Les métasurfaces conformes : synthèse et applications

Conformal metasurface : synthesis and applications

• Auteur / Autrice : Sandeep Yadav Golla
• Direction : Konstantin Dorfman, Patrice Genevet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 09/11/2021
• Etablissement(s) : Université Côte d'Azur
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences fondamentales et appliquées (Nice ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de recherche sur l'hétéro-épitaxie et ses applications (Sophia Antipolis, Alpes-Maritimes)
• Jury : Président / Présidente : Stéphane Lanteri
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Konstantin Dorfman, Patrice Genevet, Stéphane Lanteri, Brian Stout, Didier Felbacq
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Brian Stout, Didier Felbacq

Mots clés

Mots clés contrôlés

Matériaux optiques

Métamatériaux

Surfaces (physique)

Mots clés libres

Métasurface conforme

Métasurface de forme libre

Modélisation FDTD conforme

Théorie électrodynamique mésoscopique

Lentille d’Abbe sine

CGSTCs

GCTSCs

Métasurfaces à gradient de phase topologique

Pancharatnam Berry métasurface

Métaoptiques

Susceptibilités surfaciques

Conformal metasurface

Freeform metasurface

Conformal FDTD modelling

Mesoscopic electrodynamical theory

Abbe sine lens

CGSTCs

GCTSCs

Topological phase gradient metasurfaces

Pancharatnam Berry metasurface

Meta-optics

Surfacic susceptibilities

Résumé

L'optique conforme permet de concevoir des dispositifs optiques de nouvelle génération, offrant des avantages tels qu'une haute efficacité de contrôle du front d'onde ainsi que leur l’intégrations dans des systèmes aux géométries complexes. Obtenir un système d'imagerie haute performance avec un facteur de forme compact tel que les écrans de réalité augmentée et virtuelle, les caméras et les microscopes nécessite d'intégrer des dispositifs optiques présentant des degrés de liberté supplémentaires. Les récents développements en optique, notamment les métasurfaces et l'optique de forme libre, permettent d'envisager de nouveaux assemblages optiques plus légers, plus simples et plus compacts. Nous proposons ici une méthode de synthèse inverse de métasurfaces ayant des formes arbitraires. Nos travaux nous conduisent aux expressions des conditions aux limites pour les champs électromagnétiques dites généralisées, appelées ''Conformal Generalized Sheet Transition Conditions''. Nous modélisons les CGSTC et démontrons la validité de notre technique de modélisation en implémentant un schéma numérique pour les dispositifs optiques tels que les lentilles et les déflecteurs. Pour réaliser nos simulations numériques, nous avons développé un code FDTD tridimensionnelle parallèle. De plus, nous étudions l'effet de la forme de l'interface de la métasurface sur les performances de la lentille. Les résultats numériques montrent que les métalentilles, fonctionnant en régime dit d’Abbe-Sine, présentent des performances de focalisation élevées par rapport à celles des métalentilles planaires. Nos travaux numériques peuvent servir d'outils pour concevoir des méta-optiques de forme libre, et peuvent aider à évaluer et à optimiser la réponse optique des assemblages optiques de forme libre complexes.Nous avons également mis au point certaines techniques de caractérisation pour mesurer expérimentalement les décalages de phase introduits par les métasurfaces. Les valeurs de phase, mesurées expérimentalement à l'aide d'une caméra de phase, sont traitées afin d'en extraire les susceptibilités d'interface. Partant des susceptibilités d'interface mesurées expérimentalement, on calcule les champs transmis au travers des dispositifs méta-optiques à l'aide de méthodes de propagation de faisceaux (type Fourier). Ceci nous permet d'étudier numériquement et en détails les performances des dispositifs optiques. Cette technique pourrait aider à caractériser en laboratoire tous les dispositifs optiques sans avoir besoin d'outils complexes ou de dispositifs adaptés à chaque composant, permettant ainsi d'importantes économies de ressources.Nous avons également développé un modèle électrodynamique vectoriel complet qui nous permet d'étudier l'interaction lumière-métasurface. Dans cette méthode, nous nous appuyons sur une approche similaire à celle utilisée en physique de l'état solide pour obtenir les susceptibilités à partir de la géométrie et de l'organisation du réseau de nano-antennes. La fonction de distribution analytique des susceptibilités est calculée à partir du design de la métasurface. Nous montrons qu’un faisceau transmis est influencé à la fois par les phases dite de Pancharatnam-Berry (PB) et de propagation. Nous montrons que la phase de PB, dite phase géométrique, n'apparait que lors des processus de conversion de polarisation. Les propriétés diffractives des métasurfaces à gradient de phase topologique sont analysées en profondeur via les dérivations analytiques, et les résultats sont vérifiés par des mesures optiques. On illustre à l’aide de ce formalisme la coexistence du gradient de phase nul et non nul conduisant à la loi de Snell ordinaire et généralisée.

Precision in optics has always been a challenge, which has persistently demanding new methods of design. Achieving a high performance imaging system with a compact form factor such as AR/VR displays, cameras and microscopes requires extra degrees of freedom. Recently, emerging science like freeform conformal meta-optics, which is an integrated technology of metamaterials combined with freeform optical surface profiles, offers lighter, simple and more compact assemblies. We propose a new inverse synthesis method based on the Dirac distribution of the E-M fields at an arbitrary interface and come up with with an extension of the Generalized Sheet Transition Conditions (GSTCs) valid for any arbitrary surface which we called Conformal-GSTCs (or C-GSTCs in short). We model the CGSTCs using a three dimensional FDTD method and demonstrate the validity of our modelling technique by numerically implementing the scheme for optical devices such as lenses and deflectors using home made parallel FDTD codes. We have used our numerical simulations to study the effect of the shape of the metasurface interface on the performances of metalenses. These performances were numerically characterized using standard methods of optics such as the Full Wave at Half Maximum (FWHM), Point Spread Function (PSF) or optical aberrations calculation through Zernike polynomial analysis. Our numerical implementation can serve as a tool to design freeform meta-optics, and can help in evaluating and optimizing the optical response of complex freeform optical assemblies.On the other direction, we have come up with certain characterization techniques to measure the phase data experimentally by using an in-house experimental set up. The measured phase data is processed for the evaluation of the susceptibilities. The transmitted field data arising from the metaoptical devices are computed numerically using Fourier beam propagation methods with the help of measured susceptibilities. Finally, the performance of the optical devices such as metalenses and deflectors are studied and reported. This technique could help in characterizing optical devices without the need of much complicated tools & devices in experimental labs, which could save a huge amount of resources.We have developed a full vectorial mesoscopic model to investigate the light-metasurface interaction. In this method, we obtain the distributed form of the susceptibilities from the geometric design of the metasurface by the lattice representation of nano-antennas, an approach which is similar to the concept of solid state physics. We obtain an analytical expression for the propagation of the field through the metasurface by solving Maxwell's equations for a given susceptibility function. We prove that the transmitted co-polarized beam alone acquires a global phase associated with the antenna response. Contrarily to the co-polarization beam, the transmitted cross-polarized beam is influenced by both PB and propagation phases. We extend this phase phenomenon to a general situation by decomposing the arbitrary polarization of a normally incident light in circular basis, showing that each eigenstate acquires an opposite extra phase delay due to the topological phase retardation associated with the PB phase. The diffractive properties of topological phase gradient metasurfaces are analyzed in depth via the analytical derivations, and the results are verified with optical measurements. The other physical mechanisms such as the universal principles of co-polarization and cross-polarization transmission, and the coexistence of the zero and nonzero phase gradient leading to the ordinary and generalized Snell’s law, are illustrated using the present framework. Our model an initiative to develop an intuitive understanding of topological and functional beam splitters for future applications in quantum optics and quantum information protocols.