Exaltation d’effets non linéaires dans des métasurfaces à multi-résonances accordées

Exaltation of nonlinear effects in metasurfaces with accorded multi-resonances

• Auteur / Autrice : Léna Soun
• Direction : Riad Haïdar, Patrick Bouchon
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 26/11/2020
• Etablissement(s) : Institut polytechnique de Paris
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de l'Institut polytechnique de Paris
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : École polytechnique (Palaiseau, Essonne ; 1795-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Office national d'études et de recherches aérospatiales (France). Département Optique et Techniques Associées
• Jury : Président / Présidente : Jean-François Roch
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Riad Haïdar, Patrick Bouchon, Sara Ducci, Yannick Dumeige, Anne-Laure Fehrembach
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Sara Ducci, Yannick Dumeige

Mots clés

Mots clés contrôlés

Résonance plasmonique de surface

Fonctions d'une variable complexe

Électromagnétisme

Photonique

Mots clés libres

Optique non linéaire

Nanoantennes

Plasmonique

Infrarouge

Non linear optics

Nano-antennas

Plasmonics

Infrared

Résumé

Les nano-antennes sont des composants nanostructurés capables de concentrer la lumière dans des volumes sub-longueur d’onde, exaltant le champ électrique selon plusieurs ordres de grandeur. Cela est particulièrement intéressant pour la génération d’effets non linéaires, qui dépendent des puissances du champ électrique incident. En effet, les effets non linéaires d’ordre 2, qui permettent les phénomènes de conversion de fréquence, comme la génération de second harmonique (SHG), ou la différence de fréquence (DFG), dépendent du carré du champ électrique. Ainsi, si l’on inclut un cristal non linéaire dans une nano-antenne, on peut exalter significativement ces effets. L’objectif de cette thèse est donc de concevoir des nano-antennes permettant de générer efficacement des effets non linéaires d’ordre 2. De tels dispositifs pourraient être appliqués à la création de nouvelles sources pour la spectroscopie infrarouge.Le travail de thèse va de la modélisation électromagnétique des effets non linéaires dans les nanostructures à la démonstration expérimentale. La modélisation de polarisation non linéaire générée suivant l’axe optique a été développée en s’appuyant sur une méthode modale B-Spline pour les calculs linéaires. Ce modèle a permis de simuler les effets non linéaires liés à cette polarisation, d’affiner la compréhension des phénomènes physiques dans les nanostructures multi-résonantes, et d’optimiser une structure ayant une efficacité de 0.1 W/W² en différence de fréquence dans l’infrarouge. La conception d’un échantillon a permis de valider les propriétés résonantes, ainsi qu’une démonstration expérimentale de génération de second harmonique.

Nano-antennas are nanostructured componentscapable of concentrating light in subwavelengthvolumes, exalting the electric field by severalorders of magnitude. This is particularly interestingfor the generation of nonlinear effects, which dependon the powers of the incident electric field. Actually,the second order non-linear effects, which allowfrequency conversion phenomena, such as secondharmonic generation (SHG), or difference frequencygeneration (DFG), depend on the square of the electricfield. Thus, if we include a nonlinear crystal in anano-antenna, we can significantly enhance these effects.The objective of this thesis is thus to designnano-antennas that can efficiently generate secondorder nonlinear effects. Such devices could be appliedto the creation of new sources for infrared spectroscopy.The thesis work ranges from electromagnetic modellingof nonlinear effects in nanostructures to experimentaldemonstration. The modelling of nonlinear polarizationgenerated along the optical axis has beendeveloped using a B-Spline modal method for linearcalculations. This model has allowed to simulate thenonlinear effects related to this polarization, to refinethe understanding of physical phenomena in multiresonantnanostructures, and to optimize a structurewith an efficiency of 0.1W/W² in difference frequencygeneration in the infrared. The design of a sample allowedthe validation of the resonant properties, as wellas an experimental demonstration of second harmonicgeneration.