Dispositifs complexes couplant nanophotonique et nanothermique

Complex devices coupling nanophotonics and nano heat transfers

• Auteur / Autrice : Philippe Clouet
• Direction : Patrick Bouchon
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Physique
• Date : Inscription en doctorat le 30/09/2024
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ondes et Matière
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : ONERA/DOTA - Département Optique et Techniques Associées
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Faculté des sciences d'Orsay

Mots clés

Mots clés libres

Métasurfaces

Multi-physique

Méta-optique

Émissivité

Emissivity

Metaoptics

Multiphysics

Metasurfaces

Résumé

La structuration de la matière à l'échelle sub-longueur d'onde a conduit à de nombreux effets surprenants tant en optique que dans les domaines acoustique ou thermique et au domaine des métamatériaux. Dans de nombreuses applications, il faut prendre en compte les propriétés des objets et en particulier les nanostructures dans différents domaines spectraux mais aussi physiques. Pour des applications comme le refroidissement radiatif, le camouflage infrarouge ou la conception de méta-optiques, l'obtention de propriétés optiques originales nécessite l'utilisation d'objets possiblement composés de quelques dizaines à milliers de nanostructures, ce qui pose des défis importants de modélisation, optimisation, fabrication et caractérisation. De plus les échanges thermiques à petites échelles ainsi que le couplage optique/thermique dans l'infrarouge créent de nouvelles possibilités mais nécessite une modélisation fine. Le cadre général de cette thèse est d'étudier les différentes stratégies de modélisation et d'optimisation multi-physique de tels dispositifs avec 3 directions privilégiées (software électromagnétique, algorithme d'optimisation topologique et architecture hardware CPU-GPU), en se basant sur les outils déjà développés dans notre équipe ainsi que les outils de modélisation commerciaux. Ces approches seront appliquées à deux scénarios applicatifs : d'une part la conception de composant de type méta-optique (métalentille, routeur de photons) dans le domaine infrarouge, et d'autre part le contrôle de la signature infrarouge de métasurface. La thèse ira jusqu'à la démonstration expérimentale des fonctionnalités de ces objets (fabrication des échantillons dans le cadre du partenariat entre le DOTA et le C2N et caractérisation dans les laboratoires de l'Onera). Ainsi nous proposons d'adresser plusieurs applications avec une gradation en termes de complexité. La première étape sera d'étudier les méta-optiques, exploitant un ensemble de nano-antennes dont l'optimisation en forme permet de garantir la fonction choisie. Dans un second temps, nous introduirons le couplage optique-thermique avec une application au camouflage infrarouge. Le travail proposé vise la conception de composants optiques innovants et compacts. Le positionnement de ces travaux dans le domaine infrarouge (MWIR 3-5µm ou LWIR 8-12µm) a naturellement des applications pour la Défense ou pour les applications industrielles.

The structuring of matter at the sub-wavelength scale has led to a number of surprising effects in optics, acoustics, thermics and metamaterials. In many applications, the properties of objects, and in particular nanostructures, need to be taken into account in different spectral as well as physical domains. For applications such as radiative cooling, infrared camouflage or the design of meta-optics, obtaining original optical properties requires the use of objects possibly composed of several tens to thousands of nanostructures, which poses major challenges in terms of modelling, optimisation, fabrication and characterisation. In addition, small-scale heat exchange and optical/thermal coupling in the infrared create new possibilities, but require detailed modelling. The general framework of this thesis is to study the different strategies for modelling and multi-physics optimisation of such devices with 3 main directions (electromagnetic software, topological optimisation algorithm and CPU-GPU hardware architecture), based on the tools already developed in our team as well as commercial modelling tools.These approaches will be applied to two application scenarios: firstly, the design of meta-optical components (metal lens, photon router) in the infrared range, and secondly, the control of the infrared signature of metasurfaces. The thesis will go as far as the experimental demonstration of the functionalities of these objects (fabrication of samples as part of the partnership between DOTA and C2N and characterisation in Onera's laboratories). We therefore propose to address several applications with a gradation in terms of complexity. The first stage will be to study meta-optics, using a set of nano-antennas whose optimisation in shape enables the chosen function to be guaranteed. In the second stage, we will introduce optical-thermal coupling with an application to infrared camouflage. The aim of the proposed work is to design innovative and compact optical components. The positioning of this work in the infrared range (MWIR 3-5µm or LWIR 8-12µm) naturally has applications for defence or industrial applications.