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Conception et caractérisation de structures sub-longueur d'onde pour l'infrarouge

By Christelle Tuambilangana

Abstract

This work aims at designing infrared optical components based on subwavelength structures. Two different approaches can be followed.Firstly, I studied an indirect optical characterization method suitable for subwavelength structures considered as homogeneous materials : it consists in measuring the intensities diffracted by gratings with periods much larger than the wavelength, the gratings being made of the materials to be characterized. I have implemented this method to determine the complex refractive index of silicon nitride as a validation. Moreover, I have shown that applying this method to artificial nanomaterials would allow to characterize their anisotropy and would permit to evidence the spatial dispersion phenomenon specific of the subwavelength domain, both being very important to understand the optical properties.Secondly, I introduced a matrix formalism to design infrared band-pass filters on substrate. The optical properties of the metal-dielectric subwalength structures considered in that case are due to guided-mode resonances originating from complex interactions between diffracted orders. This formalism allows to model the optical response of these filters ; a symmetry criterion is also formulated. I have finally shown that symmetric filters on substrate can be designed with an optimal optical response valued with respect to the transmission maximum, the quality factor, the angular tolerance and the rejection.Les travaux de cette thèse portent sur la conception de structures sub-longueur d’onde pour l’optique infrarouge. Deux approches se distinguent.En premier lieu, j’ai étudié une méthode indirecte de caractérisation optique applicable à des structures sub-longueur d’onde considérées comme des matériaux homogènes : elle consiste à mesurer par spectroscopie infrarouge les intensités diffractées par des réseaux de période très grande devant la longueur d’onde, et constitués du matériau à caractériser. J’ai mis en œuvre cette méthode dans le but de la valider en déterminant l’indice de réfraction complexe du nitrure de silicium. J’ai également proposé d’appliquer cette méthode à des nanomatériaux artificiels dans le but de caractériser leur anisotropie et de mettre en évidence le phénomène de dispersion spatiale spécifique au domaine sub-longueur d’onde, dont dépendent étroitement les propriétés optiques.Dans un second temps, j’ai introduit un formalisme matriciel pour concevoir des filtres infrarouge passe-bande sur substrat. Dans ce cas, les propriétés optiques des structures sub-longueur d’onde métal-diélectriques étudiées sont dues à des résonances de modes guidés résultant de l’interaction complexe de plusieurs ordres diffractés entre eux. Ce formalisme permet de modéliser la réponse optique des filtres, et de définir un critère de symétrie. J’ai finalement montré qu’il est possible de concevoir des filtres symétriques sur substrat, et par là même d’optimiser leur réponse optique en termes de maximum de transmission, de facteur de qualité, de tolérance angulaire et d’efficacité de réjection

Topics: infrared, Subwavelength, optics, nanomaterials, Resonator, spectral filtering, infrarouge, sub-longueur d’onde, optique, nanomatériaux, résonateur, filtrage spectral, [PHYS.PHYS.PHYS-OPTICS] Physics [physics]/Physics [physics]/Optics [physics.optics], [PHYS.COND.CM-MS] Physics [physics]/Condensed Matter [cond-mat]/Materials Science [cond-mat.mtrl-sci]
Publisher: HAL CCSD
Year: 2015
OAI identifier: oai:HAL:tel-01167910v1
Provided by: Hal-Diderot

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