Étude théorique de particules de Huygens isotropes pour des applications en métasurfaces

Theoretical study of isotropic Huygens particles for metasurfaces

• Auteur / Autrice : Romain Dezert
• Direction : Alexandre Baron, Philippe Barois
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Lasers, Matière et Nanosciences
• Date : Soutenance le 17/12/2019
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences physiques et de l’ingénieur (Talence, Gironde ; 1995-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de Recherche Paul Pascal (Pessac ; 1963-....)
• Jury : Président / Présidente : Cécile Zakri
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Alexandre Baron, Philippe Barois, Cécile Zakri, Antoine Moreau, Christophe Craeye, Béatrice Dagens
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Antoine Moreau, Christophe Craeye

Mots clés

Mots clés contrôlés

Nanoparticules

Résonateurs optiques

Photonique

Mots clés libres

Photonique

Resonateurs optique

Nanoparticules

Diffusion

Sources de Huygens

Métasurfaces

Photonic

Optical resonators

Nanoparticles

Scattering

Huygens sources

Metasurfaces

Résumé

Les avancées récentes en optique à l'échelle nanométrique ont donné naissance à une nouvelle branche de la nano-photonique visant à manipuler la diffusion de nanoparticules, avec de nombreuses applications potentielles en communication optique, en photovoltaïque, pour le développement de nano-antennes, de capteurs, etc. La réponse de nano-diffuseurs est souvent caractérisée en termes de multipoles électromagnétiques dont les ajustements constituent un moyen efficace pour façonner à souhait les diagrammes de rayonnement de particules. En particulier, des interférences destructives entre multipoles de parité spatiale opposée peuvent être exploitées pour annuler la rétro-diffusion d’objets de petites tailles. Cet effet, théoriquement prédit il y a 30 ans par Milton Kerker, permet aujourd’hui de concevoir des particules sub-longueur d'onde diffusant la lumière uniquement vers l'avant, partageant ainsi les principales caractéristiques des sources théoriques fictives utilisées dans le principe de Huygens-Fresnel. Une fois assemblées en réseau périodique bidimensionnel, ces particules, appelées "sources de Huygens", offrent des opportunités uniques dans le développement de composants optiques plats et ultrafins, appelés "métasurfaces", permettant un contrôle arbitraire de la phase, de l'amplitude et/ou de la polarisation de faisceaux lumineux. Ainsi, au cours des dernières années, les métasurfaces de Huygens ont été très largement explorées comme alternative à l’optique traditionnelle pour la conception de surfaces remplissant les fonctions de lentilles, de déflecteurs de faisceau, de vortex optique, d’hologrammes ou d’absorbeurs parfaits. Ces travaux se sont notamment appuyés sur des sources de Huygens anisotropes pouvant être obtenues par les technologies dites ‘’top-down’’. Contrairement aux approches étudiées jusqu'à présent, cette thèse porte sur l'étude de sources de Huygens isotropes. Nous étudions en particulier des particules homogènes, composites ou de types coeur-coquille pour atteindre le régime de Kerker. Nous démontrons la possibilité de façonner le front d'onde de faisceaux optiques en utilisant des systèmes sphériques constitués d’amas de particules diélectriques. Nous présentons également un formalisme multipolaire pouvant être exploité pour optimiser l'absorption de surface de Huygens. Comme fil conducteur de notre projet, les objets que nous étudions sont adaptés aux technologies ascendantes (dite "bottom-up") et pourraient de manière réaliste être obtenue par synthèse colloïdale et procédés d’auto-assemblage, offrant ainsi une alternative aux métasurfaces classiquement obtenues par lithographie.

Recent developments in optics at the nanoscale have given rise to a new branch of nano-photonics aimed at manipulating the scattering of nanoparticles, with numerous potential applications in optical communication, nano-antennas, photovoltaics, sensing, etc. The response of nano-scatterers is often characterized in terms of electromagnetic multipoles. Tailoring these multipoles represents an efficient scheme to engineer three-dimensional radiation diagrams. For instance, destructive interferences between multipoles of opposite spatial parity can be exploited to cancel backscattering. This effect, theoretically predicted 30 years ago by Milton Kerker, makes it possible to produce subwavelength particles that scatter light in the forward direction, thus sharing the main features of the fictitious sources used in the Huygens-Fresnel principle. Once assembled in a periodic two-dimensional network, such particles, named ''Huygens sources'', offer unique opportunities for the development of flat and ultrathin optical components called "metasurfaces" that enable the arbitrary control of the phase, amplitude and/or polarization of a beam of light. Over the past few years, Huygens metasurfaces have been widely explored to engineer highly efficient lenses, beam deflectors, vortex beams, holograms or perfect absorbers, that have relied on two-dimensional anisotropic Huygens sources. In contrast to approaches investigated thus far, this thesis focuses on the study of isotropic Huygens sources. We investigate homogeneous, composite and core-shell particles as a solution to reach the Kerker regime. Subsequently, we demonstrate that wave-front shaping is indeed possible by using spherical systems composed of clusters of dielectric inclusions and we present a multipolar formalism that can be used as a guideline to optimize the absorption of Huygens arrays. The structures we study are realistically achievable by bottom-up fabrication and self-assembly, offering an alternative to the classical lithographically fabricated metasurfaces.