Couplages électromagnétiques et thermiques pour la nanophotonique haute température

En exploitant les résonances de structures sub-longueur d'onde disposées sur une surface, il est possible de contrôler la manière dont elle absorbe un rayonnement électromagnétique selon la fréquence, l'angle et la polarisation du champ incident. Cette absorption se traduit par l'élévation de la température locale du dispositif. Pour un système chaud, ces nanostructures affectent de la même manière le rayonnement thermique de la surface qui émet alors un flux lumineux dont on contrôle le spectre ainsi que les distributions angulaires et spatiales. Cette maîtrise bilatérale du couplage entre chaleur et lumière à l'échelle sub-longueur d'onde offre alors des perspectives dans de nombreux champs applicatifs tels que l'optimisation de flux thermiques, l'exploitation de l'énergie solaire, la conversion de fréquence ou encore la réalisation de sources infrarouges et visibles énergétiquement efficientes.Par ailleurs, ces applications nécessitent souvent des températures de fonctionnement élevées, dépassant facilement plusieurs centaines de degrés Celsius. Or, les matériaux qui composent les résonateurs en question voient leurs propriétés optiques et mécaniques considérablement varier avec la température. Concevoir et comprendre le fonctionnement d'un système nanophotonique à haute température nécessite alors une compréhension fine des couplages entre lumière et chaleur au sein des résonateurs qui le composent. Ce besoin fait apparaître trois enjeux principaux qui constituent les principaux axes de recherche explorés au cours de ma thèse.Tout d'abord, l'étude de la dépendance en température des propriétés optiques des matériaux utilisés dans ces résonateurs. J'ai pour cela élaboré une méthode de caractérisation par ellipsométrie infrarouge de la dépendance en température de l'indice optique que j'ai ensuite appliquée à l'étude de matériaux réfractaires pertinents pour les applications visées. Ensuite, la caractérisation et la modélisation des dispositifs photoniques complets en situation de fonctionnement. Cela se traduit dans le manuscrit par la construction d'un banc de caractérisation du rayonnement thermique émit par un dispositif ainsi que par la conception de méthodes de modélisations couplées électromagnétique-thermiques. Enfin, la compréhension fine des mécanismes de couplages à l'œuvre au sein des résonateurs dans l'optique d'améliorer les performances finales des dispositifs. Je dérive ainsi une architecture particulière de nanorésonateurs à pertes dissipatives contrôlées pouvant notamment s'appliquer à des sources thermiques efficaces dont l'émission est très fine spectralement.Deux dispositifs applicatifs se retrouvent en filigrane de ce manuscrit. Le premier est une source infrarouge thermique dont on contrôle finement le spectre d'émission et qui peut notamment s'appliquer à la détection de molécules gazeuses. La seconde consiste en une membrane de conversion d'un rayonnement térahertz vers un rayonnement infrarouge, le but final étant de proposer une solution d'imagerie térahertz efficace et peu coûteuse. Cette technologie vise des applications dans des domaines variés allant du médical à la sécurité en passant la restauration du patrimoine culturel et historique.