Métasurfaces incandescentes ultra rapides pour une émission spectralement sélective dans le moyen infrarouge avec un état de polarisation contrôlé - PASTEL - Thèses en ligne de ParisTech Access content directly
Theses Year : 2022

Metasurface-based ultra fast incandescent sources for spectrally selective emission in the midwave infrared with controlled polarization state

Métasurfaces incandescentes ultra rapides pour une émission spectralement sélective dans le moyen infrarouge avec un état de polarisation contrôlé

Anne Nguyen
  • Function : Author
  • PersonId : 1244788
  • IdRef : 267886888

Abstract

The midwave infrared (MWIR) is a spectral range of high interest for many applications. However, their development is hindered by the lack of cheap, compact, efficient and robust sources. Incandescence is an interesting solution satisfying most aforementioned economic constraints. Yet, when it comes to physical properties of the emitted light, it suffers from severe drawbacks with a broadband, unpolarized and isotropic emission. Besides, thermal emitters are often bulky, therefore limited by thermal inertia. In fact, these limitations are not fundamental ones and can be overcome by engineering thermal emission using the latest tools developed in the fields of nanophotonics and nanofabrication. In this thesis, we design, optimize, fabricate and characterize several incandescent sources allowing for emission in the MWIR with a controlled polarization and emission spectrum, and sustaining modulation of the signal well beyond the kHz range. In a first part, we present a source optimized to have a narrowband emission spectrum around 5 microns with a high degree of linear polarization. Fast modulation of the emitted signal is controlled by the temperature of thin emitters which can cool down through conduction to a colder substrate. Control over the emissivity spectrum is obtained by using a Salisbury screen resonator and choice over the polarization state is achieved by using a metasurface consisting of metallic wires. We also study the efficiency of such temperature modulation-based sources and determine the relative importance of free parameters such as total emitting area or modulation type. In a second part, we propose a source optimized to emit in the MWIR with a high degree of circular polarization, in addition to sustaining fast modulation. It uses the same architecture as the first proposed source, benefiting from the same advantages in terms of modulation and tunability of the emissivity spectrum. Control over the polarization state is obtained by using nanoresonators having a different coupling to left or right circularly polarized light in the far-field. Experimental characterization of the polarization state is achieved through the development of a novel efficient Stokes polarimeter operating in the MWIR.
Le moyen infrarouge (MIR) est un domaine spectral central pour de nombreuses applications. Cependant, leur développement est limité par l'absence de sources bon marché, compactes, efficaces et robustes. L'incandescence est une solution répondant à la plupart de ces critères économiques. Les propriétés du rayonnement émis sont toutefois peu intéressantes, l'émission étant à large spectre, non polarisée et isotrope. Les sources thermiques sont également souvent volumineuses et par conséquent lentes car limitées par leur inertie thermique. Ces défauts peuvent être contournés avec l'aide d'outils récemment développés en nanophotonique et nanofabrication. Dans cette thèse, nous concevons, optimisons, fabriquons et caractérisons plusieurs sources incandescentes permettant d'obtenir un rayonnement dans la bande II du MIR avec un spectre et un état de polarisation contrôlés, offrant la possibilité d'une modulation temporelle du signal émis au-delà du mégahertz. Dans un premier temps, nous présentons une source optimisée pour émettre à 5 microns avec une faible largeur spectrale et un fort degré de polarisation linéaire. La modulation de l'émission est contrôlée par sa température dont la modulation rapide est permise par son faible volume et par conduction vers un substrat plus froid. Le contrôle de son spectre d'émissivité est obtenu grâce à un résonateur de type écran de Salisbury. L'état de polarisation est contrôlé en utilisant une métasurface à base de fils métalliques. Nous nous intéressons également au rendement de ce type de source et déterminons les paramètres libres permettant de l'améliorer. Dans un deuxième temps, nous proposons une source optimisée pour émettre dans le MIR, avec un fort degré de polarisation circulaire et modulable rapidement. Cette dernière reprend l'architecture de la première source, bénéficiant ainsi des mêmes avantages en termes de rapidité de modulation et de contrôle du spectre d'émissivité. Le contrôle de l'état de polarisation est obtenu en utilisant une métasurface à base de nanorésonateurs chiraux ayant un couplage différent avec l'une ou l'autre des hélicités de polarisation circulaire. La caractérisation expérimentale de l'état de polarisation du rayonnement émis a également demandé le développement d'un polarimètre de Stokes performant opérant dans le MIR.
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Dates and versions

tel-04059500 , version 1 (05-04-2023)

Identifiers

  • HAL Id : tel-04059500 , version 1

Cite

Anne Nguyen. Métasurfaces incandescentes ultra rapides pour une émission spectralement sélective dans le moyen infrarouge avec un état de polarisation contrôlé. Optique [physics.optics]. Université Paris-Saclay, 2022. Français. ⟨NNT : 2022UPASP108⟩. ⟨tel-04059500⟩
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