Conversion électromagnétique - thermique dans des dispositifs nanophotoniques

Electomagnetic-thermal conversion in nanophotonic devices

• Auteur / Autrice : Cyprien Brulon
• Direction : Patrick Bouchon
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 19/01/2023
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ondes et matière (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Office national d'études et de recherches aérospatiales (France). Département Optique et Techniques Associées (1997-....)
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Université Paris-Saclay. Faculté des sciences d’Orsay (Essonne ; 2020-....)
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Physique (2020-….)
• Jury : Président / Présidente : Pascale Roy
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Renaud Bachelot, Jean-François Lampin, Sarah Houver, Patrice Genevet, Baptiste Fix
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Renaud Bachelot, Jean-François Lampin

Mots clés

Mots clés contrôlés

Électromagnétisme

Métamatériaux

Thermographie

Imagerie multispectrale

Dispositifs à ondes millimétriques

Mots clés libres

Electromagnétique

Thermique

Térahertz

Imagerie

Nanophotonique

Couplage

Elecrtomagnetism

Thermal

Terahertz

Imaging

Nanophotonics

Coupling

Résumé

La détection et l’imagerie dans la gamme térahertz (10 THz à 0.1 THz) sont de nos jours en pleins développements du fait des nombreuses perspectives d’application dans de nombreux domaines : le spatial pour l’observation astronomique, les télécommunications pour des transferts haut-débit, la spectroscopie pour permettre l’identification chimique d’éléments et enfin l’imagerie pour des applications médicales, de sécurité ou de contrôle qualité industriel. Jusqu’à présent, cette portion du spectre électromagnétique est restée largement inexploitée du fait du manque de sources commerciales puissantes mais aussi de détecteurs matriciels performants accessibles. Le but de cette thèse est de concevoir et de développer une technologie d’imagerie térahertz potentiellement multispectrale et bas coût en se basant sur un principe de thermoconversion. Une membrane - dite de conversion - absorbe une partie des ondes térahertz menant à son échauffement et l’émission d’un rayonnement thermique qui peut alors être capté en partie par une caméra infrarouge. L’originalité de ces travaux de thèse réside dans l’utilisation de membranes microstructurés de structures métalliques sub-longueur d’onde. L’exploitation des résonances plasmoniques de telles structures peut provoquer un échauffement local de la membrane qui décuple les performances de thermoconversion à la fois termes de sensibilité et de temps de réponse tout en apportant des informations supplémentaires de type spectral, en polarisation ou en angle d’incidence sur le rayonnement térahertz. Les travaux expérimentaux et théoriques de cette thèse se focalisent donc sur plusieurs points : la compréhension, la simulation et la caractérisation du comportement optique et thermique des résonateurs plasmoniques, l’optimisation de méthodes de fabrication par des procédés additifs bas coûts d’impression jet d’encre et enfin leur intégration dans un schéma d’imagerie térahertz actif. Les résultats obtenus soulignent le très fort potentiel de l’imagerie térahertz par thermoconversion et ouvre la voie à de nouvelles possibilités applicatives en particulier dans le domaine de l’imagerie térahertz multispectrale.

Detection and imaging in the terahertz range (10 THz to 0.1 THz) are nowadays in full development because of the numerous application perspectives in many fields : space for astronomical observation, telecommunications for high-speed communication, spectroscopy for chemical identification of elements and finally imaging for medical, security or industrial quality control applications. Until now, this portion of the electromagnetic spectrum has remained largely unexploited due to the lack of powerful commercial sources but also of accessible high-performance matrix detectors. The aim of this thesis is to design and develop a potentially multispectral and low cost terahertz imaging technology based on a thermoconversion principle. A membrane - called conversion membrane - absorbs a part of the terahertz waves leading to its heating and the emission of a thermal radiation which can then be captured partially by an infrared camera. The originality of this work lies in the use of membranes microstructured by periodic sub-wavelength metallic structures. The exploitation of the plasmonic resonances of such structures can cause a local heating of the membrane which increases tenfold the thermoconversion performances in terms of sensitivity and response time while bringing additional information of spectral type, in polarization or in angle of incidence on the terahertz radiation itself. The experimental and theoretical work of this thesis focuses on several points : the understanding, simulation and characterization of the optical and thermal behaviour of plasmonic resonators, the optimization of fabrication methods by additive low cost inkjet printing processes and finally their integration into an active terahertz imaging scheme. The obtained results underline the very strong potential of terahertz imaging by thermoconversion and opens the way to new application possibilities in particular in the field of multispectral terahertz imaging.