Soutenance de thèse de Jules BILLUART

Ecole Doctorale
Physique et Sciences de la Matière
Spécialité
PHYSIQUE & SCIENCES DE LA MATIERE - Spécialité : OPTIQUE, PHOTONIQUE ET TRAITEMENT D'IMAGE
établissement
Aix-Marseille Université
Mots Clés
Métasurfaces,Composant diffractif,Système d'imagerie,imagerie hyperspectrale,
Keywords
Flat optics,Metalens,Artificial dielectrics,Hyperspectral imaging,
Titre de thèse
Conception d’optiques planes multifonctionnelles par structuration sub longueurd’onde
Multifunctional flat optics conception by sub-wavelength structuration
Date
Lundi 25 Octobre 2021 à 14:00
Adresse
1 Av. Augustin Fresnel 91120 Palaiseau
Amphithéâtre principal
Jury
Directeur de these M. Claude AMRA Aix Marseille Université
Rapporteur M. Patrice GENEVET CHREA
Rapporteur M. Ronan SAULEAU IETR
CoDirecteur de these M. Michel LEQUIME Institut Fresnel
Examinateur Mme Isabelle SAGNES C2N
Examinateur M. Frédéric ZAMKOTSIAN LAM
Examinateur Mme Charlotte PACHOT ESA
Examinateur M. Sébastien HéRON Thales Research & Technology

Résumé de la thèse

Les optiques planes structurées à l'échelle de la longueur d'onde sont des composants artificiels également connus sous le nom de textit{métasurfaces optiques}. Les propriétés électromagnétiques de ces surfaces sont régies par de multiples interactions entre un front d'onde incident et la matière structurée à l'échelle de sa longueur d'onde. Elles permettent de réaliser des fonctions optiques originales, et concourent à miniaturiser des systèmes d'imagerie traditionnels basés sur des mécanismes de réflexion, de réfraction et de diffraction de la lumière. Dans ce manuscrit, on s'intéresse spécifiquement au potentiel de forte intégration de métasurfaces optiques dans un système d'imagerie spectrale compatible avec des applications satellite. Explorer ce potentiel d'intégration nécessite de comprendre les interactions électromagnétiques à l'échelle de la longueur d'onde, et de les exploiter pour concevoir des systèmes imagerie spécifiés par des critères de performances tels que la densité de flux, le rapport de Strehl, la réponse impulsionnelle ou encore la fonction de transfert optique du système. À cet égard, ce manuscrit présente une méthodologie de conception optique, permettant d'estimer les propriétés radiométriques d'une métasurface et sa réponse impulsionnelle à partir de l'effet local d'objets nanostructurés sur un front d’onde incident. Cette méthodologie de conception est utilisée pour concevoir un système d'imagerie hyperspectral à base de métasurfaces, dont une réalisation expérimentale simplifiée est proposée avec la séparation de deux longueurs d'onde. Pour aller plus loin, l'utilisation d'un algorithme d'optimisation est présentée et permet d'augmenter la valeur des pics d'intensités aux deux points focaux considérés en modifiant la position et les paramètres géométriques d'un ensemble de nano-éléments.

Thesis resume

Optical metasurfaces are sub-wavelength engineered components achieving wavefront shaping in an artificial way. The electromagnetic properties of these surfaces are governed by complex interactions between an incident wavefront and sub-wavelength engineered materials. Such properties enable the design of non-conventional optical functions, paving the way to imaging system miniaturization traditionally based on reflexion, refraction and diffraction mechanisms. This thesis manuscript deals with the integration of optical metasurfaces into a hyperspectral embedded imaging system. To achieve it, electromagnetic interactions at the wavelength scale must be understood in order to design imaging systems characterized by performance criteria such as flux density, Strehl ratio, point spread function or modulation transfert function. Thus, this manuscript details a design methodology to estimate radiometric properties of a metasurface as well as its point spread function from the local effect of nanostructured materials on an incident wavefront. This methodology is illustrated to design a hyperspectral imaging system, from which a simplified version has been fabricated and characterized considering two wavelengths. To go further, the use of an optimization algorithms is presented, which increases the pic intensity values at both focal points by changing the position and geometrical parameters of a set of nano-elements. Optical metasurfaces are sub-wavelength engineered components achieving wavefront shaping in an artificial way. The electromagnetic properties of these surfaces are governed by complex interactions between an incident wavefront and sub-wavelength engineered materials.