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Thèse Année : 2005

Photonic nano materials: anisotropic transport and optical Bloch oscillations

Matériaux nano photoniques: transport anisotrope et oscillations de Bloch optiques

Riccardo Sapienza

Résumé

Nowadays, propagation of light in complex dielectric nano-materials is a rich and fascinating area of research, both for its fundamental implications and for its practical technological impact. In this thesis we investigate the e ects of interference in quasi-ordered photonic systems. Light in random dielectric media is described through a random walk from scatterer to scatterer. Interference e ects do survive the multiple scattering and give rise to fascinating phenomena. In the strong scattering regime light could even become localized and propagation is no longer possible. In ordered media, the periodicity leads to cooperative scattering and interference. In this case the transport becomes strongly frequency-dependent; it can be inhibited (destructive interference) or substantially improved (constructive interference). Whereas the knowledge on the propagation of light waves in completely ordered and disordered structures is now rapidly increasing, little is known about the behavior of optical waves in the huge intermediate regime between complete order and disorder. Quasi-ordered systems show breaking of rotational or translational symmetry and exhibit novel and unusual forms of light transport. Anisotropic scattering random media and nematic liquid crystals, or specially tailored photonic crystals and Fibonacci quasi-crystals are examples of quasi-ordered systems that we will investigate in this thesis.

What would happen if a preferential scattering direction or a preferential polarizability axis were to be introduced in an isotropic random scattering system?
How would light propagation be in a periodic dielectric media if a linear optical potential was superimposed to the crystalline structure?

In this thesis we will try to address these questions, based on theoretical arguments, numerical simulations and experimental evidences.
Aujourd'hui, la propagation de la lumière dans les
nano-matériaux diélectriques complexes est un sujet de recherche
riche et fascinant, tant pour ses implications fondamentales que
pour son impact technologique. Dans cette thèse, nous étudions les
effets d'interférence de la lumière dans les systèmes photoniques
quasi-ordonnés.

Dans des milieux diélectriques aléatoires, on peut décrire le
mouvement des photons mutiplement diffusés par une marche
aléatoire de diffuseur en diffuseur: la plupart des effets
d'interférence se moyennent alors à zéro, mais certains survivent
quand même au désordre et induisent des phénomènes non-triviaux.
Dans des milieux qui diffusent très fortement, la lumière pourrait
même devenir localisée et aucun transport ne serait possible. Dans
les milieux ordonnés, la périodicité conduit à des lois de
dispersion inhabituelles où les effect collectifs d'interférence
dominent: le transport est fortement dépendant de la fréquence, il
peut être sensiblement augmenté (interférences constructives) ou
complètement inhibé (interférences destructives).

Notre compréhension de la propagation des ondes lumineuses dans
les milieux ordonnés et désordonnés augmente rapidement, mais le
comportement dans le régime intermédiaire entre les deux extrèmes
-- ordre parfait et désordre complet -- est mal compris. Les
systèmes quasi-ordonnés brisent la symétrie de rotation ou de
translation et présentent des formes nouvelles et
non-conventionnelles de transport de la lumière. Les milieux
aléatoires qui diffusent anisotropiquement et les cristaux
liquides nématiques, les formes spéciales de cristaux photoniques
et les quasi-cristaux photoniques de Fibonacci sont des exemples
de systèmes quasi-ordonnés que nous étudions dans cette thèse.


Que se passe-t-il si une direction préférentielle de diffusion ou
un axe préférentiel de polarisabilité est présent dans un milieu
aléatoire ?
Comment la propagation de la lumière est elle modifiée dans une
structure périodique si un potential optique est superposé à la
structure cristalline ?

Dans cette thèse nous essayerons de répondre à ces questions, avec
des arguments théoriques, des simulations numériques et des
résultats expérimentaux.
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Dates et versions

tel-00009751 , version 1 (13-07-2005)

Identifiants

  • HAL Id : tel-00009751 , version 1

Citer

Riccardo Sapienza. Photonic nano materials: anisotropic transport and optical Bloch oscillations. Atomic Physics [physics.atom-ph]. Université Pierre et Marie Curie - Paris VI, 2005. English. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00009751⟩
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