Static and reconfigurable metasurfaces for advanced optical wavefront control

Métasurfaces statiques et reconfigurables pour contrôle avancé de fronts d'ondes Ce manuscrit retrace l'évolution du façonnage de la lumière, depuis les premiers instruments optiques jusqu'aux technologies nanophotoniques contemporaines, et explore comment les métasurfaces peuvent devenir des plateformes de contrôle de la lumière à la fois compactes, efficaces et reconfigurables. Les métasurfaces concentrent la manipulation de la phase, de l'amplitude et de la polarisation dans des interfaces sublongueur d'onde, offrant ainsi une densité exceptionnelle de degrés de liberté pour la mise en forme des ondes lumineuses. Si les dispositifs statiques ont déjà démontré des performances remarquables, leur absence de reconfigurabilité limite leur intégration dans des systèmes optiques dynamiques. Dans un premier temps, le manuscrit démontre l'intérêt des métasurfaces statiques à travers le développement d'un système LiDAR entièrement à semi-conducteurs combinant un déflecteur acousto-optique et une métasurface à indice effectif. Ce dispositif réalise un balayage à accès aléatoire de plus de deux millions de points par seconde sur un champ de 150° × 150°, avec des modes de fonctionnement flexibles et une amélioration du rapport signal/bruit grâce à une technique d'encodage temporel inspirée des télécommunications. Ces résultats montrent que les métasurfaces peuvent à la fois simplifier les architectures optiques et introduire de nouvelles capacités de perception, tout en soulignant la nécessité d'une plus grande évolutivité et d'une réduction des coûts pour des applications industrielles. La deuxième partie présente une métasurface reconfigurable basée sur les cristaux liquides. L'approche repose non plus sur la modulation résonante, mais sur la phase de propagation, permettant une commande de phase continue, large bande et à faibles pertes. Le dispositif exploite des électrodes transparentes à fort rapport d'aspect, polarisées latéralement et disposées à un pas sublongueur d'onde, afin de décorréler l'épaisseur optique de la distance d'électrode. Les modélisations électromagnétiques et de milieu continu prédisent une modulation de phase de 2π avec transmission élevée et une vitesse de commutation deux ordres de grandeur plus rapide que les modulateurs LCoS classiques. Ces résultats ouvrent la voie à des modulateurs planaires bidimensionnels, compatibles avec les procédés CMOS et potentiellement intégrables à grande échelle. Enfin, la thèse identifie deux domaines d'impact majeurs : le pilotage de faisceaux pour les systèmes LiDAR et le calcul optique. Dans le premier, les métasurfaces reconfigurables permettent des stratégies de balayage hybrides, alliant flexibilité du champ de vision et rapidité d'accès aléatoire. Dans le second, elles constituent une voie prometteuse pour contourner les limites énergétiques de l'électronique conventionnelle, en exploitant la propagation optique comme support de calcul parallèle. Ainsi, cette recherche positionne les métasurfaces reconfigurables comme une technologie clé pour la détection tridimensionnelle et le calcul photonique économe en énergie.