Phase holographic interrogation in the near phase singularities of photonic crystals : Applications to the realization of high-sensitivity sensors
Interrogation en phase par holographie au voisinage de singularités de phase de cristaux photoniques : Applications à la réalisation de capteurs à haute sensibilité
Résumé
There is growing demand from industry and academia for sensors that go beyond current detection limits (cancer detection, industrial processes). One promising approach to obtaining such devices is based on the use of optical nano-transducers whose resonances are sensitive to variations in the environment (refractive index, structure geometry structure). The aim of this PhD is to design and characterize devices based on the use of Tamm optical modes close to singular points, in particular critical coupling points, for which an extremely abrupt variation of the phase at reflection is obtained. To get as close as possible to these points and experimentally explore the sensor's phase sensitivity in relation to its proximity to singular points, we have developed an original method based on nanostructuring the metal layer of the transducer. The development of an analytical model expressing the phase sensitivity as a function of the proximity to critical coupling points has enabled us to highlight the key parameters of the structure and the to significantly improve phase sensitivity. To experimentally demonstrate these concepts, we have developed an original interferometer that uses holography-assisted beam shaping to precisely measure the phase sensitivity of optical transducers. We demonstrate that a nanostructured Tamm structure combined with a suitable interferometric system can be used to create a highly sensitive temperature sensor. Finally, we show that by adapting our transducer materials (porous dielectric materials), the same concept can be applied to surface Bloch modes to design a gas sensor whose theoretical sensitivities pave the way for the realization of gas sensors at very low concentrations (< 100 ppm).
La demande de la part d’acteurs industriels et académiques pour des capteurs dépassant les limites de détection actuelles ne cesse de croître (détections de cancers, procédés industriels). L’une des approches prometteuses pour obtenir de tels dispositifs repose sur l’utilisation de nano-transducteurs optiques dont les résonances sont sensibles aux variations de l’environnement (indice de réfraction, géométrie de la structure). Le travail de cette thèse vise ainsi à concevoir et caractériser des dispositifs basés sur l’utilisation de modes optiques Tamm proches de points singuliers, en particulier les points de couplage critique, pour lesquels une variation extrêmement abrupte de la phase à la réflexion est obtenue. Pour se rapprocher au plus près de ces points et explorer expérimentalement la sensibilité en phase du capteur avec sa proximité aux points singuliers, nous avons développé une méthode originale basée sur la nanostructuration de la couche métallique du transducteur. L’élaboration d’un modèle analytique exprimant la sensibilité en phase en fonction de la proximité aux points de couplage critique nous a permis de mettre en exergue les paramètres clés de la structure et du système de mesures pour améliorer la sensibilité en phase de manière significative. Afin de démontrer expérimentalement ces concepts, nous avons développé un interféromètre original qui permet, grâce à une mise en forme de faisceau assistée par holographie, de mesurer précisément la sensibilité en phase des transducteurs optiques. Nous démontrons ainsi que nos transducteurs nanostructurés associés à un système interférométrique adapté permettent la réalisation d’un capteur de température à très grande sensibilité. Enfin, nous montrons qu’en adaptant les matériaux de notre transducteur (matériaux diélectriques poreux), le même concept peut être appliqué à des modes de Bloch de surface pour concevoir un capteur de gaz dont les sensibilités théoriques ouvrent la voie à la réalisation de capteurs de gaz à très faible concentration (< 100 ppb)
Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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