DOTA-2009- Office National d`Études et de Recherches
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DOTA-2009- Office National d’Études et de Recherches Aérospatiales - BP 72 - 92322 Châtillon CEDEX PROPOSITION DE SUJET DE THÈSE TITRE : Filtres spectraux agiles à base de membranes nanostructurées Laboratoire d’accueil à l’ONERA : Branche : Physique Département : Département Optique Théorique et Appliquée Unité : Concepts Innovants en Optique Lieu (centre ONERA) : Palaiseau Responsable ONERA : Grégory Vincent / Riad Haidar Tél. : 01.69.93.61.73 Mail : [email protected] Directeur de thèse universitaire envisagé: J.-L. Pelouard Adresse : CNRS/LPN, Route de Nozay, 91460 Marcoussis Tél. : 01.69.63.61.47 Mail : [email protected] RÉSUMÉ : Les observations expérimentales de Th. Ebbesen (transmission extraordinaire à travers un réseau métallique de trous sub-longueur d’onde) ont créé un engouement scientifique largement suivi, ainsi qu’un regain d’intérêt pour les plasmons de surface, et ont motivé des travaux théoriques considérables. Des modèles ont été mis sur pied, qui permettent de simuler/prévoir le comportement des plasmons. Ces modèles ont bien sûr permis de comprendre la transmission extraordinaire observée par Ebbesen, mais ils ont surtout ouvert la voie à de nouvelles applications des plasmons, tel que le filtrage spectral. Pour cette application de filtrage, les premiers calculs sur des réseaux métalliques datent de 1999, dans un papier célèbre (Porto et al, PRL) cité plus de 400 fois. Une équipe mixte ONERA/LPN a réalisé la validation expérimentale de ces calculs en 2008 grâce, en particulier, à des procédés de nanofabrication novateurs. Ces premiers travaux ouvrent des perspectives inédites en terme de compacité pour des systèmes de spectro-imageurs. Voici quelques pistes que nous explorons : - Une application très prometteuse de ces micro-structures est la conception de détecteurs infrarouge colorés, permettant une prise d’images en polychromie. Des prototypes sont en cours de fabrication. - La nature métallique des premiers réseaux permet un contrôle par champ électrostatique (application au filtrage spectral agile). Des concepts sont actuellement à l’étude. - Des structures diélectriques proposent une solution alternative aux structures en métal (filtres coupebande à haute finesse et accordables par rotation) Le doctorant sera intégré à l’unité CIO à l’ONERA, et au groupe PhyDis au CNRS/LPN. En utilisant les techniques de pointe développées récemment dans la salle blanche du LPN, il fabriquera des membranes suspendues structurées à l'échelle nanométrique. Les propriétés optiques de ces nouvelles structures seront étudiées dans le domaine du proche et moyen infrarouge grâce aux moyens de simulation et de caractérisation optique disponibles dans les deux laboratoires. Au-delà de l'étude fondamentale de nouveaux concepts nanophotoniques, l'objectif poursuivi sera l'intégration de nouvelles fonctions optiques dans les spectro-imageurs développés à l'ONERA. PROFIL DU CANDIDAT Formation : Ingénieur Grandes Ecoles et Master de Recherche 2 Spécificités souhaitées : DRH/ECFE/octobre2007 Goût pour l’expérimentation et le travail en salle blanche. Esprit d’initiative, autonomie. ANNEXE À LA PROPOSITION DE SUJET DE THÈSE Les rubriques suivantes doivent être dûment renseignées : 1. Titre de la thèse Filtres spectraux agiles à base de structures sub-longueurs d’onde 2. Contexte de l’étude (en 1 à 2 pages) a) à l’ONERA (préciser notamment les personnes participant à l’encadrement en plus du responsable ONERA) Le travail s’effectuera au sein du laboratoire VISIO du DOTA, où le doctorant participera à la mise au point de bancs de mesure des propriétés physiques des nanomatériaux (analyse temporelle et spatiale des plasmons, étude des distorsions de phase induites par le nanomatériau…). Quant à l’applicabilité des concepts proposés à la spectro-imagerie IR, le doctorant bénéficiera du savoir-faire de l’équipe DOTA (N. Guérineau, J. Primot, J. Deschamps). b) à l’extérieur Ce travail, comme la thèse de Grégory Vincent dont c’est la suite logique, s’effectuera essentiellement au sein du groupe PhyDis du CNRS/LPN (expert des nanostructures métalliques, et en technologie de salle blanche), avec qui nous avons lié une collaboration fructueuse depuis 5 ans (collaboration MONET). Il se fera également en partenariat avec différents laboratoires : Le CEA/LETI fournira les compétences en détection infrarouge, et sera éventuellement impliqué via la plate-forme Minatech. L’Institut d’Optique d’Orsay (IOTA) est un partenaire privilégié de CIO, et participera à l’étude et à la prospection de nouveaux concepts optiques. Enfin, un regard plus académique sera assuré par Jean-Luc PELOUARD du CNRS/LPN, qui est prêt à assurer la direction de thèse. c) bibliographie succincte DRH/ECFE/octobre2007 G. Vincent, S. Collin, R. Haidar, M. Laroche and J. -L. Pelouard, “Experimental study of freestanding sub-wavelength dielectric gratings as highly selective reflective filters”, en cours de redaction. G. Vincent, S. Collin, R. Haidar and J. -L. Pelouard, “Quasi-total optical transmission through free-standing metallic membranes with sub-wavelength slits”, en cours de redaction. G. Vincent, S. Collin, R. Haidar, E. Cambril and J. -L. Pelouard, “Realisation of free standing sub-wavelength metallic gratings”, soumis à Journal of Vacuum Science and Technology. B. Toulon, G. Vincent, R. Haidar, et al. “Holistic Characterization of Infrared Complex Transmittances Generated by Sub-Wavelength Gratings“, Optics Express, Vol. 16, Issue 10 (2008) G. Vincent, R. Haidar, S. Collin, N. Guérineau, E. Cambril and J. -L. Pelouard, “Coding a Sinusoidal Transmittance With Sub-Wavelength Metallic Structures”, JOSA B, Vol. 25, Issue 5 (2008). R. Haidar, G. Vincent, N. Guérineau, S. Collin, S. Velghe, J. Primot, “Wollaston prism-like devices based on blazed dielectric subwavelength gratings”, Optics Express 13, 9941 (2005). 3. Description des travaux (en 1 à 2 pages) Le travail proposé consiste à explorer le potentiel des réseaux sub-longueurs d’onde suspendus diéelectriques ou métalliques, 1 D ou 2D) pour des applications d’optique infrarouge. De ce point de vue, il entre dans le cadre des actions FOURMI et VITRAIL actuellement en cours au DOTA, et qui visent l’exploration de nouveaux concepts et leur intégration au plus près d’un plan focal de détection. Ce travail aura également un aspect plus amont, par l’étude des propriétés opto-électroniques des structures inédites qui seront réalisées : étude de la transmittance complexe (amplitude et phase), mesure des spectres de réflectance et de transmittance, étude des propriétés de réfaction négative… a) plan de thèse prévisionnel Première année (1A) : Prise en main du process développé par G. Vincent pour les nanostructures suspendues Prise en main du modèle électro-magnétique des nanostructures Proposition de concepts 1D ou 2D : simulation et dimensionnement Proposition de systèmes de filtrage agiles Deuxième année (2A) : Process technologique au LPN : réalisation des concepts retenus Mise au point de bancs de caractérisation des nanomatériaux Test au laboratoire VISIO du DOTA Bilan des potentialités et retour sur le modèle théorique DRH/ECFE/octobre2007 Troisième année (3A) : Intégration des prototypes sur une caméra ou dans un cryostat de détection Démonstration « terrain », Valorisation Rédaction du mémoire b) techniques à mettre en œuvre Techniques de spectro-imagerie IR Physique des nanostructures photoniques Technologie de salle blanche. c) résultats attendus A l’issue de cette thèse, des concepts de réseaux de filtres pour différentes applications (filtre polariseur, filtre agile, filtre en transmission ou en réflexion) seront proposés. Du point de vue de la propriété industrielle, des dépôts de brevets sont envisagés. D’un point de vue plus académique, des articles et des conférences internationales sur ce thème sont prévues. 4. Financement envisagé Cocher dans la colonne de droite Type de bourse DGA MENRT/Industrie MENRT ONERA CIFRE CEA CNES BDI/CNRS Autre Coût pour l’ONERA 0 51 kF 51 kF 205 kF 0 96 kF en charges directes 96 kF en charges directes 96 kF en charges directes à préciser X X 5. Candidat(s) envisagé(s) DRH/ECFE/octobre2007
