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Comment on "Bistatic specular scattering from rough dielectric surfaces"
No full textInternational audienceThe author comments on the paper of De Roo and F. T. Ulaby (see ibid., vol.42, no.2, p. 220-231, 1994) which described experimental work on scattering by dielectric rough surfaces, and investigated the shift of the Brewster angle when a plane interface becomes randomly modulated. As mentioned by the authors, the numerical evidence of the phenomenon has been given where rigorous computations have shown that the minimum of the reflected intensity is shifted toward lower incidence angles. This conclusion, concerning one-dimensional surfaces under p polarization, is in agreement with the aforementioned experimental work. Later, with the help of the perturbation methods, a more detailed study has been achieved by several authors for both one-dimensional surfaces and two-dimensional surfaces. The main point is that although the theories are not the same, they all lead to the same conclusion and confirm the previous results. Therefore, the author was very surprised to read in the introduction that a shift toward grazing angles was predicted. The DE Roo and Ulaby reply that the theoretical and numerical calculations predict that the Brewster angle shifts in the direction of normal incidence (negative shift) as the surface roughness increases, and their experimental results indeed support the prediction. They have no disagreement with this comment and are in fact pleased that their data confirms the theory
Nanoantennas for light emission
No full textRadio antennas have long been used to increase the amount of radiated power and modify the emission direction of the radio waves. In his Perspective, Greffet discusses recent attempts to apply these ideas to the design of optical antennas, which could find applications in quantum information processing and spectroscopy of nanometer-scale objects. The author highlights the report by Mühlschlegel et al., who show that although optical antennas face challenges that are not encountered at radio wavelengths, radio antenna designs can nevertheless be reproduced successfully at optical wavelengths. Many other designs are being investigated in this rapidly expanding field
Surface wave optics : super-resolution and wave-matter interaction
No full textIl existe au niveau d’interfaces séparant des milieux de constantes diélectriques de signes opposés des ondes électromagnétiques confinées à proximité de ces interfaces. On parle d’ondes de surface. C’est notamment le cas des métaux et des cristaux polaires : on parle alors de plasmons-polaritons de surface et de phonons-polaritons de surface respectivement. L’objectif de cette thèse est de revisiter certains aspects théoriques associés à ces ondes de surface.Dans un premier temps, en nous basant sur le formalisme de Green, nous donnons un moyen d’obtenir une expression du champ des ondes de surface sous forme de somme de modes. En présence de pertes, ces ondes ont nécessairement un vecteur d’onde ou une pulsation complexe. Nous donnons ainsi deux expressions de leur champ, correspondant à chacun de ces deux cas, et discutons de l’opportunité d’utiliser l’une ou l’autre de ces expressions.Nous posons par la suite les bases d’une optique de Fourier et d’une optique géométrique des ondes de surface. Nous montrons comment obtenir une équation de Helmholtz à deux dimensions pour les ondes de surface, un principe d’Huygens-Fresnel pour les ondes de surface, ainsi qu’une équation eikonale pour les ondes de surface, qui s’applique sous certaines hypothèses. Nous nous intéressons également à la superlentille proposée par Pendry, qui s’appuie sur les ondes de surface. Nous étudions notamment le fonctionnement de cette superlentille en régime impulsionnel, et montrons qu’en présence de pertes, il est possible d’obtenir une meilleure résolution avec certaines formes d’impulsion par rapport au régime harmonique, au prix d’une importante baisse de signal toutefois.Nous développons ensuite un traitement quantique des ondes de surface. Nous calculons au préalable une expression de leur énergie, et nous donnons une expression de leur hamiltonien et de leurs opérateurs champ. Sans pertes, nous montrons que le facteur de Purcell prédit par notre théorie quantique est rigoureusement égal au facteur de Purcell calculé avec des outils classiques. Nous comparons ensuite ce facteur de Purcell à celui calculé classiquement avec pertes, et montrons sur un exemple que les pertes peuvent être négligées dans de nombreux cas. Nous donnons enfin une expression des coefficients d’Einstein associés aux ondes de surface permettant d’étudier la dynamique de l’inversion de population d’un milieu fournissant un gain aux ondes de surface. Nous appliquons par la suite ce formalisme quantique à l’interaction électrons-phonons-polaritons de surface dans les puits quantiques, notamment leur interaction avec un mode de phonon du puits particulièrement confiné grâce à un effet de constante diélectrique proche de zéro (epsilon near zero, ENZ).Interfaces between materials having opposite dielectric constants support electromagnetic waves confined close to these interfaces called surface waves. For metals and polar crystals, they are respectively called surface plasmon-polaritons and surface phonon-polaritons. The goal of this thesis is to revisit some theoretical aspects associated to these surface waves.Using the Green formalism, we derive an expression of the surface wave field as a sum of modes. With losses, these waves must have a complex wave vector or frequency. Thus we give two expressions of their field, for each of these cases, and discuss when each of these expressions should be used.We then give the basis of a surface wave Fourier optics and geometrical optics. We derive a 2D Helmholtz equation for surface waves, a Huygens-Fresnel principle for surface waves, and an eikonal equation for surface waves. We then take a look at Pendry’s superlens, in which surface waves play a major role. We study the behavior of the superlens in pulsed mode taking losses into account, and show that its resolution can be increased for some pulse shapes compared to the steady state, at the expense of a signal decay.We then develop a quantum treatment of surface waves. We first calculate their energy, and then give an expression of their hamiltonian and field operators. Without losses, we show that the Purcell factor given by our quantum theory is perfectly equal to the Purcell factor given by the classical theory. We then compare this Purcell factor to the lossy case on an example, and show that losses can often be neglected. We then derive the Einstein coefficients associated to surface wave emission and absorption, which allow studying the population inversion dynamics of a gain medium. We then use this quantum formalism to study the interaction between electrons and surface phonon-polaritons in quantum wells, particularly their interaction with a phonon mode which features high confinement thanks to an epsilon near zero (ENZ) effect
Fast modulation of infrared emission by incandescent metasurfaces
No full textDans le moyen infrarouge, il n’existe pas à l’heure actuelle de source bon marché, compacte et modulable rapidement en amplitude. L’émission thermique est souvent écartée à cause des propriétés du rayonnement de corps noir : il est large spectralement, isotrope, non polarisé et la fréquence de modulation en intensité est limitée à quelques hertz par l’inertie thermique des émetteurs.Cependant, aucune limite fondamentale n’impose ces inconvénients. L’objectif de cette thèse est de concevoir, fabriquer et caractériser des sources infrarouges incandescentes, de spectre et polarisation contrôlés, modulables au-delà du mégahertz. Les dispositifs que nous présentons reposent sur la modulation rapide de la température d’un émetteur de faible épaisseur, posé sur un substrat qui demeure froid : en effet, la conduction permet de le refroidir en un temps qui dépend quadratiquement de l’épaisseur.Dans un premier temps, nous présentons une source émettant en bande II (3 – 5 microns) fondée sur le principe de l’écran de Salisbury ; sa réponse en fréquence est caractérisée jusqu’à la dizaine de mégahertz.Puis nous modifions cette structure pour utiliser un réseau métallique sub-longueur d’onde et faisons ainsi la démonstration d’une source en bande II modulable et polarisée linéairement.Enfin, nous proposons plusieurs dispositifs pouvant rayonner avec une polarisation circulaire ainsi qu’une source en bande III (8 – 12 microns) constituée d’une métasurface de nano-émetteurs chauds couplés à des nano-antennes froides.Currently, there is no available source in the mid-infrared range which can be cheap, compact, and whose intensity can be modulated at high frequency. For this purpose, thermal radiation is often considered irrelevant because of the blackbody properties: it is intrinsically broadband, isotropic, unpolarized and the intensity modulation rate is usually limited to a few hertz by thermal inertia.However, there is no fundamental limit that imposes these properties. The goal of this thesis is to design, fabricate and experimentally characterize infrared incandescent sources with a controlled spectrum and polarization and with an intensity that can be modulated faster than 10 megahertz. We present devices which rely on fast temperature modulation of a thin emitter placed on a cold substrate. Indeed, thanks to heat conduction, this emitter can cool down within a characteristic time which varies as the square of its thickness.Firstly, we show a device emitting in MWIR (mid-wave infrared, 3 – 5 microns) based on the Salisbury screen’s principle. We characterize its frequency response up to 10 MHz.Then, we modify this structure and use instead a sub-wavelength metallic grating, thus demonstrating a MWIR source linearly polarized with the same modulation properties.Finally, we propose several devices which can emit circularly polarized infrared radiation and a source operating in LWIR (long-wave infrared, 8 – 12 microns) consisting in a metasurface of hot nano-emitters coupled to cold nano-antennas
Control of the light emission by a thermalized assemblee of emmiters coupled to a resonator
No full textC'est en 1946 que Purcell découvre que le taux d'émission spontanée d'un émetteur peut être modifié par son environnement. Depuis, plusieurs groupes de recherches ont cherché à placer toutes sortes d'émetteur (atomes, boîtes quantiques, molécules de colorant...) dans toutes sortes de cavité (cavité Fabry-Perot, cavité plasmonique, guide d'ondes...) afin de réduire le temps de vie de ces émetteurs. Par la suite, il a été compris que plusieurs des propriété d'émission d'un émetteur tel que la directivité d'émission, ou encore la polarisation d'émission peuvent être affectées par l'environnement de l'émetteur.Il est donc possible de contrôler les propriété d'émission de lumière d'un émetteur unique en contrôlant son environnement, mais est-il possible d'appliquer les même concepts non pas à un émetteur unique mais à une assemblée d'émetteurs? Peut-on réaliser des sources de lumières dont la direction, la polarisation ou le spectre d'émission serait contrôlé ?L'objectif de cette thèse est de concevoir de nouvelles sources de lumières composées d'une assemblée thermalisée d'émetteurs couplée à un résonateur, dont les propriétés d'émission sont contrôlées.Dans le cadre de ma thèse, nous avons utilisé un nouveau modèle théorique développé dans notre groupe de recherche, permettant de modéliser l'émission de lumière d'une assemblée d'émetteurs thermalisés en cavité. Nous avons modélisé l'émission de lumière d'une assemblée de nano-plaquettes couplée à un plasmon propagatif, ainsi que l'émission de lumière d'une assemblée de boîtes quantiques couplée à un mode diélectrique, en appliquant ce modèle. Nous avons enfin utilisé ce nouveau cadre théorique pour concevoir une source de lumière directive et polarisée, composée d'une assemblée de nano-plaquettes sur un réseau d'or.It was in 1946 that Purcell discovered that the spontaneous emission rate of an emitter can be modified by its environment. Since then, several research groups have sought to place all kinds of emitters (atoms, quantum boxes, dye molecules...) in all kinds of cavities (Fabry-Perot cavity, plasmonic cavity, waveguide...) in order to reduce the lifetime of these emitters. Later, it was understood that many of the emission properties of an emitter such as the emission directivity, or the emission polarization can be affected by the environment of the emitter.It is therefore possible to control the light-emitting properties of a single emitter by controlling its environment, but is it possible to apply the same concepts not to a single emitter but to an assembly of emitters? Is it possible to realize light sources whose direction, polarization or emission spectrum would be controlled?The objective of this thesis is to design new light sources composed of a thermalized assembly of emitters coupled to a resonator, whose emission properties are controlled.In the framework of my thesis, we used a new theoretical model developed in our research group, allowing us to model the light emission of an assembly of thermalized emitters in a cavity. We have modeled the light emission of an assembly of nanoplatelets coupled to a propagative plasmon, as well as the light emission of a quantum box assembly coupled to a dielectric mode, by applying this model. We finally used this new theoretical framework to design a polarized and directive light source, composed of an assembly of nanoplatelets on a gold lattice
Metasurface-based ultra fast incandescent sources for spectrally selective emission in the midwave infrared with controlled polarization state
No full textLe moyen infrarouge (MIR) est un domaine spectral central pour de nombreuses applications. Cependant, leur développement est limité par l'absence de sources bon marché, compactes, efficaces et robustes. L'incandescence est une solution répondant à la plupart de ces critères économiques. Les propriétés du rayonnement émis sont toutefois peu intéressantes, l'émission étant à large spectre, non polarisée et isotrope. Les sources thermiques sont également souvent volumineuses et par conséquent lentes car limitées par leur inertie thermique. Ces défauts peuvent être contournés avec l'aide d'outils récemment développés en nanophotonique et nanofabrication. Dans cette thèse, nous concevons, optimisons, fabriquons et caractérisons plusieurs sources incandescentes permettant d'obtenir un rayonnement dans la bande II du MIR avec un spectre et un état de polarisation contrôlés, offrant la possibilité d'une modulation temporelle du signal émis au-delà du mégahertz. Dans un premier temps, nous présentons une source optimisée pour émettre à 5 microns avec une faible largeur spectrale et un fort degré de polarisation linéaire. La modulation de l'émission est contrôlée par sa température dont la modulation rapide est permise par son faible volume et par conduction vers un substrat plus froid. Le contrôle de son spectre d'émissivité est obtenu grâce à un résonateur de type écran de Salisbury. L'état de polarisation est contrôlé en utilisant une métasurface à base de fils métalliques. Nous nous intéressons également au rendement de ce type de source et déterminons les paramètres libres permettant de l'améliorer. Dans un deuxième temps, nous proposons une source optimisée pour émettre dans le MIR, avec un fort degré de polarisation circulaire et modulable rapidement. Cette dernière reprend l'architecture de la première source, bénéficiant ainsi des mêmes avantages en termes de rapidité de modulation et de contrôle du spectre d'émissivité. Le contrôle de l'état de polarisation est obtenu en utilisant une métasurface à base de nanorésonateurs chiraux ayant un couplage différent avec l'une ou l'autre des hélicités de polarisation circulaire. La caractérisation expérimentale de l'état de polarisation du rayonnement émis a également demandé le développement d'un polarimètre de Stokes performant opérant dans le MIR.The midwave infrared (MWIR) is a spectral range of high interest for many applications. However, their development is hindered by the lack of cheap, compact, efficient and robust sources. Incandescence is an interesting solution satisfying most aforementioned economic constraints. Yet, when it comes to physical properties of the emitted light, it suffers from severe drawbacks with a broadband, unpolarized and isotropic emission. Besides, thermal emitters are often bulky, therefore limited by thermal inertia. In fact, these limitations are not fundamental ones and can be overcome by engineering thermal emission using the latest tools developed in the fields of nanophotonics and nanofabrication. In this thesis, we design, optimize, fabricate and characterize several incandescent sources allowing for emission in the MWIR with a controlled polarization and emission spectrum, and sustaining modulation of the signal well beyond the kHz range. In a first part, we present a source optimized to have a narrowband emission spectrum around 5 microns with a high degree of linear polarization. Fast modulation of the emitted signal is controlled by the temperature of thin emitters which can cool down through conduction to a colder substrate. Control over the emissivity spectrum is obtained by using a Salisbury screen resonator and choice over the polarization state is achieved by using a metasurface consisting of metallic wires. We also study the efficiency of such temperature modulation-based sources and determine the relative importance of free parameters such as total emitting area or modulation type. In a second part, we propose a source optimized to emit in the MWIR with a high degree of circular polarization, in addition to sustaining fast modulation. It uses the same architecture as the first proposed source, benefiting from the same advantages in terms of modulation and tunability of the emissivity spectrum. Control over the polarization state is obtained by using nanoresonators having a different coupling to left or right circularly polarized light in the far-field. Experimental characterization of the polarization state is achieved through the development of a novel efficient Stokes polarimeter operating in the MWIR
Combining collective effects and resonators to control spontaneous emission
No full textL’émission spontanée de lumière par un émetteur n’est pas un processus intrinsèque. D’une part, il dépend de l’environnement électromagnétique. D’autre part, il dépend de la présence d’autres émetteurs avec lesquels il peut interagir et générer des interférences.Ces deux effets ont été, dans la plupart des cas, étudiés de manière indépendante. L'objectif de cette thèse est d'explorer comment contrôler l'émission de lumière en utilisant simultanément ces deux types d’effets.La première partie est consacrée à une étude théorique d'un système idéal de deux émetteurs couplés à un résonateur. Les deux émetteurs sont placés à proximité, et l’interaction dipôle-dipôle conduit à la formation de deux états, superradiant et sous-radiant. Le système que l’on obtient agit en tant que source et mémoire quantique de photons uniques, efficace et modulable. On étudie ensuite le cas d’un résonateur plasmonique, à symétrie spatiale antisymétrique, qui permet d’exciter efficacement l’état sous-radiant. On montre qu’on obtient ainsi une forte exaltation de l'effet Purcell, tout en conservant un état spectralement étroit.La deuxième partie explore un système comportant un très grand nombre d’émetteurs couplés à un plasmon de surface se propageant le long d’une interface métal air. Les émetteurs sont des nanoplaquettes, ou puits quantiques colloïdaux. Lorsqu’un film de nanoplaquettes est déposé sur le métal, il est possible d’obtenir un couplage fort. Ce couplage au plasmon de surface permet d'obtenir une émission directive et polarisée.Spontaneous emission of light is not an intrinsic property of an emitter. On the one hand, it depends on the electromagnetic environment. On the other hand, it depends on the presence of other emitters with whom it may interact and generate interferences. Up to date, very few studies address the question of multiple interacting emitters coupled to a resonator. The goal of this thesis is to combine both collective effects and nanoresonators to control the spontaneous emission and scattering of light emitters.First, we theoretically study an ideal system consisting of two emitters coupled to a resonator. The emitters are in close proximity, and the dipole-dipole interaction generates a superradiant state and a subradiant state. The system that we obtain behaves as an efficient, and tunable, single photon source and quantum memory. We then switch to the case of a plasmonic resonator with an antisymmetric mode, which allows to efficiently excite the subradiant state. We show that this results in an enhancement of the Purcell effect while maintaining a spectrally narrow state.In the second part of this thesis, we explore a system of a large number of emitters coupled to a surface plasmon travelling along a metal-air interface.The emitters are nanoplatelets, also called colloidal quantum wells. Strong coupling is obtained when a layer of nanoplatelets is deposited on top of the metal. The coupling of the nanoplatelets to the surface plasmon allows to obtain directional and polarized light emission
Theoretical study of light emission by an ensemble of thermalized emitters in a resonator
No full textLe contrôle des propriétés de l'émission de lumière (taux d'émission spontanée, spectre, directivité, polarisation…) est aux cœur de nombreuses applications actuelles. Une approche remarquablement efficace est l'utilisation d'un résonateur, tel qu'une cavité ou une nanoantenne, pour modifier le processus d'émission par un/des émetteur(s). En particulier, de nombreux dispositifs résonants basés sur des émetteurs à l'état solide ont été étudiés. Cependant, la modélisation théorique de ces dispositifs est plus complexe que pour ceux reposant sur un émetteur unique, et a été peu explorée. Dans cette thèse, nous développons et testons de nouvelles théories pour l'étude de l'émission de lumière par des d'émetteurs à l'état solide via un résonateur, dans le cas particulier où les émetteurs sont localement thermalisés. Dans cette hypothèse, les grandeurs caractérisant l'émission sont simplement l'absorptivité du système, la température des porteurs et leurs quasi-niveaux de Fermi. Il a été ainsi récemment avancé qu'une extension de la loi de Kirchhoff aux systèmes localement thermalisés permet de prédire quantitativement les propriétés de l'émission. Cet outil de modélisation est central dans cette thèse. Quatre problèmes sont abordés : (i) Le contrôle par une métasurface de l'émission spontanée par un ensemble de boîtes quantiques colloïdales est étudié. Un excellent accord entre des simulations avec la loi de Kirchhoff généralisée et des données expérimentales existantes est exposé, démontrant la validité de ce nouvel outil théorique. (ii) Une étude approfondie de la loi de Kirchhoff généralisée est menée, permettant de mettre en évidence sa validité dans le régime laser. (iii) Le phénomène de photoluminescence par un métal pompé par un laser est étudié. Sous pompage continu, des approximations permettent d'établir une loi de Kirchhoff généralisée, bien que les émetteurs ne soient pas thermalisés. Un bon accord entre ce modèle et des données expérimentales est trouvé. (iv) Le phénomène de condensation de Bose-Einstein de photons est étudié, et en particulier son lien avec le régime laser d'émetteurs thermalisés dans un résonateur. Une généralisation hors-équilibre de la distribution de Bose-Einstein est introduite, permettant de relier ces deux régimes et de repenser le régime laser d'un résonateur multimode.The control of the light emission properties (spontaneous emission rate, spectrum, directivity, polarization, etc) is at the heart of many present applications. A remarkably successful approach consists in using a resonator, such as a cavity or a nanoantenna, to modify the emission process of one or several emitter(s). In particular, numerous resonant devices based on solid-state emitters have been studied. However, theoretical modeling of these devices is more challenging than that of devices featuring a two-level emitter, and few possibilities have been explored. In this thesis, we develop and test new theories for the study of light emission by solid-state emitters through a resonator, in the particular case of locally thermalized emitters. In this hypothesis, the variables quantifying the emission are simply the system absorptivity, the carriers temperature, and their quasi-Fermi levels. In this context, it has been argued recently that an extension of the Kirchhoff law of thermal radiation to locally thermalized systems enables a quantitative prediction of the emission properties. This modeling tool is central to this thesis. Four problems are addressed: (i) The control by a metasurface of the spontaneous emission by an assembly of colloidal quantum dots is studied. An excellent agreement between simulations with the Kirchhoff law and existing experimental data is found, showing the validity of this new modeling tool. (ii) A comprehensive study of the generalization of the Kirchhoff's law is made, that reveals its validity in the laser regime. (iii) The phenomenon of photoluminescence by a metal pumped by a laser is studied. Under continuous wave pumping, approximations enable the writing of a generalized Kirchhoff's law, although the emitters are not thermalized. A good agreement between this model and experimental data is found. (iv) The phenomenon of photons Bose-Einstein condensation is studied, and in particular its link with the laser regime of thermalized emitters in a resonator. An out-of-equilibrium generalization of the Bose-Einstein distribution is introduced, that enables linking these two regimes and rethinking the laser regime of a multimode resonator
Going Beyond Counting First Authors in Author Co-citation Analysis
Full text linkThe present study examines one of the fundamental aspects of author co-citation analysis (ACA) - the way co-citation
counts are defined. Co-citation counting provides the data on which all subsequent statistical analyses and mappings
are based, and we compare ACA results based on two different types of co-citation counting - the traditional type that
only counts the first one among a cited work's authors on the one hand and a non-traditional type that takes into
account the first 5 authors of a cited work on the other hand. Results indicate that the picture produced through this non-traditional author co-citation counting contains more coherent author groups and is therefore considerably clearer. However, this picture represents fewer specialties in the research field being studied than that produced through the traditional first-author co-citation counting when the same number of top-ranked authors is selected and analyzed. Reasons for these effects are discussed
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