Modeling, design and fabrication of diffractive optical elements based on nanostructures operating beyond the scalar paraxial domain - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2014

Modeling, design and fabrication of diffractive optical elements based on nanostructures operating beyond the scalar paraxial domain

Modélisation, conception et réalisation d'éléments optiques diffractifs à base de nanostructures travaillant dans les régimes au delà de la diffraction scalaire paraxiale

Résumé

This thesis aims to extend the range of Diffractive Optical Element (DOE) applications by developing models, algorithms and rapid prototyping techniques for DOEs with diffraction angles > 10°, which is beyond the limits of scalar paraxial diffraction model. We develop an accurate and efficient scalar non-paraxial far-field propagator to overcome the limits of the conventional scalar diffraction models. An iterative algorithm based on this propagator is then developed for the design of wide-angle Fourier elements. Experimental results confirm that our scalar non-paraxial propagator and design algorithm can be used for the modeling and design of thin Fourier DOEs with diffraction angles up to about 37° and perhaps even higher. The remaining discrepancies in diffracted power between modeling, design and ex¬periment are then shown to result from both fabrication errors and by the fact that we are approaching the limit of the Thin Element Approximation (TEA). The practical limits of the TEA are investigated by comparison with the rigorous vectorial simulations. We then develop, optimize and parallelize a rigorous diffraction model based on the Finite-Difference Time-Domain method coupled with our scalar non-paraxial propagator to overcome the limits of the TEA and the computational limitations of current vectorial models. A genetic design algorithm based on this model is proposed for the design of thick DOEs and this algorithm is currently being calibrated. These models and algorithms have now brought us to the resolution limit of our existing photoplotter used for DOE fabrication. Therefore, we investigate the possibility of building a new parallel photoplotter based on Two-Photon Polymerization (2PP) as a way to rapid, cost-efective prototyping of high resolution (submicron) structures. We design and fabricate spot array DOEs at Telecom Bretagne to parallelize the 2PP fabrication process used at Joseph Fourier University in Grenoble by a factor of 625. To further speed up the 2PP fabrication process, another prototype parallel 2PP pho-toplotter using a Spatial Light Modulator, which can generate up to about 0.5 million parallel beams, is designed and is currently being developed at Telecom Bretagne.
Cette thèse vise à élargir l'éventail des applications des éléments Optiques Diffractifs (EODs) en développant des modèles, des algorithmes et des techniques de prototypage rapide pour des EODs avec des angles de diffraction > 10°, au delà des limites du modèle scalaire, paraxiale de diffraction. Nous développons un propagateur non-paraxiale scalaire en champ lointain précis et efficace pour surmonter les limites des modèles classiques de la diffraction scalaire. Un algorithme itératif basé sur ce propagateur est développé pour la conception d'éléments de Fourier à grand angle de diffraction. Les résultats expérimentaux confirment que notre propagateur et notre algorithme scalaire, non-paraxiale peuvent être utilisés pour la modélisation et la conception des EODs minces avec angles de diffraction jusqu'à environ 37° et peut-être encore plus élevé. Nous montrons que les divergences qui subsistent entre la modélisation et l'expérimentation de la puissance diffractée résultent surtout des erreurs de fabrication et par le fait que nous nous approchons de la limite de l'approximation d'un élément mince (TEA - "Thin Element Approximation"). Les limites pratiques de la TEA sont étudiées en comparaison avec les simulations rigoureuses vectorielles. Nous développons, optimisons et parallélisons un modèle de diffraction rigoureuse basée sur la FDTD ("Finite-Difference Time-Domain") couplée avec notre propagateur non-paraxiale scalaire pour surmonter les limites de la TEA et les limites de calcul des modèles vectoriels actuels. Un algorithme de conception génétique sur la base de ce modèle est proposé pour la conception des EODs "épaisses", il est actuellement en cours d'étalonnage. Ces modèles et algorithmes nous ont maintenant conduits à la limite de résolution de notre photo-traceur existant utilisé pour la fabrication des EODs. Nous étudions la possibilité de construire un nouveau phototraceur parallèle basé sur polymérisation à deux photons (2PP) comme un moyen de prototypage rapide et rentable de structures haute résolution (submicroniques). Nous concevons et fabriquons à Télécom Bretagne, des EODs générant une matrice de points lumineux pour paralléliser le processus de fabrication 2PP utilisé à l'Université Joseph Fourier de Grenoble par un facteur de 625. Pour accélérer encore le processus de fabrication 2PP, nous concevons et assemblons un autre phototraceur 2PP parallèle à base d'un modulateur spatial de lumière, qui permet de générer jusqu'à environ 0,5 million de faisceaux parallèles. Ce phototracer est actuellement en cours de développement à Télécom Bretagne.
Fichier principal
Vignette du fichier
2014telb0336_Nguyen Giang Nam.pdf (11.99 Mo) Télécharger le fichier
Origine : Fichiers produits par l'(les) auteur(s)

Dates et versions

tel-01187568 , version 1 (27-08-2015)

Identifiants

  • HAL Id : tel-01187568 , version 1

Citer

Giang Nam Nguyen. Modeling, design and fabrication of diffractive optical elements based on nanostructures operating beyond the scalar paraxial domain. Optics / Photonic. Télécom Bretagne; Université de Bretagne Occidentale, 2014. English. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-01187568⟩
540 Consultations
4135 Téléchargements

Partager

Gmail Facebook X LinkedIn More