Conformal metasurface : synthesis and applications

Les métasurfaces conformes : synthèse et applications L'optique conforme permet de concevoir des dispositifs optiques de nouvelle génération, offrant des avantages tels qu'une haute efficacité de contrôle du front d'onde ainsi que leur l’intégrations dans des systèmes aux géométries complexes. Obtenir un système d'imagerie haute performance avec un facteur de forme compact tel que les écrans de réalité augmentée et virtuelle, les caméras et les microscopes nécessite d'intégrer des dispositifs optiques présentant des degrés de liberté supplémentaires. Les récents développements en optique, notamment les métasurfaces et l'optique de forme libre, permettent d'envisager de nouveaux assemblages optiques plus légers, plus simples et plus compacts. Nous proposons ici une méthode de synthèse inverse de métasurfaces ayant des formes arbitraires. Nos travaux nous conduisent aux expressions des conditions aux limites pour les champs électromagnétiques dites généralisées, appelées "Conformal Generalized Sheet Transition Conditions". Nous modélisons les CGSTC et démontrons la validité de notre technique de modélisation en implémentant un schéma numérique pour les dispositifs optiques tels que les lentilles et les déflecteurs. Pour réaliser nos simulations numériques, nous avons développé un code FDTD tridimensionnelle parallèle. De plus, nous étudions l'effet de la forme de l'interface de la métasurface sur les performances de la lentille. Les résultats numériques montrent que les métalentilles, fonctionnant en régime dit d’Abbe-Sine, présentent des performances de focalisation élevées par rapport à celles des métalentilles planaires. Nos travaux numériques peuvent servir d'outils pour concevoir des méta-optiques de forme libre, et peuvent aider à évaluer et à optimiser la réponse optique des assemblages optiques de forme libre complexes.Nous avons également mis au point certaines techniques de caractérisation pour mesurer expérimentalement les décalages de phase introduits par les métasurfaces. Les valeurs de phase, mesurées expérimentalement à l'aide d'une caméra de phase, sont traitées afin d'en extraire les susceptibilités d'interface. Partant des susceptibilités d'interface mesurées expérimentalement, on calcule les champs transmis au travers des dispositifs méta-optiques à l'aide de méthodes de propagation de faisceaux (type Fourier). Ceci nous permet d'étudier numériquement et en détails les performances des dispositifs optiques. Cette technique pourrait aider à caractériser en laboratoire tous les dispositifs optiques sans avoir besoin d'outils complexes ou de dispositifs adaptés à chaque composant, permettant ainsi d'importantes économies de ressources.Nous avons également développé un modèle électrodynamique vectoriel complet qui nous permet d'étudier l'interaction lumière-métasurface. Dans cette méthode, nous nous appuyons sur une approche similaire à celle utilisée en physique de l'état solide pour obtenir les susceptibilités à partir de la géométrie et de l'organisation du réseau de nano-antennes. La fonction de distribution analytique des susceptibilités est calculée à partir du design de la métasurface. Nous montrons qu’un faisceau transmis est influencé à la fois par les phases dite de Pancharatnam-Berry (PB) et de propagation. Nous montrons que la phase de PB, dite phase géométrique, n'apparait que lors des processus de conversion de polarisation. Les propriétés diffractives des métasurfaces à gradient de phase topologique sont analysées en profondeur via les dérivations analytiques, et les résultats sont vérifiés par des mesures optiques. On illustre à l’aide de ce formalisme la coexistence du gradient de phase nul et non nul conduisant à la loi de Snell ordinaire et généralisée.