots clés libres

Réfraction négative

Métamatériaux

Résumé

Dans ce travail, une approche diélectrique de la réfraction négative dans les cristaux photoniques et métarnatériaux est étudiée pour une application à la focalisation de la lumière par une lentille plane aux longueurs d'ondes optiques. Ces travaux englobent les phases de conception et de fabrication, ainsi que la caractérisation en champ proche optique de différents prototypes. Dans ce cadre, il a été mis en évidence expérimentalement une focalisation sous-longueur d'onde par une lentille plate d'indice de réfraction égale à -1 à base de cristaux photoniques à la longueur d'onde de 1.5 µm. D'abord, les concepts relatifs à l'obtention d'un indice de réfraction négatif dans les matériaux artificiels périodiques sont rappelés, et ce tout particulièrement dans les cristaux photoniques bidimensionnels. C'est par l'ingénierie de structure de bandes que les conditions nécessaires à l'obtention d'un indice de réfraction négatif sont précisées. Nous mettons en place une méthode d'optimisation de la transmission et de l'indice d'un cristal de dimension finie reposant sur l'ingénierie de modes résonnants de type Fabry-Pérot de la cavité pour des incidences variées. Ensuite, le dispositif de lentille plate à base de cristaux photoniques ainsi optimisé, est fabriqué en ayant recours aux techniques de nano-lithographie électronique avec l'utilisation d'une résine négative oxydable - HSQ - et de gravure profonde assistée par ICP. Enfin, les résultats expérimentaux sont comparés. Ils corroborent les simulations tridimensionnelles FDTD effectuées en parallèle. En guise de perspective, une ouverture sur l'application de la réfraction négative à la furtivité et l'invisibilité est proposée.

Ln this thesis, we report on the dielectric approach to achieve negative refraction in photonic crystals and metamaterials in order to provide the focusing effect of a point source through a flat lens at optical wavelengths. A comprehensive investigation is done numerically and experimentally by using a photonic crystal flat lens prototype properly designed to perform scanning near field optical microscopy. ln the first part, we recall the concepts related to negative refraction and superlensing criteria. ln photonic crystals, negative refraction can occur by using Bloch waves dispersion. However, the feasibility of such a so-called superlens, wich requires at the sarne time an optical index of n=-1 and a perfect impedance matching remains a challenging task. So, we adress this issue by optimizing the electromagnetic transmission and the refraction index of a finite sized slab of photonic crystals. The advantage of our method lies in the existence of Fabry-Pérot effect resulting of interferences between the front and the rear interface of the slab. We then fabricated the flat lens by using the nanoelectronics techniques on III-V semiconductors .The photonic crystals lattice is defined by e-beam lithography on a negative resist (HSQ HydrogenSilsesQuioxane) and then etched within the semiconductor slab by using Inductively Coupled Plasma (lCP) etching technique. Strong anisotropy with aspect ratios higher than 10:1 can be routinely obtained. At least, from the comparison between 3D-FDTD simulations and experiments, we quantify the resolution of the lens and discuss the ability of the reported lens to overcome the classical limitation in terms of subwavelength resolution.