Métasurfaces à multiplexage de fonctionnalités pour la manipulation du front d'onde électromagnétique

Functionality-multiplexing metasurfaces for electromagnetic wavefront manipulation

• Auteur / Autrice : Menglan Lin
• Direction : Shah Nawaz Burokur, Peihan Qi, Badr Eddine Ratni
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique, Photonique et Micro-Nanotechnologies
• Date : Soutenance le 07/05/2024
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay en cotutelle avec Xidian University (Xi'an (Chine))
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Electrical, optical, bio : physics and engineering (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de nanosciences et de nanotechnologies (Palaiseau, Essonne ; 2016-....) - Xidian University. School of telecommunications engineering (Xi'an, Chine)
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Faculté des sciences d'Orsay
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Sciences de l’ingénierie et des systèmes (2020-….)
• Jury : Président / Présidente : Kuang Zhang
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Juan Chen, Eva Antonino Daviu, André Barka, Saïd Zouhdi, Hexiu Xu
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Juan Chen, Eva Antonino Daviu

Mots clés

Mots clés contrôlés

Surfaces intelligentes

Ondes électromagnétiques -- Propagation

Métasurfaces

Mots clés libres

Métasurface

Multiplexage de fonctionnalités

Front d'onde

Sélectivité de spin

Reconfigurabilité

Metasurface

Functionality-multiplexing

Wavefront

Spin selectivity

Reconfigurability

Résumé

Les métasurfaces à multiplexage de fonctionnalités ont attiré une attention considérable en tant que candidats prometteurs pour faire face à l'intégration et à la miniaturisation des dispositifs. De telles métasurfaces permettent d'obtenir différentes fonctionnalités à partir d'un seul dispositif. Pour développer des méta-dispositifs dans le régime des micro-ondes, certains enjeux ne peuvent pas être ignorées. Cette thèse de doctorat est consacrée à l'exploration de différentes méthodologies pour réaliser des méta-dispositifs à multiplexage de fonctionnalités, en se concentrant sur des questions critiques telles que la manipulation indépendante de l'état de spin, la large bande passante de fonctionnement, le contrôle indépendant et la régulation en temps réel. Des validations numériques et expérimentales ont été faites pour plusieurs applications de manipulation d'ondes électromagnétiques dans chaque méta-dispositif. Les travaux ont été réalisés conjointement par l'Université Paris-Saclay et Xidian University. Tout d'abord, un méta-dispositif passif de multiplexage de polarisations est développé pour réaliser une manipulation d'amplitude indépendante et une modulation complète de phase dépendante pour les états de polarisation circulaire orthogonale. Divers générateurs de faisceaux vortex sont ensuite mis en œuvre pour des états de spin orthogonaux dans une large bande de fréquences et une absorption sélective de spin à la fréquence de résonance est ciblée. Un méta-dispositif réorganisable mécaniquement est également réalisé, où une modulation de phase dynamique est obtenue en enfichant des méta-atomes dans une structure entièrement diélectrique. La capacité de ce méta-dispositif pour la manipulation du front d'onde est étudiée au travers de deux fonctionnalités dans une large bande de fréquences, à savoir des générateurs de faisceaux vortex avec des charges topologiques différentes et des hologrammes en champ proche avec des motifs d'imagerie accordables. Enfin, une métasurface reconfigurable électroniquement, constituée de méta-atomes adressables individuellement, est exploitée pour la focalisation en champ proche à différentes distances focales sur la base du mécanisme de superoscillation. De plus, des faisceaux bouteille unidimensionnels et bidimensionnels sont générés avec différents rayons de trajectoires circulaires.

Functionality-multiplexing metasurfaces have attracted considerable attention as prominent candidates for coping with device integration and miniaturization. Such metasurfaces enable different functionalities to be achieved from a single device. To develop meta-devices in the microwave regime, some issues cannot be ignored. This PhD thesis is devoted to exploring different methodologies to realize functionality-multiplexing meta-devices, focusing on critical issues such as independent spin-state manipulation, wide operating bandwidth, independent controllability and real-time regulation. Numerical and experimental validation have been conducted for several applications of electromagnetic wave manipulation in each functionality-multiplexing meta-device. The work was done jointly by Université Paris-Saclay and Xidian University. First, a polarization-multiplexing passive meta-device is developed to achieve independent amplitude manipulation and dependent full-phase modulation for orthogonal circularly polarized states. Diverse vortex beam generators are then implemented for orthogonal spin-states in a wide frequency band and a spin-selective absorption at the resonance frequency is targeted. A mechanically re-organizable meta-device is also realized, where a dynamic phase modulation is achieved by plugging meta-atoms in an all-dielectric structure. The capability of this meta-device for wavefront manipulation is investigated through two functionalities in a wide frequency band, i.e., vortex beam generators with different topological charges and near-field holograms with tunable imaging patterns. Finally, an electronically reconfigurable metasurface, consisting of individually addressable meta-atom, is exploited for near-field focusing at different focal lengths based on the superoscillation mechanism. Additionally, one-dimensional and two-dimensional bottle beams are generated with different radii of circular trajectories.