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Optique
Electromagnétique
Les nano-objets au cœur de la lumière
Un workshop organisé par
l’Institut des sciences de l’ingénierie et des systèmes (INSIS) du CNRS
www.cnrs.fr/insis/
Mardi 2 décembre 2014
CNRS, Campus Gérard-Mégie – Auditorium Marie-Curie
3, rue Michel-Ange, Paris 16e
Conception graphique : © CNRS - Communication INSIS / Valérie PIERRE
Photos : © Rémi Carminati - Institut Langevin - © Institut Fresnel, équipe CONCEPT
www.cnrs.fr
Préambule
L’optique/photonique est à l’origine de nombreuses ruptures conceptuelles, technologiques et sociétales. Ce domaine
concerne près d’une centaine d’unités de recherche sur le territoire national (http://www.cnrs.fr/insis/recherche/photoniqueet-horizons.htm), où les travaux autour de la lumière bénéficient d’approches variées : optique géométrique, optique physique, optique statistique, optique électromagnétique, optique quantique, optique relativiste, optique atomique…
En s’appuyant sur la physique mathématique et la puissance accrue des calculateurs, l’optique électromagnétique a pris son essor en même temps que les nano-technologies, et a ainsi favorisé la conception d’objets photoniques aux dimensions sub-longueurs d’onde. Cette discipline a connu des progrès et un impact considérables au cours des deux dernières décades : compression temporelle et confinement spatial,
super-résolution, exaltation géante et lumière lente, indices négatifs, cristaux photoniques et méta-matériaux, fibres microstructurées, plasmonique et nano-antennes, laser aléatoire, imagerie en milieu désordonné, polarisation de speckle… Les
applications couvrent de nombreux secteurs : télécommunications, éclairage, spatial, santé, énergie et environnement, défense…
Cette journée sera l’occasion de débats autour d’exposés centrés sur les verrous historiques, les avancées récentes, les
aspects fondamentaux, les domaines d’applications et les perspectives à court et moyen terme.
Claude Amra, directeur de recherche au CNRS, Institut Fresnel
Laurent Nicolas, directeur adjoint scientifique à l’INSIS
Programme
9h15-9h30
Accueil
9h30-10h10
La dispersion en électromagnétisme
Boris Gralak, Institut Fresnel (CNRS/Aix-Marseille Université/Ecole Centrale Marseille)
10h10-10h50
Electromagnetic modes in nanophotonics
Philippe Lalanne, Laboratoire de Photonique, Numériques et Nanosciences
(LP2N, Institut d’Optique d’Aquitaine/Université de Bordeaux/CNRS)
10h50-11h10
Pause
11h10-11h50
Speckle produit par des nano-sources dans des milieux désordonnés
Rémi Carminati, Institut Langevin (CNRS/ESPCI ParisTech)
11h50-12h30
Photonique : un panorama des applications récentes
Bruno Desruelle, société MUQUANS
12h30-14h
Repas
14h-14h40
Nano-antennes résonantes
Jean-Jacques Greffet, Laboratoire Charles-Fabry (Institut d’Optique/CNRS)
14h40-15h20
Méthodes asymptotiques en électromagnétisme
Habib Ammari, Département de Mathématiques et Applications de l’ENS (DMA, CNRS/Ecole
Normale Supérieure)
15h20-15h30
Pause
15h30-16h10
Frontières et défis de l’optique non linéaire
John Dudley, Institut Femto-ST (CNRS/Université de Franche-Comté/Ecole Nationale
Supérieure de Mécanique et de Microtechniques/Université de technologie BelfortMontbéliard)
16h10-17h
Futur et table ronde
Pour plus d’informations sur le programme : [email protected]
La dispersion en électromagnétisme
Boris Gralak, Institut Fresnel (CNRS/Aix-Marseille Université/Ecole Centrale Marseille)
La dispersion est un phénomène essentiel de l’électromagnétisme sur lequel reposent de nombreuses applications en
optique, par exemple les filtres. Après un rappel des principes fondamentaux qui créent et façonnent la dispersion - inertie,
linéarité, causalité, et passivité -, différents modèles de permittivité avec dispersion seront présentés. En particulier, le caractère universel d’une nouvelle version des relations de Kramers-Kronig sera montré.
Cet exposé sera également l’occasion d’introduire quelques résultats théoriques récents obtenus dans les équations de
Maxwell depuis l’arrivée des cristaux photoniques et des méta-matériaux : la simplification de l’absorption, la simplification
de la dispersion en fréquence, et la quantification du champ électromagnétique dans les milieux hétérogènes, dispersifs et
absorbants.
Boris Gralak est chargé de recherche CNRS affecté à l’Institut Fresnel à Marseille, où
il effectue des recherches sur les méta-matériaux en optique. Ingénieur de l’Ecole
Polytechnique, il a reçu une formation mixte en photonique et physique mathématique avec un
doctorat de l’Université d’Aix-Marseille et trois années au FOM-Institute Amolf à Amsterdam.
Il s’intéresse actuellement à des aspects fondamentaux de l’électromagnétisme comme le
phénomène de dispersion et des modèles effectifs de méta-matériaux. Ses recherches lui
permettent également de contribuer à la conception de composants en optique intégrée,
et d’aborder des sujets comme la couleur d’origine structurelle, les indices négatifs, et
l’invisibilité.
Electromagnetic modes in nanophotonics
Philippe Lalanne, Laboratoire de Photonique, Numériques et Nanosciences (LP2N, Institut
d’Optique d’Aquitaine/Université de Bordeaux/CNRS)
La conception de nano-composants optiques ne peut se faire uniquement par l’expérimentation ou la simulation numérique. Il
faut aussi comprendre les mécanismes qui régissent l’interaction de la lumière avec des micro et nano objets pour en déduire
les règles du jeu et tirer ainsi, comme le marionnettiste, sur les bonnes tringles et fils lors de la conception. Cette étape nécessaire peut s’avérer parfois plus difficile que la validation directe par l’expérience ou la simulation.
Sur des exemples de base issus de travaux fondamentaux en plasmonique, cristaux photoniques et méta-matériaux, souvent
autour de la notion de mode électromagnétique, je vais essayer d’illustrer comment on peut établir certaines règles de ce jeu.
Jean-Paul Hugonin, Haitao Liu and Christophe Sauvan sont remerciés.
F. van Beijnum, C. Rétif, C. B. Smiet, H. T. Liu, P. Lalanne and M. P. van Exter, «Quasi-cylindrical wave contribution in experiments on extraordinary optical transmission», Nature 492, 411-414 (2012).
C. Sauvan, J.P. Hugonin, I.S. Maksymov and P. Lalanne, «Theory of the spontaneous optical emission of nanosize photonic
and plasmon resonators», Phys. Rev. Lett 110, 237401 (2013)
Philippe Lalanne, directeur de recherche au CNRS, est un expert en
nano-photonique. Dans le groupe de Pierre Chavel à l’Institut d’Optique à
Orsay, il a débuté avec des travaux sur le traitement optique de l’information, les
réseaux de neurones optiques et les rétines artificielles. En 1996, il a passé une année
sabbatique dans le groupe de Mike Morris à l’Institute of Optics à Rochester, où il a commencé à mener des travaux dans le domaine de l’optique diffractive et de la théorie électromagnétique de la diffraction. A Palaiseau, il a ensuite travaillé sur les microcavités à cristaux
photoniques et sur la transmission optique extraordinaire. Actuellement en poste à l’Institut
d’Optique d’Aquitaine, il y anime l’axe Matter and light waves in artificial media, avec des
projets sur la lumière lente, les systèmes complexes ou hybrides. Il est «fellow» de l’IOP,
la SPIE et l’OSA et a reçu le prix Fabry-de-Gramont de la SFO et la médaille de bronze du
CNRS.
Speckle produit par des nano-sources
dans des milieux désordonnés
Rémi Carminati, Institut Langevin (CNRS/ESPCI ParisTech)
L’interaction entre des sources localisées (par exemple des molécules fluorescentes) et des milieux désordonnés diffusants
est au centre de questions d’actualité en photonique : peut-on détecter et localiser des molécules fluorescentes dans un
milieu diffusant comme des tissus biologiques ? Peut-on concevoir des matériaux amorphes pour amplifier l’interaction
lumière-matière en vue de la fabrication de sources ou d’absorbeurs efficaces ? Peut-on sonder des propriétés microscopiques d’un milieu complexe sans imagerie ?
L’intensité émise par une nano-source placée à l’intérieur d’un milieu désordonné diffusant (ou à très courte distance de sa
surface) forme une figure de speckle dont les propriétés statistiques s’écartent de celles décrites par le modèle classique de
speckle pleinement développé. Les fluctuations et les corrélations spatiales d’intensité portent la signature des interactions
de champ proche entre la source et le milieu environnant, et deviennent fortement non universelles [1]. Ceci permet d’utiliser
la nanosource comme une sonde de la structure interne du milieu à des échelles sub-longueur d’onde [2], ou inversement
d’utiliser le milieu pour modifier l’émission (ou l’absorption) de la nanosource [3]. Nous discutons du rôle central joué par la
densité d’états locale (LDOS) photonique [1], qui pilote la dynamique d’émission de la nano-source, et par la densité d’états
croisée (CDOS) qui décrit la cohérence spatiale [4,5]. Nous montrons que la sensibilité aux interactions de champ proche à
courte portée permet en principe d’améliorer la précision de méthodes inverses de localisation de sources [6,7], ou de focalisation d’ondes dans des milieux complexes [8]. Lorsque la figure de speckle est produite par deux sources mutuellement
incohérentes, il est possible de déduire la distance séparant les deux sources à partir d’une mesure du contraste de speckle
en un point, avec une précision qui n’est pas limitée par la diffraction [9]. Ces comportements non universels des fluctuations
et des corrélations d’intensité apportent une richesse exploitable dans les techniques d’imagerie et de contrôle des ondes
dans les milieux complexes.
[1] A. Cazé, R. Pierrat and R. Carminati, Phys. Rev. A 82, 043823 (2010).
[2] V. Krachmalnicoff, E. Castanié, Y. De Wilde and R. Carminati,
Phys. Rev. Lett. 105, 183901 (2010).
[3] R. Sapienza, P. Bondareff. R. Pierrat, B. Habert, R. Carminati and N. F. van Hulst,
Phys. Rev. Lett. 106, 163902 (2011).
[4] A. Cazé, R. Pierrat and R. Carminati, Phy. Rev. Lett. 110, 063903 (2013).
[5] K. Vynck, R. Pierrat and R. Carminati, Phys. Rev. A 89, 013842 (2014).
[6] N. Irishina, M. Moscoso and R. Carminati, Opt. Lett. 37, 951 (2012).
[7] N. Irishina, M. Moscoso and R. Carminati, Opt. Express 21, 421 (2013).
[8] R. Pierrat, C. Vandenbem, M. Fink and R. Carminati, Phys. Rev. A 87, 041801(R) (2013).
[9] R. Carminati, G. Cwilich, L.S. Froufe-Pérez and J.J. Sáenz, arXiv:1407.5222 (2014).
Rémi Carminati est professeur à l’ESPCI Paris Tech, et directeur adjoint de l’Institut Langevin
(UMR 7587, ESPCI Paristech/CNRS). Il y anime le thème de recherche « Optique Mésoscopique et Théorique », dont les activités couvrent la diffusion et le transport des ondes en
milieux complexes, la nanophotonique et la plasmonique. Il est l’auteur de plus de 100 publications scientifiques, de 50 conférences invitées dans des conférences et des écoles thématiques internationales, et a contribué à une dizaine d’ouvrages collectifs. Il a été lauréat du prix
Fabry-De Grammont en 2006, et du prix de la fondation iXCore pour la recherche en 2009.
Photonique : un panorama des applications récentes
Bruno Desruelle, société MUQUANS
Près de 50 ans après la découverte du laser, la lumière reste un objet d’intérêt de tout premier plan, et l’étude de ses propriétés suscite un fort engouement de la part de la communauté scientifique. Les études menées dans les laboratoires se
caractérisent ainsi par une grande richesse, et les résultats obtenus présentent un potentiel d’impact important pour un grand
nombre d’applications.
L’exposé vise à dresser un panorama des applications récentes les plus emblématiques des technologies photoniques, en
mettant en évidence les fonctions que la lumière permet de réaliser, et l’impact dans les domaines d’activité concernés.
Bruno Desruelle, 43 ans, dirige la société MUQUANS depuis sa création en
2011. Ingénieur de l’Institut d’Optique Graduate School, il rejoint le groupe
d’Alain Aspect en 1994 pour sa thèse de doctorat consacrée au développement d’une expérience de condensation de Bose-Einstein d’un gaz d’atomes de
rubidium ultra-froids.
A la fin de sa thèse, il rejoint la société Corning Incorporated où il prend la responsabilité
d’une équipe de R&D et se consacre au développement de différents sous-ensembles
destinés aux systèmes de communication par fibre optique. En 2002, il est recruté par la
société THALES Optronique et prend en charge le développement de différents sous-systèmes optiques.
Il rejoint la DGA en 2003 et est nommé responsable du domaine scientifique Photonique au
sein de la Mission pour la Recherche et l’Innovation Scientifique, et prend la responsabilité
des orientations scientifiques en photonique pour le Ministère de la Défense. A la même
époque, il est nommé chef de file interministériel pour les Pôles de compétitivité OPTITEC
et Route des lasers. Il quitte son poste fin 2010 pour se consacrer au développement de MUQUANS.
Nanoantennes résonantes
Jean-Jacques Greffet, Laboratoire Charles-Fabry (Institut d’Optique/CNRS)
Le but de cet exposé est d’introduire la notion d’antenne dans le domaine de l’optique. Après avoir fait un parallèle avec les
antennes dans le domaine des ondes radioélectriques, les différences et analogies seront explorées. Quelques applications
au stockage de données, et au contrôle de l’émission spontanée d’émetteurs quantiques seront ensuite discutées. L’analyse
de la notion d’impédance permettra d’établir un lien entre la vision quantique et la vision classique du processus d’émission
de lumière.
Jean-Jacques Greffet est un ancien élève de l’Ecole Normale Supérieure de Cachan. Il a
obtenu un doctorat en physique du solide de l’Université Paris Sud en 1988 et l’HDR en
1992. Professeur à l’Ecole Centrale Paris de 1994 à 2008, il est actuellement professeur
à l’Institut d’Optique et membre senior de l’Institut Universitaire de France. Il a travaillé sur
la propagation des ondes en milieu complexe puis sur la formation des images en microscopie de champ proche de 1994 à 2004. Depuis 1998, il étudie le rayonnement thermique
à l’échelle du nanomètre et notamment la possibilité de contrôler les processus d’émission
par des corps incandescents ou les flux de chaleur radiatifs échangés en champ proche.
Ses travaux actuels se poursuivent dans le domaine de la nano-photonique : nano-antennes pour le contrôle de l’émission spontanée et plasmonique quantique. Il a publié plus
de 160 articles dans des revues à comité de lecture qui ont été cités plus de 5000 fois.
Méthodes asymptotiques en électromagnétisme
Habib Ammari, Département de Mathématiques et Applications de l’ENS (DMA, CNRS/Ecole
Normale Supérieure)
Nous décrivons des outils mathématiques pour l’étude des résonances des nano-particules et des résonances anormales
dans les méta-matériaux. Nous introduisons des concepts mathématiques qui permettent à la fois de comprendre l’invisibilité
électromagnétique et le phénomène de super-résolution. Nous présentons également l’utilisation de la théorie des milieux
effectifs en électromagnétisme, en particulier dans l’étude des propriétés spectrales des cristaux.
Habib Ammari est directeur de recherche CNRS au Département de Mathématiques et
Applications de l’Ecole Normale Supérieure. Il est spécialiste des méthodes asymptotiques et de la propagation d’ondes électromagnétiques, acoustiques et élastiques dans
les milieux complexes. Habib Ammari a publié plusieurs ouvrages de référence sur le sujet.
Ses travaux ont étés couronnés par plusieurs distinctions internationales dont un ERC
Advanced Grant sur les mathématiques de l’imagerie.
Frontières et défis de l’optique non linéaire
John Dudley, Institut Femto-ST (CNRS/Université de Franche-Comté/Ecole Nationale
Supérieure de Mécanique et de Microtechniques/Université de technologie
Belfort-Montbéliard)
La génération de nouvelles composantes fréquentielles via l’exploitation de la réponse non linéaire des matériaux optiques
est connue depuis le début des années 1960, soit peu de temps après l’invention des lasers. Depuis ces résultats précurseurs, l’optique non linéaire est devenue un domaine de recherche à part entière, permettant de mettre en évidence différents
aspects majeurs de la physique fondamentale des interactions lumière-matière, et de développer des applications diverses
telles que la métrologie fréquentielle, la microscopie ou les télécommunications.
Le but de cet exposé sera de présenter un large aperçu de ce domaine qu’est l’optique non linéaire. Nous porterons un intérêt
particulier sur les nouvelles possibilités offertes par le développement de matériaux novateurs et la réalisation de nouvelles
classes de guides d’ondes photoniques.
John Dudley est chercheur en physique théorique et expérimentale de dynamiques
optiques non linéaires, et est responsable de l’équipe Optoélectronique, Photonique
et Télécommunications Optiques de l’Institut FEMTO-ST. Il est nommé membre junior
de l’Institut Universitaire de France de 2005 à 2010, membre d’honneur de la Société
Américaine d’Optique (OSA) en 2007, lauréat du Grand prix général Ferrié de la Société
des Electriciens et Electroniciens en 2009, membre d’honneur d’Institut des Ingénieurs
Electriciens et Electroniciens en 2011 (IEEE) et de la Société Européenne d’Optique (EOS)
en 2012. Il est actuellement colauréat d’un ERC Advanced Grant 2011 pour le projet pluridisciplinaire MULTIWAVE - Modélisation mathématique et étude expérimentale des instabilités non linéaires, des vagues scélérates et des phénomènes extrêmes. John Dudley
a été élu en 2013 président de la Société Européenne de Physique, et il est fondateur et
porteur du projet Année Internationale de la lumière 2015 déclaré par les Nations Unies.
Conception graphique : © CNRS - Communication INSIS / Valérie PIERRE
Photos : © Rémi Carminati - Institut Langevin - © Institut Fresnel, équipe CONCEPT