Étude théorique de particules de Huygens isotropes pour des applications en métasurfaces

Abstract

Les avancées récentes en optique à l'échelle nanométrique ont donné naissance à une nouvelle branche de la nano-photonique visant à manipuler la diffusion de nanoparticules, avec de nombreuses applications potentielles en communication optique, en photovoltaïque, pour le développement de nano-antennes, de capteurs, etc. La réponse de nano-diffuseurs est souvent caractérisée en termes de multipoles électromagnétiques dont les ajustements constituent un moyen efficace pour façonner à souhait les diagrammes de rayonnement de particules. En particulier, des interférences destructives entre multipoles de parité spatiale opposée peuvent être exploitées pour annuler la rétro-diffusion d’objets de petites tailles. Cet effet, théoriquement prédit il y a 30 ans par Milton Kerker, permet aujourd’hui de concevoir des particules sub-longueur d'onde diffusant la lumière uniquement vers l'avant, partageant ainsi les principales caractéristiques des sources théoriques fictives utilisées dans le principe de Huygens-Fresnel. Une fois assemblées en réseau périodique bidimensionnel, ces particules, appelées "sources de Huygens", offrent des opportunités uniques dans le développement de composants optiques plats et ultrafins, appelés "métasurfaces", permettant un contrôle arbitraire de la phase, de l'amplitude et/ou de la polarisation de faisceaux lumineux. Ainsi, au cours des dernières années, les métasurfaces de Huygens ont été très largement explorées comme alternative à l’optique traditionnelle pour la conception de surfaces remplissant les fonctions de lentilles, de déflecteurs de faisceau, de vortex optique, d’hologrammes ou d’absorbeurs parfaits. Ces travaux se sont notamment appuyés sur des sources de Huygens anisotropes pouvant être obtenues par les technologies dites ‘’top-down’’. Contrairement aux approches étudiées jusqu'à présent, cette thèse porte sur l'étude de sources de Huygens isotropes. Nous étudions en particulier des particules homogènes, composites ou de types coeur-coquille pour atteindre le régime de Kerker. Nous démontrons la possibilité de façonner le front d'onde de faisceaux optiques en utilisant des systèmes sphériques constitués d’amas de particules diélectriques. Nous présentons également un formalisme multipolaire pouvant être exploité pour optimiser l'absorption de surface de Huygens. Comme fil conducteur de notre projet, les objets que nous étudions sont adaptés aux technologies ascendantes (dite "bottom-up") et pourraient de manière réaliste être obtenue par synthèse colloïdale et procédés d’auto-assemblage, offrant ainsi une alternative aux métasurfaces classiquement obtenues par lithographie.