DOTA-2009- Office National d`Études et de Recherches

DRH/ECFE/octobre2007
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. : [phone] Mail : [email protected]
Directeur de thèse universitaire envisagé: J.-L. Pelouard
Adresse : CNRS/LPN, Route de Nozay, 91460 Marcoussis
Tél. : [phone] Mail : [email protected]s.fr
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 coupe-
bande 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 free-
standing 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

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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
Coût pour l’ONERA
DGA
0
X
MENRT/Industrie
51 kF
MENRT
51 kF
ONERA
205 kF
X
CIFRE
0
CEA
96 kF en charges directes
CNES
96 kF en charges directes
BDI/CNRS
96 kF en charges directes
Autre
à préciser
5. Candidat(s) envisagé(s)