Illusions thermiques basées sur les métamatériaux et les métasurfaces : conduction et rayonnement

Thermal illusions based on metamaterials and metasurfaces : heat conduction and thermal radiation

• Auteur / Autrice : Ahmed Diaaeldin Alwakil
• Direction : Claude Amra, Myriam Zerrad
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Optique, Photonique et Traitement d'Image
• Date : Soutenance le 27/06/2018
• Etablissement(s) : Aix-Marseille
• Ecole(s) doctorale(s) : École Doctorale Physique et Sciences de la Matière (Marseille)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Fresnel (Marseille, France)
• Jury : Président / Présidente : Karl Joulain
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Franck Enguehard, Stefano Maci, Philippe Adam
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Martin Wegener, André de Lustrac

Mots clés

Mots clés contrôlés

Diffusion (physique)

Optique physique

Métamatériaux

Rayonnement thermique

Diffusivité thermique

Mots clés libres

Chaleur

Conduction

Rayonnement thermique

Transformations optiques

Échanges thermiques

Transformations de champ

Fluctuation dissipation

Illusions thermiques

Mimétisme

Invisibilité

Modèles de circuit

Thermal

Heat Transfer

Heat conduction

Thermal Radiation

Transformation Optics

Circuit Model

Field Transformation

Thermal Illusion

Fluctuation Electrodynamics

Invisibility

Mimetism

Résumé

Les techniques de camouflage, mimétisme ou invisibilité ont récemment connu une forte émergence, qui se poursuit aujourd’hui avec l’apparition des méta-surfaces. C’est dans ce contexte que ce travail de doctorat a été réalisé, notamment avec un premier objectif d’étendre ces outils et concepts aux problèmes inverses du domaine de la diffusion de la chaleur. La suite du travail a concerné le rayonnement thermique, les méta-surfaces et les transformations de champ. Après avoir étendu les techniques de mimétisme au domaine de la conduction, nous avons résolu le problème inverse associé, qui consiste à camoufler des objets imposés en forme ou conductivité. Ce premier travail a permis de mettre en évidence les classes de transformation qui laissent invariantes les paramètres physiques, conférant ainsi plus de pragmatisme au domaine du mimétisme. Nous avons ensuite considéré le cas du rayonnement thermique, et démontré pour la première fois que les illusions par rayonnement étaient envisageables, en appui sur l’invariance du théorème de fluctuation/dissipation. Dans une deuxième étape, nous avons mis au point une nouvelle méthode pour calculer le rayonnement thermique par des objets de forme arbitraire, mettant en jeu des méta-surfaces inhomogènes, anisotropes, chirales et non locales. Nous montrons également comment tirer profit des méta-surfaces pour remplacer les capes volumiques tout en conservant la fonction de camouflage. Cette technique est particulièrement prometteuse pour les applications, même si elle reste intrinsèquement liée à l’éclairement. Des techniques similaires sont développées pour que soit facilité l’utilisation de transformations discontinues de l’espace.

Mimetism, camouflage or invisibility have motivated numerous efforts in the last decade, which are now extended with metasurfaces. This PhD work fits this international context and was first focused on inverse problems in heat conduction before we address thermal radiation and metasurfaces, field transformation. After we generalize the mimetism techniques to heat diffusion, we solved the associated inverse problem which consists of the camouflage of given objects, that is, objects with shape or conductivity that are before hand chosen. The results allowed us to emphasize the class of transformations which hold the physical parameters, hence giving more pragmatism to the field of mimetism. Then we addressed the case of thermal radiation and proved for the first time that mimetism effects could also be controlled in this field, on the basis of the fluctuation/dissipation theorem. In a second step, we built an original technique able to predict the thermal radiation from objects of arbitrary shapes. This technique involves inhomogeneous, anisotropic, chiral and nonlocal metasurfaces. We also show how to take more benefits of metasurfaces in order to replace the bulk mimetism cloaks. We believe this technique to give again more push forward to the field, though the mimetism efficiency now relies on the illumination conditions. Similar techniques are further developed to allow a practical use of discontinuous space transformations. Eventually, field transformation is introduced to complete all these results.