Extinction extraordinaire par superposition en champ proche de filtres élémentaires nanostructurés : Mise en évidence, théorie et application au filtrage infrarouge

• Auteur / Autrice : Thomas Estruch
• Direction : Jérôme Primot
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matière condensée et interfaces
• Date : Soutenance en 2013
• Etablissement(s) : Paris 7

Mots clés

Mots clés contrôlés

Résonance plasmonique de surface

Mots clés libres

Sub-longueur d'onde

Résumé

Les objets structurés à l'échelle sub-longueur d'onde sont le siège d'interactions lumière-matière permettant d'obtenir des résonances d'amplitude extraordinaire localisées spectralement. Ils permettent ainsi la réalisation de filtres spectraux dans l'infrarouge. Pour améliorer les performances de ces filtres et ce, notamment en termes d'efficacité de réjection, j'ai étudié au cours de ma thèse la superposition de structures sub-longueur d'onde identiques mettant en jeu des modes évanescents et propagatifs. J'ai ainsi mis en évidence la présence d'une extinction extraordinaire de la transmission ou de la réflexion lorsque les structures sont en champ proche. L'origine de ce phénomène est révélée dans ce manuscrit grâce à la mise en place d'une approche heuristique basée sur la formule de Mason et la traduction des interactions entre les modes propagatifs et évanescents en graphes de fluence. J'ai ainsi pu établir des règles de conception qui ouvrent la voie vers le design de structures filtrantes hautes performances à forte efficacité de réjection hors bande passante. De manière à valider cette étude théorique, j'ai conçu et fabriqué une structure encapsulée dans du diélectrique qui a permis de démontrer la fonction d'amélioration de l'efficacité de réjection dans les structures superposées. Parallèlement, j'ai cherché à étudier l'agilité spectrale de cette extinction extraordinaire en superposant dynamiquement deux structures filtrantes par le biais d'actionneurs piézoélectriques. Véritable challenge expérimental, ce banc a nécessité la mise en place d'une procédure d'alignement originale des réseaux sub-longueur d'onde pour une mise en champ proche par assemblage.

Devices structured to the sub-wavelength scale are the subject of light-matter interactions that enable spectrally localized resonances with extraordinary amplitude. Thus, they allow the realization of spectral filters in the infrared range. To improve those filters performances and more particularly regarding the rejection efficiency, I have studied during my PhD the superposition of identical sub-wavelength structures that bring propagative and evanescent modes into play. This way, I have evidenced the presence of an extraordinary extinction of either the transmission or the reflection when the structures are in near-field. The extraordinary extinction's origins is revealed in the manuscript using a phenomenological approach based on the combination of Mason's rule with signal flow graphs that translate interactions between propagative and evanescent modes. This way, I have been able to establish conception rules that pave the way to the design of high performances filtering structures with strong rejection efficiency out of the band pass. To be able to confirm this theoretical study, I have then designed and built a structure encapsulated into dielectric which has allowed to demonstrate the improvement on the rejection efficiency for cascaded structures. At the same time, I tried to investigate the spectral agility of the extraordinary extinction by dynamically superimposing two filtering structures using piezoelectric actuators. True experimental challenge, this optical bench has required the development of an original alignment protocol to be able to assemble the two sub-wavelength gratings in near field.