Etudes du couplage spin-orbite en nano-photonique. applications à l'excitation unidirectionnelle de modes plasmoniques guidés et à la génération d'opto-aimants nanométriques contrôlables par l'état de polarisation de la lumière

Spin-Orbit coupling in nanophotonics. Application to unidirectionnal excitation of plasmonics guided modes and nanométrics opto-magnetisation generation controled by the polarisation state of light

• Auteur / Autrice : Yannick Lefier
• Direction : Thierry Grosjean, Ulrich Fischer
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique, microelectronique, optique et lasers, optoelectronique microondes
• Date : Soutenance le 09/12/2016
• Etablissement(s) : Besançon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur et microtechniques (Besançon ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : FEMTO-ST : Franche-Comté Electronique Mécanique Thermique et Optique - Sciences et Technologies (Besançon)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Franche-Comté Électronique Mécanique, Thermique et Optique - Sciences et Technologies
• Jury : Président / Présidente : Hervé Maillotte
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Thierry Grosjean, Ulrich Fischer, Hervé Maillotte, Samuel Grésillon, Joël Bellessa, Maria-Pilar Bernal-Artajona, Etienne Brasselet, Antoine Moreau
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Cyriaque Genet, Samuel Grésillon

Mots clés

Mots clés contrôlés

Moment angulaire

Optique non linéaire

Nanophotonique

Mots clés libres

Plasmoniques

Nano-Optique

Optique intégré

Couplage spin-Orbite

Moment angulaire de la lumière

Opto-Magnétisation

Plasmonics

Nanophotonics

Integrated optics

Spin-Orbit coupling

Angular momentum of light

Opto-Magnetisation

Résumé

Cette thèse porte sur la manipulation du moment angulaire de la lumière à l'échelle sub-micronique. Le moment angulaire total de la lumière est composé d'une partie de spin, relié au degré de liberté de polarisation circulaire de la lumière, et d'une partie orbitale, relié au degré de libertés spatiaux de la lumière que sont sa direction de propagation (locale et globale) et sa distribution spatiale d'intensité. Le couplage spin-orbite existant entre ces deux contributions permet alors de manipuler les degrés de libertés spatiaux de la lumière par un simple contrôle de son état de polarisation circulaire. Dans cette thèse, nous avons étudié et exploité ce couplage à l'échelle sub-micronique dans deux nouveaux phénomènes que nous avons mis en évidence. Le premier met à profit ce couplage pour permettre d'exciter de manière unidirectionnelle des modes plasmoniques guidés. Une étude complète (numérique, expérimentale et analytique) de ce phénomène nouveau, basé sur un couplage entre le moment de spin du photon incident et le moment orbital extrinsèque des modes plasmoniques guidés dans la courbure d'un guide, est présentée. La deuxième étude présente une voie pour tirer parti du transfert de moment orbital de la lumière à un gaz d'électrons libres dans un métal afin de générer et contrôler le sens et la géométries de boucles de courants sub-microniques dans des structures métalliques. Ce contrôle permettrait la génération d'optomaimants nanométriques, entièrement contrôlés par la lumière, pouvant être modulés aux fréquences optiques. Ce travail a été soutenu par le LABEX Action.

This thesis focuses on the manipulation of the angular momentum of light at the nanoscale.The total angular momentum of light is composed of a spin component, connected to the polarization degree of freedom of light, and an orbital component, related to the spatial degrees of freedom of the light which are its propagation direction (local and global) and its intensity distribution. The spin-orbit coupling between these two contributions allows the control of the spatial degrees of freedom of light by a simple manipulation of its circular polarization state. In this thesis, we have studied and applied this coupling at the nanoscale anbd we have highlighted two new phenomenas. The first one takes part of this coupling to allows unidirectional excitation of plasmonic guided modes. A complete study (numerical, experimental and analytical) of this new phenomenon, based on a coupling between the spin of the incident photon and the extrinsic orbital momentum of the plasmonic guided modes within the curvature of a waveguide, is presented. The second study propose a way to benefit from the transfer of the angular momentum of light to the free electrons gas in a metal to generate and control the direction and the geometry of nanoscale current loops in metallic structures. this control would at optical frequencies. This work was supported by the LABEX Action.