Façonnage des ondes : de la superdirectivité à la superrésolution.

Wave shaping : from superdirectivity to superresolution

• Auteur / Autrice : Samuel Métais
• Direction : Geoffroy Lerosey, Fabrice Lemoult
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 07/03/2019
• Etablissement(s) : Sorbonne Paris Cité
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique en Île-de-France (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation : Université Paris Diderot - Paris 7 (1970-2019)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Langevin-Ondes et images (Paris ; 1997-....)
• Jury : Président / Présidente : Anne Sentenac
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Geoffroy Lerosey, Fabrice Lemoult, Olivier Legrand, Eric Falcon, Christophe Delaveaud
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Anne Sentenac, Olivier Legrand

Mots clés

Mots clés contrôlés

Phénomènes électromagnétiques

Cavités résonnantes (microondes)

Doppler, Effet

Métamatériaux

Imagerie (technique)

Antennes (électronique)

Microscopie à super-résolution

Micro-ondes

Acoustique

Mots clés libres

Acoustique

Micro-ondes

Super-résolution

Super-directivité

Antennes reconfigurables

Cavités chaotiques

Imagerie non-linéaire

Métamatériaux

Effet Doppler

Métasurfaces

Acoustics

Electromagnetics

Super-resolution

Super-directivity

Reconfigurable antennas

Chaotic cavities

Non-linear imaging

Metamaterials

Doppler effect

Metasurface

Résumé

Durant cette thèse nous nous sommes intéressés à la physique des ondes globale. En repartant de l’équation de d’Alembert, il émerge trois leviers principaux qui permettent le contrôle des ondes : contrôle sur les sources, contrôle sur les conditions aux limites, et contrôle sur le milieu de propagation lui-même. Dans un premier lieu, nous avons utilisé les propriétés d’une métasurface binaire électroniquement reconfigurable en cavité micro-ondes. Cet objet permet de contrôler le champ au sein de la cavité. Celle-ci a ensuite été ouverte, et nous avons montré que le contrôle s’étendait à l’émission en champ lointain. Ce système réalise donc une antenne compacte directive et reconfigurable. Dans un second temps, nous avons considéré l’approche métamatériaux pour réaliser une antenne dite superdirective. En effet, les antennes sont soumises à des limitations de directivité liées à leur taille, dont la prédiction date des années 40. En utilisant un milieu de fils, nous avons montré que ce métamatériau qui permet le contrôle du champ proche à une échelle sub-longueur d’onde, peut influencer le rayonnement d’une source unique au point de réaliser une antenne superdirective avec seulement quatre diffuseurs résonants passifs. Enfin, nous avons réalisé en acoustique une preuve de concept d’une nouvelle technique d’imagerie non-linéaire. Depuis l’illumination structurée, c’est l’imagerie d’agents de contraste, souvent fluorescent, qui permet de battre la limite de diffraction. Ici, nous proposons une idée basée sur l’effet Doppler. Nous montrons dans un premier temps qu’imager avec des sources et des récepteurs en rotation permet d’égaler au moins l’illumination structurée. Dans un second temps, nous montrons que cette rotation génère une information spectrale supplémentaire qui permet d’atteindre la super-résolution.

During this PhD, we have taken interest in general wave physics. From d’Alembert’s wave equation, one can find three ways of controlling the waves : tuning the source distribution, for one part, altering the boundary conditions, for another part, and finally, modeling the propagation medium itself. Those three tools have been demonstrated during three different projects. Firstly, we have used an electronically reconfigurable binary métasurface to control the wave field inside a micro-wave cavity. Extending this concept to an open cavity, we have demonstrated that we can actually control the farfield emission of this system. This has allowed us to design a compact reconfigurable directive antenna from an open micro-wave cavity. Secondly, we have used the metamaterial approach to overcome the directivity limit of antenna that has been considered by the community since its prediction in the 40s. Using a wire medium, which is known for its sub-wavelength control of the nearfield, we have extended this to the farfield emission of a singular source inside. Using only four passive resonant scatterers, we have been able to make a single source superdirective. Lastly, we have designed and performed an acoustic experiment to create a new non-linear imaging technique. Ever since the contributions of structured illumination and non-linear fluorescent imaging, breaking the diffraction limit has been shown to be possible. We design here a new method, based on the Doppler effect, to get rid of contrast agents. Using rotating sources and receivers, we have shown that this system performs, in homodyne detection, as well as a structured illumination microscope. However, the spectral richness of the signal allows us to further hence the resolving power of our system, and hence, achieve true super-resolution.