Conception d'optiques planes multifonctionelles par stucturation sub-longueur d'onde

Multifonctional planar optic conception engineered at the sub-wave length scale

• Auteur / Autrice : Jules Billuart
• Direction : Claude Amra, Michel Lequime
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique et sciences de la matière. Optique, photonique et traitement d'image
• Date : Soutenance le 25/10/2021
• Etablissement(s) : Aix-Marseille
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole Doctorale Physique et Sciences de la Matière (Marseille)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Fresnel (Marseille, France)
• Partenaire(s) de recherche : Partenaire de recherche : Thales Research and Technology (Palaiseau, Essonne)
• Jury : Président / Présidente : Isabelle Sagnes
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Sébastien Héron, Charlotte Pachot, Frédéric Zamkotsian, Thierry Viard, Mane-Si Laure Lee
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Patrice Genevet, Ronan Sauleau

Mots clés

Mots clés contrôlés

Ondes

Réfraction

Diffraction

Imagerie spectrale

Optique

Mots clés libres

Metasurface

Imagerie

Hyperspectrale

Optimisation

Metasurface

Hyperspectral

Imaging

Optimization

Résumé

Les optiques planes structurées à l’échelle de la longueur d’onde sont des composants artificiels également connus sous le nom de métasurfaces optiques. Elles permettent de réaliser des fonctions optiques originales, et concourent à miniaturiser des systèmes d’imagerie traditionnels basés sur des mécanismes de réflexion, de réfraction et de diffraction de la lumière. Dans ce manuscrit, on s’intéresse spécifiquement au potentiel de forte intégration de métasurfaces optiques dans un système d’imagerie spectrale compatible avec des applications satellite. Explorer ce potentiel d’intégration nécessite de comprendre les interactions électromagnétiques à l’échelle de la longueur d’onde, et de les exploiter pour concevoir des systèmes imagerie spécifiés par des critères de performances tels que la densité de flux, le rapport de Strehl, la réponse impulsionnelle ou encore la fonction de transfert optique du système. À cet égard, ce manuscrit présente une méthodologie de conception optique,permettant d’estimer les propriétés radiométriques d’une métasurface et sa réponse impulsionnelle à partir de l’effet local d’objets nanostructurés sur un front d’onde incident. Cette méthodologie de conception est utilisée pour concevoir un système d’imagerie hyper spectral à base de métasurfaces, dont une réalisation expérimentale simplifiée est proposée avec la séparation de deux longueurs d’onde. Pour aller plus loin, l’utilisation d’un algorithme d’optimisation est présentée et permet d’augmenter la valeur des pics d’intensités aux deux points focaux considérés en modifiant la position et les paramètres géométriques d’un ensemble de nano-éléments

Optical metasurfaces are sub-wave length engineered components achieving wave frontshaping in an artificial way. The electromagnetic properties of these surfaces are governed by complex interactions between an incident wave front and sub-wave length engineered materials. Such properties enable the design of non-conventional optical functions, paving the way to imaging system miniaturization traditionally based on reflexion, refraction and diffraction mechanisms. This thesis manuscript dealswith the integration of opticalmetasurfaces into a hyperspectral embedded imagingsystem. To achieve it, electromagnetic interactions at the wave length scale must beunder stood in order to design imaging systems characterized by performance criteria such as flux density, Strehl ratio, point spread function or modulation transfert function. Thus, this manuscript details a design methodology to estimate radiometric properties of a metasurface as well as its point spread function from the local effect of nanostructured materials on an incident wave front. This methodology is illustrated to design a hyperspectral imaging system, from which a simplified version has been fabricated and characterized considering two wave lengths. To go further, the use of an optimization algorithms is presented, which increases the pic intensity values at both focal points by changing the position and geometrical parameters of a set of nano-elements