Interaction des ondes de surface avec des microstructures périodiques. Émission thermique cohérente et transmission résonante - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2004

Interaction of surface waves with periodic microstructures. Coherent thermal emission and resonant transmission

Interaction des ondes de surface avec des microstructures périodiques. Émission thermique cohérente et transmission résonante

Résumé

Polar materials or metals can support electromagnetic modes which are confined and propagate along the interface. Such surface waves can couple to a propagating one thanks to a grating ruled on the surface.
We use a Rigorous Coupled Wave Analysis (RCWA) algorithm to calculate the radiative properties of those periodic structures. Their sub-wavelength dimensions are optimized for two applications. On one hand, the coherent thermal emission, and on the other hand, the resonant transmission.
First, we show that a thermal source may produce partially spatially coherent light.
We report here an experimental and a numerical study of such sources. We find an
excellent agreement between numerical calculations and measurements. We derive quantitatively the coherence length of the field propagating along the source. We finally report
studies on new type of sources that produce isotropic emission of light.
In a second part, we focus on an other topic: the resonant transmission by periodically
corrugated metallic films. We show that transmission peaks can be attributed to
resonances of the structures. We see that those resonances result of a coupling between cavity modes and surface plasmon polaritons. When analysing the characteristics of the resonances, we can obtain position, value and width of the transmission peaks. We show that this phenomenon can also be observed on polar materials. Finally, a study of gratings of two directions of periodicity is made. In this case, we show that there are modes that can be highly transmitted. These modes could be excited by a dipole instead of a plane wave.
Certains matériaux ont des modes électromagnétiques confinés à leur surface, qui se
propagent le long de celle-ci. Ces modes, qui sont appelés ondes de surface, peuvent être couplés à des ondes propagatives à l'aide d'un réseau.
Nous avons utilisé un code de calcul électromagnétique exact, basé sur l'analyse rigoureuse des ondes couplées (RCWA), pour optimiser des structures périodiques dont les dimensions sont de l'ordre ou inférieures au micron. Nous avons ainsi conçu des micro ou nanostructures pour deux types d'applications : l'émission thermique cohérente, et la transmission résonante.
En émission, nous avons optimisé des sources thermiques émettant un rayonnement
quasi-monochromatique dans une direction privilégiée de l'espace ou bien dans toutes les directions. Nous avons de plus conçu, dimensionné et mis en place un montage de mesure de l'émissivité de telles sources. Nous avons pu retrouver de manière quantitative les résultats que nous avons obtenus numériquement, puis déterminer expérimentalement la longueur de cohérence spatiale de la source.
Le second axe de cette thèse a été consacré à la transmission résonante. Nous avons
mis en évidence les mécanismes de transmission de structures métalliques en montrant l'existence de modes propres de ces structures qui sont des modes couplant modes de surface et modes de cavité. En remontant aux caractéristiques de ces modes, nous pouvons en particulier retrouver toutes les caractéristiques des pics de transmission, hauteur, largeur et position. Nous avons par ailleurs montré que des effets analogues apparaissent pour des réseaux de cristaux polaires. Finalement, des études de transmission résonante par des cristaux 2D ont montré que des modes d'ordre élevé peuvent être fortement transmis. Ces modes sont faiblement couplés à des ondes planes mais peuvent se coupler fortement à des particules ou molécules.
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Dates et versions

tel-00010113 , version 1 (12-09-2005)

Identifiants

  • HAL Id : tel-00010113 , version 1

Citer

François Marquier. Interaction des ondes de surface avec des microstructures périodiques. Émission thermique cohérente et transmission résonante. Physique [physics]. Ecole Centrale Paris, 2004. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00010113⟩
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