Optical cooling achieved by tuning thermal radiation

International audienceRadiative heat normally flows from hot to cold bodies. Inverting the direction of heat is possible by tuning the chemical potential of light in a photodiode. This provides a new way for solid-state refrigeration. Radiative heat transfer is interesting for applications requiring contactless cooling. It is generally taken for granted that two macroscopic bodies at different temperatures will transfer heat with a flux directed from hot to cold. When the distance between the bodies is larger than the dominant thermal wavelength (around 10 µm at room temperature) the upper limit of this flux coincides with the fundamental blackbody limit given by Stefan-Boltzmann's law. On page 000 of this issue, Zhu et al. (1) show that a photodiode is able to cool a yet colder calorimeter located in the near-field, that is at a distance well below the thermal wavelength. To obtain the desired cooling effect, the photodiode, which is a directional device, must be operated in reverse voltage. The demonstration of radiative cooling using incoherent thermal light with an active device is potentially as impactful as thermoelectricity for applications in the fields of cooling and heat management. Optical refrigeration of solids had so far only been achieved with coherent laser light, using blue-shifted fluorescence from a solid state sample to lower the thermal energy of lattice vibrations, called phonons (2). In a way similar to what was initially invented to produce ultra-cold atoms and ions, photons from a monochromatic laser source are absorbed slightl

Nanotechnologies pour la bolométrie infrarouge

Les travaux de cette thèse ont porté sur les micro-bolomètres (détecteurs infrarouges non refroidis) qui fonctionnent selon le principe suivant : le rayonnement infrarouge incident provoque l échauffement d une membrane suspendue dont la résistivité électrique dépend de la température. Deux voies ont été explorées pour les améliorer, grâce aux nanotechnologies. D une part, les propriétés optiques et électroniques (transport et bruit) des films de nanotube de carbone ont été étudiées afin d évaluer le potentiel de ce nouveau matériau comme thermistor. Pour ce faire des procédés technologiques en salle blanche, des caractérisations et des modèles théoriques ont été mis au point. Après avoir obtenu les figures de mérite adaptées, cette étude a conclu au manque de potentiel de ce matériau pour une application aux micro-bolomètres. D autre part, nous avons étudié des résonateurs sub-longueur d onde basés sur des cavités métal-isolant-métal permettant d obtenir des absorbants totaux, et omnidirectionnels. Un modèle analytique permettant de les décrire et de les concevoir rapidement a été mis au point. La combinaison de ces résonateurs à l échelle sub-longueur d onde a permis de mettre en évidence un phénomène de tri de photon et la possibilité de concevoir des absorbants large bande. Nous avons ainsi proposé (et breveté) l utilisation de ces antennes comme absorbants pour les micro-bolomètres. En effet leur capacité à focaliser le champ dans des volumes sub-longueur d onde permet d introduire une rupture conceptuelle pour la conception de bolomètres à hautes performances.This work was focused on bolometers (uncooled infrared sensors), which are based on the following principle: the incoming infrared radiation is absorbed by a self-standing membrane whose resistivity depends on temperature. In order to improve their design and performances, we explored two solutions based on nanotechnologies. On the one hand, optical and electronic (transport and noise) properties of carbon nanotube films have been investigated in order to evaluate the potential of this new material as a thermistor. Clean room processes, characterization benches and theoretical models have been developed. The obtained figures of merit allow to concluding on the lack of potential for applications in uncooled infrared sensors. On the second hand, subwavelength resonators based on metal-insulator-metal cavities, have been investigated and exhibit perfect, tunable and omni-directional absorption. An analytical model allowing a fast study and design of these resonators has been developed. Photon sorting and wideband absorption have been demonstrated thanks to the combination of these resonators at the sub-wavelength scale. We have thus proposed (and patented) the use of such antennas as micro-bolometer s absorber. Indeed their capacity to focalize the incoming radiation at a subwavelength scale paves the way to the conception of high performance micro-bolometers.PARIS11-SCD-Bib. électronique (914719901) / SudocSudocFranceF

Optical extinction in a single layer of nanorods

We demonstrate that almost 100 % of incident photons can interact with a monolayer of scatterers in a symmetrical environment. Nearly-perfect optical extinction through free-standing transparent nanorod arrays has been measured. The sharp spectral opacity window, in the form of a characteristic Fano resonance, arises from the coherent multiple scattering in the array. In addition, we show that nanorods made of absorbing material exhibit a 25-fold absorption enhancement per unit volume compared to unstructured thin film. These results open new perspectives for light management in high-Q, low volume dielectric nanostructures, with potential applications in optical systems, spectroscopy, and optomechanics

Compact infrared pinhole fisheye for wide field applications

International audienceThe performances of a compact infrared optical system using advanced pinhole optics for wide field applications are given. This concept is adapted from the classical Tisse design in order to fit with infrared issues. Despite a low light gathering efficiency and a low resolution in comparison with classical lenses, pinhole imagery provides a long depth of field and a wide angular field of view. Moreover, by using a simple lens that compresses the field of view, the angular acceptance of this pinhole camera can be drastically widened to a value around 180{\textdegree}. This infrared compact system is named pinhole fisheye since it is based on the field lens of a classical fisheye system

MTF measurements of a type-II superlattice infrared focal plane array sealed in a cryocooler

International audienceIn operational electro-optical systems, infrared focal plane arrays (IR FPA) are integrated in cryocoolers which induce vibrations that may strongly affect their modulation transfer function (MTF). In this paper, we present the MTF measurement of an IR FPA sealed in its cryocooler. The method we use to measure the MTF decorrelates operational constraints and the technological limitations of the IR FPA. The bench is based on the diffraction properties of a continuously self imaging grating (CSIG). The 26 µm pixel size extracted from the MTF measurement is in good agreement with the expected value

Chandrashekhara Venkata Râman

Physicien indien, lauréat du prix Nobel de physique en 1930, Sir Chandrashekhara Venkata Râman a découvert et expliqué la diffusion optique inélastique, un effet qui porte désormais son nom

Nouveaux scenarii de quasi-accord de phase dans les semiconducteurs isotropes

Les sources émettant dans la région du moyen infrarouge revêtent un grand intérêt environnemental et écologique. Les semiconducteurs de la branche électronique, tels que le séléniure de zinc ou l'arseniure de gallium, sont d'excellents candidats pour la conversion d'un rayonnement optique du proche vers le moyen infrarouge. Ces matériaux sont cependant isotropes, et seule la technique du quasi-accord de phase permet de réaliser une conversion efficace. Ce travail concerne le quasi-accord de phase par réflexion. Lés conditions d'accord de phase sont obtenues par biréfringence de Fresnel en réflexion interne totale. Il est montre que cette technique est analogue dans son principe à celle de l'accord de phase par biréfringence naturelle: on parle donc d'accord de phase de Fresnel. Deux situations schématiques sont analysées. La première est celle du quasi-accord de phase résonnant classique: le modèle théorique que nous avons développé prédit correctement les observations expérimentales. La seconde est une particularité de l'accord de Fresnel: il s'agit du quasi-accord de phase non résonnant, qui permet d'alléger considérablement les conditions d'accord de phase et autorise une grande accordabilité spectrale. L'influence de facteurs limitants est également quantifiée. Ainsi, le décalage de Goos-Hänchen rappelle, par ses effets, le walk-off classique. Ceci limite en fait les dimensions de la plaque. Cependant, le facteur le plus sévèrement limitant s'avère être la rugosité de surface: en effet, ce paramètre suffit seul à quantifier l'efficacité de toute la structure. Des calculs du seuil d'oscillation paramétrique optique sont développés sur la base de la formule de Brosnan et Byer. La fluorescence paramétrique a été observée dans une plaque en accord de Fresnel. Les premières estimations du seuil d'oscillation sont prometteuses.Mid-infrared tunable sources are becoming of considerable interest for applications in environmental monitoring. Semiconductors of the technological mainstream (such as gallium arsenide or zinc selenide) are excellent candidates for optical conversion of near-infrared waves into the mid-infrared range. However, these materials are isotropic, so that quasiphase-matching scenarios are needed to get an efficient conversion. Reflection quasiphase-matching techniques are studied here. We make use of the Fresnel birefringence at total internal reflection to reach the phase-matching conditions in a plane parallel plate. It is shown that this technique is very similar in its principle to the natural birefringence phase-matching : we thus call it Fresnel phase-matching. Two schematic situations are explored. First, a model of classical resonant quasi-phase matching scenario is presented; the agreement between theoretical predictions and experimental results is convincing. Second, the Fresnel birefringence allows a new non-resonant quasiphase-matching scenario: this appears to greatly alleviates the phase-matching conditions and provides a high tenability. The impact of restricting factors is also quantified. So, the Goos-Hänchen shift is similar, in terms of conversion yield, to the classical walk-off. This actually limits the dimensions of the plate. However, the most inhibiting parameter appears to be the surface roughness : indeed, this sole factor is enough to determine the conversion efficiency of the whole structure. Optical parametric oscillation threshold calculations based on the Brosnan and Byer formula are finally presented. Parametric fluorescence is measured in a Fresnel phase-matched plate. The first estimations of the oscillation threshold are promising.ORSAY-PARIS 11-BU Sciences (914712101) / SudocSudocFranceF

Concepts 2D et 3D de résonateurs sub-longueur d'onde pour application à la photodétection

Les travaux de cette thèse ont porté sur les photodétecteurs quantiques pour le proche infrarouge. Pour améliorer les performances de ces détecteurs (propriétés spectrales et sensibilité au bruit thermique), nous avons étudié des concepts originaux intégrant des nanorésonateurs 2D et 3D. Dans un premier temps, afin de faciliter l'analyse numérique de ces structures, nous avons développé un nouveau code de simulation spécifique aux résonateurs 3D, basé sur la technique d'intégration finie. Les matrices associées aux équations sont creuses, ce qui permet d'avoir recours à des algorithmes spécifiques pour accélérer les calculs. Dans un deuxième temps, nous avons proposé deux concepts de photodétecteurs : 1. Nous avons étudié un concept de photodétecteur non refroidi, basé sur la détection à 2 photons dans de l'arséniure de gallium. Ce matériau semiconducteur n'absorbe pas de photons individuels de longueur d'onde supérieure à 900 nm ; en revanche des effets non linéaires permettent l'absorption des photons par paire, avec toutefois une probabilité très faible. L'intégration de cavités résonantes nanostructurées dans ces détecteurs permet un gain sur cette absorption de plusieurs ordres de grandeur, en confinant le rayonnement dans un faible volume de semiconducteur. Cela a pu être démontré numériquement et expérimentalement, avec la fabrication et la caractérisation d'un démonstrateur. 2. En parallèle, nous avons travaillé sur la réduction du bruit dans des photodétecteurs à base d'arséniure d'indium gallium. Dans ces détecteurs, le bruit est lié essentiellement au courant d'obscurité du détecteur, et peut être réduit en diminuant le volume de semiconducteur. Là encore, nous avons cherché à compenser l'absorption plus faible du rayonnement à l'aide de cavités résonantes nanostructurées. Celles-ci induisent notamment une localisation importante de la génération des photoporteurs dans le semiconducteur. Ce concept a fait l'objet d'un dépôt de brevet.This work was focused on quantum detectors in the short wave infrared (SWIR). We aimed at improving the performance of these devices (spectral properties & noise sensitivity) by exploring original concepts of detectors integrating 2D or 3D nano-resonators. In order to facilitate the numerical analysis of these structures, we developed at first a new method for modelling 3D resonators, based on the Finite Integration Technique (FIT). The matrices in the modal equations are highly sparse, which enables the use of specific algorithms for faster calculation. After that, we studied two separate designs of photodetecting devices : 1. We investigated the performance of an uncooled photodetector, based on two-photon absorption (TPA) in a gallium arsenide layer. Single photons are not absorbed in the semiconductor above 900 nm, but non-linear effects enable the simultaneous absorption of photon pairs ; however, they also have a low efficiency. In our design, the semiconductor material was introduced inside a nanostructured resonant cavity. We evidenced both numerically and experimentally an increase of the TPA inside the cavity by several orders of magnitude, due to strong field enhancement. 2. In a similar approach, we worked on reducing the noise level in indium gallium arsenide photodetectors. At present, the main contributor to this noise is the dark current due to generation-recombination processes, which can be decreased by reducing the semiconductor volume. To prevent the absorption from decreasing also, we designed nanostructured cavities enabling light trapping inside the semiconductor layer. In some cases, the resonances lead to the generation of photocarriers being highly localised, an interesting concept for noise reduction which has been patented.PALAISEAU-Polytechnique (914772301) / SudocSudocFranceF