Multicouches diélectriques à admittance nulle appliqués aux capteurs optiques
par Dikai Niu
Thèse de doctorat en Physique et sciences de la matière. Optique, photonique et traitement d'image
Sous la direction de Myriam Zerrad, Claude Amra et de Aude L. Lereu.
Soutenue le 25-02-2021
à Aix-Marseille , dans le cadre de Ecole Doctorale Physique et Sciences de la Matière (Marseille) , en partenariat avec Institut Fresnel (Marseille, France) (laboratoire) .
Le président du jury était Michael Canva.
Le jury était composé de Vincent Aubry, Juan-Antonio Zapiens.
Les rapporteurs étaient Béatrice Dagens, Bernard Legrand.
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Résumé
La qualité de l'air est un enjeu mondial majeur du point de vue de l'air ambiant extérieur, notamment pour la maîtrise des gaz à effet de serre, mais également pour la santé des populations avec la maîtrise et la diminution des substances toxiques. Les émissions des composants du véhicule peuvent nuire à la qualité de l'air intérieur du véhicule (VIAQ), et par conséquent au confort et à la santé des conducteurs et des passagers. En raison de ces préoccupations, le VIAQ revêt une importance croissante pour l'industrie automobile.Le cœur de ce travail réside dans la conception et la qualification d’un capteur d'odeurs optique ultra-sensible visant à détecter la présence de molécules susceptibles de générer des nuisances olfactives dans l’habitacle des véhicules. Dans ce contexte, nous synthétisons des empilements multicouche multi-diélectriques en y insérant des couches d’admittance nulle, ce qui permet de générer une exaltation géante du champ électromagnétique évanescent lorsque le composant est éclairé en réflexion totale. Des empilements témoins ont été réalisés sur des prismes en utilisant un dépôt par faisceau d'électrons assisté par plasma. La structure ZAL est définie en fonction des conditions de résonance souhaitées et elle est optimisée pour présenter une exaltation de plusieurs décades sous un clairement par un faisceau laser polarisé TE et collimaté. Le premier exemple d’application proposé est la démonstration de la détection de traces d'un analyte par modification de l’indice de réfraction. La sensibilité du composant est quantifiée eu égard au profil du champ d'excitation et les résultats expérimentaux sont en bon accord avec les calculs théoriques
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mots clés
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Titre traduit
Zero admittance dielectric multilayers applied to optical sensors
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Résumé
Air quality is a major global issue from the point of view of outdoor ambient air, particularly for the control of greenhouse gases, but also for the health of populations with control and the reduction of toxic substances . Emissions from vehicle components can adversely affect vehicle interior air quality (VIAQ) , and subsequently the comfort and health of drivers and passengers. As a result of these concerns, VIAQ is of growing importance to the automobile industry. The purpose of this work is the conception of an ultra-sensitive optical odor sensor to monitor the air quality in the vehicle cabinet. As achieving superior field enhancement plays a critical role in the optical sensing, we designed all dielectric multilayer materials using zero- admittance layers (ZAL) to generate a giant enhancement of the evanescent electromagnetic field under total internal reflection. The designed optical thin films was deposited on prisms by using plasma-assisted electron beam deposition. The structure of ZAL multilayers is function of the resonance conditions and a collimated TE polarized laser beam is employed to excite the huge field enhancement. As a specific application of the resonant field, we propose and demonstrate refractive index sensing for the detection of trace amounts of an analyte. The results include a quantification of the sensitivity of the component with respect to the profile of the exciting field. The experimental results are shown to be in good agreement with theoretical calculations. We have also fabricated the prototype with a designed microfluidic device. And some experiments are presented to illustrate the multi-application of our components
