Interactions spin-orbite pour contrôler la directivité des ondes de surface de Bloch via le champ magnétique optique et pour contrôler et sonder localement l'état de polarisation de la lumière

Spin-orbit interactions for steering Bloch surface waves with the optical magnetic field and for locally controlling light polarization by swirling surface plasmons

• Auteur / Autrice : Mengjia Wang
• Direction : Thierry Grosjean, Nicolas Martin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Optique et photonique
• Date : Soutenance le 13/02/2019
• Etablissement(s) : Bourgogne Franche-Comté
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences Physiques pour l'Ingénieur et Microtechniques (Besançon ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : FEMTO-ST : Franche-Comté Electronique Mécanique Thermique et Optique - Sciences et Technologies (Besançon) - Franche-Comté Électronique Mécanique- Thermique et Optique - Sciences et Technologies (UMR 6174) / FEMTO-ST
• Partenaire(s) de recherche : Etablissement de préparation : Université de Franche-Comté (1971-2024)
• Jury : Président / Présidente : Maria-Pilar Bernal-Artajona
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Thierry Grosjean, Nicolas Martin, Maria-Pilar Bernal-Artajona, Peter Banzer, Emiliano Descrovi, Patrice Genevet
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Peter Banzer, Emiliano Descrovi
• DOI : 10.70675/da3e64ffz9c8dz4e7czabe0z1f6941ff8e09

Mots clés

Mots clés contrôlés

Nanophotonique

Mots clés libres

Interactions spin-Orbite

Nano-Antenne optique hélicoïdale à ondes progressives

Champ magnétique optique

Polarisation circulaire

Contrôle de polarisation

Ondes de surface de Bloch

Spin-Orbit interaction

Traveling-Wave helical optical antenna

Magnetic field of light

Circular polarization

Polarization control

Bloch surface waves

Résumé

Ma thèse est consacrée aux nouveaux phénomènes nano-optiques et aux dispositifs basés sur l'interaction spin-orbite de la lumière (SOI). Tout d'abord, il a été démontré un SOI uniquement piloté par le champ magnétique de la lumière permettant de diriger avec précision les ondes de surface de Bloch, offrant ainsi une nouvelle manifestation du champ magnétique optique. Ensuite, nous avons proposé et démontré le concept de nano-antenne plasmonique hélicoïdale à ondes progressives (TW-HPA), c’est-à-dire un fil hélicoïdal en or étroit alimenté optiquement par une nano-antenne dipolaire dans une configuration « end-firing ». Une telle nano-antenne a été démontrée comme la première optique de polarisation sublongueur d’onde. L’agencement de TW-HPAs à l’échelle de quelques microns a permis de convertir « à la carte » un faisceau polarisé linéairement en une distribution de faisceaux directifs présentant des polarisations différentes définies de façon déterministe par la géométrie et les dimensions des nano-antennes. Par le biais d’un couplage en champ proche de quatre nano-antennes à hélicités opposées, nous avons obtenus une optique sublongueur d’onde permettant un degré de liberté dans le contrôle de la polarisation qui est interdit avec les composants et méthodes classiques basées sur l’exploitation de matériaux biréfringents ou dichroïques, ou de métamatériaux imitant ces propriétés.

My thesis is devoted to novel nano-optical phenomena and devices based on spin-orbit interaction (SOI) of light. First, magnetic spin-locking, i.e., an SOI solely driven by the magnetic field of light, is demonstrated with Bloch surface waves. It provides a new manifestation of the magnetic light field. Then, we propose and demonstrate the concept of traveling-wave plasmonic helical antenna (TW-HPA), consisting of a narrow helical gold-coated wire non-radiatively fed with a dipolar nano-antenna. By swirling surface plasmons, the TW-HPA combines subwavelength illumination and polarization transformation. The TW-HPA is demonstrated to radiate on the subwavelength scale almost perfectly circularly polarized optical waves upon illumination with linearly polarized light. With this subwavelength plasmonic antenna, we developed strongly integrated arrays of point-light emissions of opposite handedness and tunable intensities. Finally, by coupling two couples of TW-HPAs of opposite handedness, we obtained new polarization properties so far unattainable.