Métasurfaces pour brouilleurs de polarisation

par Edith Hartmann

Projet de thèse en PHYSIQUE & SCIENCES DE LA MATIERE - Spécialité : OPTIQUE, PHOTONIQUE ET TRAITEMENT D'IMAGE

Sous la direction de Myriam Zerrad et de Michel Lequime.

Thèses en préparation à Aix-Marseille , dans le cadre de Ecole Doctorale Physique et Sciences de la Matière (Marseille) , en partenariat avec Institut FRESNEL - Sciences et Technologies de l'Optique, l'Electromagnétisme, et l'Image (laboratoire) depuis le 01-11-2023 .


  • Résumé

    Pour de nombreuses applications, les flux optiques collectés sont analysés par des détecteurs embarqués. Ces flux sont collectés après diffusion ou réflexion par l'environnement, qui polarise partiellement la lumière. Or, cette lumière partiellement polarisée influence les grandeurs mesurées, il est donc nécessaire de pouvoir dépolariser cette lumière avant qu'elle ne soit mesurée, sans perte d'énergie ou d'information. Différents types de dépolariseurs sont déjà utilisés mais aucune solution n'est à ce jour optimale. Les compensateurs de Babinet et les brouilleurs temporels sont parmi les plus répandus car ils sont efficaces en termes de rapport de dépolarisation, mais ils présentent des inconvénients importants à la mise en œuvre (division du faisceau en 2 ou 4, génération de mouvements, etc.) Dans ce contexte, l'Institut Fresnel travaille avec le CNES sur le développement de technologies innovantes pour les brouilleurs de polarisation depuis plusieurs années. Les premiers travaux ont mis en évidence l'intérêt d'étendre aux faisceaux spéculaires le principe de dépolarisation spatiale découvert avec l'analyse de speckle. Dans un premier temps, le principe a été démontré théoriquement avec succès et les conditions générales pour la conception d'un dispositif de dépolarisation "parfait" ont été définies. Le point clé étant le contrôle des variations spectrales et spatiales des phases polarimétriques du faisceau spéculaire. Ensuite, la fiabilité des modèles a été confirmée par la réalisation de prototypes fabriqués avec des revêtements multicouches et gradients d'épaisseurs. La métrologie correspondante a été développée avec la mesure des variations spectrales du degré de polarisation dans le domaine visible. Les résultats expérimentaux sont en parfaite adéquation avec le design pour les degrés de polarisation faibles (1%) et élevés (98%). Cela confirme l'analyse théorique. Mais depuis quelques années (2014), un tout nouveau concept est apparu, celui de métasurface, qui permet de manipuler localement les propriétés d'une onde lumineuse, et en particulier son état de polarisation. Il nous a donc semblé utile de compléter les études précédentes par une analyse de l'apport de cette nouvelle technologie à la réalisation de brouilleurs de polarisation pour des applications spatiales. C'est l'objet de ce projet de thèse. Rappelons qu'une métasurface est généralement constituée d'un réseau quasi-planaire d'antennes et/ou de résonateurs diélectriques de taille et d'espacement inférieurs à la longueur d'onde, permettant une manipulation locale des propriétés de l'onde lumineuse, en termes de phase, d'amplitude, de chromatisme, mais aussi de polarisation. La manipulation de cet état de polarisation peut être réalisée en utilisant soit un réseau d'antennes dont les paramètres géométriques varient dans l'espace, soit des diffuseurs sub-lambda anisotropes dont les paramètres géométriques sont identiques mais dont l'orientation varie dans l'espace. Dans ce dernier cas, les changements d'état de polarisation sont associés à la phase dite géométrique (ou Pancharatnam-Berry). Très récemment, en parallèle de ces approches locales, nous avons également vu l'émergence de nouvelles approches, dites non-locales, où les interactions entre les nano-éléments adjacents rendent possible l'apparition de modes collectifs avec une forte sélectivité spatiale ou spectrale. Notons que l'approche locale a déjà été mise en œuvre avec succès pour la conception et la fabrication de spectro-imageurs planaires. Le programme de travail de la thèse proposée serait le suivant : - Etat de l'art des métasurfaces pour la manipulation de l'état de polarisation d'une onde lumineuse polychromatique - Développement d'un code numérique adapté à la modélisation de ces structures - Conception et optimisation de métasurfaces assurant le brouillage le plus efficace de l'état de polarisation d'une onde lumineuse polychromatique - Réalisation d'un démonstrateur (en partenariat avec RENATECH, le réseau français d'équipements de pointe dans le domaine des micro & nanotechnologies coordonné par le CNRS) - Caractérisation du démonstrateur - Comparaison avec les performances disponibles pour une structure multicouche avec gradient d'épaisseur

  • Titre traduit

    Metasurfaces for polarization scramblers


  • Résumé

    For many applications, on‐board detectors analyze collected optical flows. These fluxes are collected after scattering or reflection by the environment, which partially polarizes the light. However, this partial polarization light influences the quantities measured, it is therefore necessary to be able to depolarize this light before it is measured without losing energy or information. Different types of depolarizers are already used but no solution is so far optimal. Babinet depolarizers and temporal scramblers are among the most widespread because they are efficient in terms of depolarizing ratio but they have significant drawbacks at implementation (division of the beam into 2 or 4, generation of movements, etc.). In this context, the Institut Fresnel works with the CNES on the development of innovative technologies for polarization scramblers since several years. First works have highlighted the interest of extending the principle of spatial depolarization discovered with speckle analysis to the specular beams. In a first step, the principle has been theoretically demonstrated with success and the general conditions for the design of a “perfect” depolarizing device have been defined. The key point is the control of the spectral and spatial variations of the polarimetric phases within the specular beam. Then, the reliability of the models has been confirmed by the realization of prototypes manufactured with multilayer coatings with thicknesses gradients. The corresponding metrology have been developed with the measurement of the spectral variations of the degree of polarization on the visible range. Experimental results are in perfect accordance with the design for low (1%) as well as high (98%) degree of polarization. This confirms the theoretical analysis. But since a few years (2014), an entirely new concept has appeared, that of metasurface, which makes possible a local manipulation of the properties of a light wave, and in particular of its polarization state. It seemed to us that it could be useful to complete the previous studies by an analysis of the contribution of this new technology to the realization of polarization scramblers for space applications. This is the subject of the present thesis proposal. We recall that a metasurface is generally constituted by a quasi‐planar array of antennas and/or dielectric resonators of sub‐wavelength size and spacing, allowing a local engineering of the properties of a light wave, in terms of phase, amplitude, chromatism, but also polarization. The manipulation of this polarization state can be achieved by using either an antenna array with spatially varying geometrical parameters, or anisotropic subwavelength scatterers with identical geometrical parameters but spatially varying orientations. In the latter case, the polarization state changes are associated with the so‐called geometrical (or Pancharatnam‐Berry) phase. Moreover, very recently, next to these local approaches, we have also seen the emergence of new approaches, called non‐local, where the interactions between adjacent nano‐elements make possible the appearance of collective modes with a strong spatial or spectral selectivity. Note that the local approach has already been successfully implemented for the design and fabrication of planar spectro imaging functions. The work program of the proposed thesis would be as follows: -State of the Art of metasurfaces to the manipulation of the polarization state of a polychromatic light wave -Development of a numeric code adapted to the modeling of these structures -Design and optimization of metasurfaces ensuring the most efficient scrambling of the polarization state of a polychromatic light wave  Realization of a demonstrator (in partnership with RENATECH, the French network of high‐end facilities in the field of micro & nanotechnology coordinated by CNRS) -Characterization of the demonstrator -Comparison with the performances available for a multilayer structure with thickness gradient