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Phoxonic crystals and optomechanical properties : interaction of photons and phonons
No full textDans cette thèse, on étudie l’interaction optomécanique dans les cavités des cristaux phoxoniques définis comme des cristaux à la fois photonique et phononique. Ces structures périodiques peuvent présenter simultanément des bandes interdites absolues pour les ondes électromagnétiques et pour les ondes acoustiques. L’introduction de défauts tels qu’une cavité dans le cristal permet d’obtenir à la fois des photons et des phonons localisés. Ce confinement simultané des deux excitations à l’intérieur d’une même cavité permet d’exalter leur interaction et d’envisager de nouveaux dispositifs acousto-optiques à l’échelle submicronique. Nous avons étudié théoriquement cette interaction optomécanique dans différentes structures de cristaux phoxoniques (2D, plaques et nanoguide structuré). Nous avons mis en évidence l’effet du changement du matériau et de la longueur d’onde incidente sur le couplage optomécanique. Les résultats pour le nanoguide structuré ont été comparés à des résultats expérimentaux réalisés par nos partenaires. Enfin, le couplage phonon-plasmon est abordé à la fois en terme de premiers résultats et de perspective.In this thesis, we study optomechanic interactions in phoxonic crystals which are defined as dual phononic/photonic crystals that can exhibit simultaneously phononic and photonic band gaps. The existence of absolute band gaps allows the simultaneous confinement of both waves that, in turn, can produce the enhancement of their interaction for the purpose of novel and high-performance optomechanical and acousto-optic devices and applications. A main objective is the modulation of light by acoustic waves when both excitations are confined inside the same cavity or propagate with a slow group velocity inside a waveguide. We have studied theoretically the optomechanic interactions in different (2D, slabs and strip) phoxonic crystals cavities. We have demonstrated the dependence of these optomechanic interactions as a function of both the nature of the material and the incoming optical wavelength. The results for strip waveguides have been compared with experimental results performed by our partners. Finally, as a perspective, we began to study the phonon-plasmon coupling
Phononic crystals and acoustic metamaterials : applications to guiding and filtering phenomena and acoustic isolation
No full textCette thèse est consacrée à l’étude de certaines propriétés nouvelles des cristaux phononiques et des métamatériaux acoustiques. La plupart des simulations numériques a été réalisée à l’aide de la méthode F.D.T.D. Une partie préliminaire a porté sur l’existence de bandes interdites dans un cristal phononique 2D constitué de cylindres d’acier dans l’eau et notamment une application originale au démultiplexage. Dans ce travail, nous nous sommes plus particulièrement intéressés au cas d’un cristal phononique à résonances localisées présentant de multiples gaps basses fréquences, nettement en dessous du gap de Bragg. Le cristal étudié est constitué de cylindres concentriques de matériaux ayant des constantes élastiques très différentes, immergés dans une matrice fluide. Il présente plusieurs zéros de transmission basses fréquences dont on a étudié les comportements en fonction des paramètres physiques et géométriques. Nous avons montré comment élargir ces zéros de transmission pour obtenir des bandes de fréquences interdites. Nous avons calculé les paramètres effectifs autour d’une résonance et montré que la densité effective massique pouvait devenir négative sur une certaine gamme de fréquence. La dernière partie de ce travail est consacrée à l’étude d’une structure originale 3D, constituée de piliers déposés sur une plaque fine, qui permet d’obtenir l’ouverture d’un gap très basse fréquence par rapport au gap de Bragg. Nous avons étudié les conditions d’existence des bandes interdites ainsi que certaines propriétés de guidage et de filtrage. Enfin, nous avons étudié la transmission entre deux substrats par l’intermédiaire d’un réseau périodique de piliers. Nous avons mis en évidence une transmission exaltée, associée à une résonance de Fano.This thesis is devoted to the study of some new properties of phononic crystals and acoustics metamaterials. Most of simulations were carried out using F.D.T.D. method. A preliminary part was devoted to the study of the existence of gaps in a 2D phononic crystal made up of steel cylinders in water and in particular an original application to demultiplexing. In this work, we are more particularly interested by a phononic crystal with localized resonances displaying several low frequencies gaps well below the Bragg gap. The studied crystal consists of concentric cylinders having different elastic constants, immersed in a fluid matrix. It presents several zeros of transmission at low frequencies whose behaviors were studied as a function of the physical and geometrical parameters. We showed how to widen these zeros of transmission to obtain prohibited gaps. We calculated effective parameters around a resonance and showed the possibility of negative effective mass density. The last part of this work is devoted to the study of an original 3D structure, consisted of pillars deposited on a thin plate, which makes it possible to obtain the opening of a very low frequency gap compared to the Bragg gap. We studied the conditions of existence of the forbidden bands as well as guiding and filtering properties of this structure. Finally, we studied the transmission between two substrates across a periodic array of pillars. We highlighted an enhanced transmission, associated to a Fano resonance
Band gap engineering in simultaneous phononic and photonic crystal slabs
Get PDFWe discuss the simultaneous existence of phononic and photonic band gaps in two types of phononic crystals
slabs, namely periodic arrays of nanoholes in a Si membrane
and of Si nanodots on a SiO2 membrane. In the former
geometry, we investigate in detail both the boron nitride
lattice and the square lattice with two atoms per unit cell
(these include the square, triangular and honeycomb lattices
as particular cases). In the latter geometry, some preliminary
results are reported for a square lattice
Random phononic crystals
No full textAu début des années 1990, une nouvelle discipline de la physique est apparue à travers l'étude des cristaux phononiques. Ce travail s'intéresse aux cristaux phononiques, cristaux artificiels dont les propriétés physiques peuvent être modulées par la nature et/ou la géométrie de leurs composants. Ces matériaux ont ainsi permis la manipulation et le contrôle des ondes élastiques avec des structurations d'inclusions dans l'ordre de grandeur de la longueur d'onde excitatrice. Avec les années 2000, les métamatériaux acoustiques ouvrent de nouvelles perspectives, basées sur le concept physique de milieu effectif aux grandes longueurs d'onde. L'origine des métamatériaux acoustique s'appuie alors sur le concept physique de la résonance propre des inclusions et offrent ainsi de nouvelles applications comme la réfraction négative, le cloaking ou l'hyperfocalisation. Ce travail est une première approche sur l'effet du désordre dans des métamatériaux acoustiques. Pour cela, nous étudions une structure de métamatériau acoustique formée de cylindres sur un substrat semi-infini. Les effets des matériaux et de la géométrie constitutifs des cylindres et de la surface sur les ondes acoustiques de surface seront étudiés. Nous étudions alors le couplage entre piliers et la possibilité de propagation le long d'une chaine. Nous mettons en évidence l'effet de couplage élastique entre piliers à partir du mode de compression et la possibilité de propagation et de contrôle des ondes acoustiques dans les milieux sub-longueur d'onde. L'étude est étendue à une surface à deux dimensions et une distribution périodique, hyperuniforme et aléatoire de la position des piliers.In the early 1990s, a new discipline of physics appeared through the study of phononic crystals. This work focuses on phononic crystals, artificial crystals whose physical properties can be modulated by the nature and/or the geometry of their components. These materials have allowed the manipulation and control of elastic waves with inclusion structures in the order of magnitude of the exciting wavelength. With the 2000's, acoustic metamaterials open new perspectives, based on the physical concept of effective medium at long wavelengths. The origin of acoustic metamaterials is based on the physical concept of eigen resonance of inclusions and thus offer new applications such as negative refraction, cloaking or hyperfocusing. This work is a first approach on the effect of disorder in acoustic metamaterials. For this purpose, we study an acoustic metamaterial structure formed by cylinders on a semi-infinite substrate. The effects of material and geometry of both the cylinders and the surface on the surface acoustic waves is studied. We then study the coupling between pillars and the possibility of propagation along a chain. We highlight the effect of elastic coupling between pillars from the compression mode and the possibility of propagation and control of acoustic waves in sub-wavelength regime. The study is then extended to a two-dimensional surface with a periodic, hyperuniform, and random distribution of the position of the pillars
Disordered metasurfaces for absorption at infrared wavelengths
No full textL'emploi de désordre dans la position des méta-atomes permet d'améliorer les propriétés de rayonnement électromagnétique des métasurfaces par rapport aux configurations périodiques. D'autre part, les techniques émergentes d'auto-assemblage peuvent être mises à profit pour réduire le temps et le coût de leur fabrication. Cette thèse concerne l'étude du désordre de position au sein d'une métasurface absorbante, dans le domaine du proche infrarouge. Elle repose sur l'agencement de résonateurs métal-isolant-métal connus pour favoriser la localisation du champ électromagnétique par couplage de plasmons localisés. Le désordre est introduit par déplacement des méta-atomes à partir d'une configuration périodique initiale, par une quantité aléatoire d'amplitude contrôlable. L'absorption des métasurfaces a été calculée par la méthode numérique des éléments finis grâce au logiciel de simulation CST Microwave Studio®. Les résultats de simulation montrent que la quantité de désordre peut être ajustée en fonction de la densité de résonateurs pour optimiser le niveau d'absorption. En particulier, les métasurfaces de forte densité et très désordonnées présentent des niveaux d'absorption assez élevés sur une large bande de fréquence. Ces propriétés ne peuvent pas être obtenues par les configurations périodiques de résonateurs. Ces observations ont été testées expérimentalement sur des échantillons fabriqués par lithographie électronique et caractérisés par ellipsométrie et par traitement des images obtenues par microscopie à balayage, dans l'environnement de salle blanche de l'Institut d'Electronique, de Microélectronique et de Nanotechnologies (IEMN). Par des mesures en champ sombre et par caméra de phase réalisées dans le cadre d'une collaboration avec l'Institut Carnot de Bourgogne, nous avons pu mesurer qualitativement les propriétés d'absorption des métasurfaces en fonction de la quantité de désordre et de la densité de méta-atomes. Nous avons ainsi mis en évidence expérimentalement l'intérêt de travailler avec des métasurfaces denses et désordonnées, ce qui confirme les résultats numériques.The use of disorder in the position of meta-atoms allows for the improvement of the electromagnetic radiation properties of metasurfaces compared to periodic configurations. On the other hand, emerging self-assembly techniques can be leveraged to reduce the time and cost of their fabrication. This thesis concerns the study of positional disorder within an absorbing metasurface in the near-infrared domain. It relies on the arrangement of metal-insulator-metal resonators known to enhance the localization of the electromagnetic field through the coupling of localized plasmons. Disorder is introduced by displacing the meta-atoms from an initial periodic configuration by a random amount of tunable amplitude. The absorption of metasurfaces was calculated using the finite element numerical method through CST Microwave Studio® simulation software. Simulation results show that the amount of disorder can be adjusted based on the resonator density to optimize the absorption level. In particular, highly dense and very disordered metasurfaces exhibit sufficiently high absorption levels over a wide frequency band. These properties cannot be achieved by periodic resonator configurations. These observations were experimentally tested on samples manufactured by electron lithography and characterized by ellipsometry and processing of images obtained by scanning microscopy in the cleanroom environment of the Institute of Electronics, Microelectronics, and Nanotechnology (IEMN). Through measurements in dark field and phase camera conducted in collaboration with the Carnot Institute of Burgundy, we were able to qualitatively measure the absorption properties of metasurfaces as a function of disorder quantity and meta-atom density. Thus, we experimentally demonstrated the advantage of working with dense and disordered metasurfaces, confirming the numerical results
Study of photonic membranes in the MIR for individual thermal comfort
No full textLes vêtements sont des acteurs essentiels de notre quotidien afin de satisfaire le confort thermique du corps humain. Cependant, les vêtements conventionnels présentent généralement des performances thermiques médiocres et peu contrôlées. En effet, une variation brutale de la température de la pièce affecte considérablement le confort thermique du corps. D’où la nécessité d’utiliser de manière continue des systèmes de chauffage, ventilation, et climatisation (CVC) dans des espaces clos, afin de maintenir un environnement thermique approprié de la pièce. Cependant cette solution montre clairement ses limites par une consommation énergétique considérable qui affecte les secteurs de l’économie, de l’énergie et de l’environnement. Le développement de nouveaux textiles capables de gérer, à proximité de la peau, la température du corps humain, sur une large gamme de températures ambiantes, sans apport d'énergie supplémentaire, apparaît alors comme une solution alternative d’une urgente nécessité.Le corps humain, pour une température de peau de 34°C, émet des rayonnements électromagnétiques (EM) dans le moyen infrarouge (MIR) responsables de plus de 50% des pertes thermiques d’un individu. Une compréhension et une maîtrise de ces rayonnements permettraient de contrôler la température du microclimat, espace d’air entre le corps et le textile. Dans ce contexte, concevoir des textiles passifs, qui modulent les rayonnements MIR, présente un défi pour la communauté scientifique.Le but de la thèse est d’étudier théoriquement et expérimentalement les réponses spectrales dans le MIR (5-15 µm) de différentes membranes à faibles indices de réfraction afin de contrôler la thermorégulation individuelle. Nous avons démontré que l’insertion de particules dans des membranes permettait de moduler son absorption et donc, selon la loi de Kirchhoff, son émissivité. Sur la base de ces résultats, nous avons proposé un tissu asymétrique à réchauffement radiatif haute performance pour des environnements présentant des températures allant de froide à modérée. Dans un deuxième temps, nous avons élargi l’étude aux propriétés de transmission, réflexion, absorption et diffusion de membranes photoniques à base de polymère. Nous avons montré que celles-ci, sous certaines conditions géométriques, étaient capables de moduler le rayonnement EM dans le MIR, permettant ainsi d’agir sur la thermorégulation du microclimat.Le travail de thèse est basé sur des calculs analytiques et numériques par la méthode des éléments finis (FEM). L’étude numérique a été accompagnée par des expériences de fabrication en salle blanche à l’IEMN et de caractérisation par spectroscopie infrarouge (FTIR).Clothing is an essential part of our daily life in order to satisfy the thermal comfort of the human body. However, conventional clothing generally exhibits poor thermal performance and weakly controlled. Indeed, a sudden change in the temperature of the room considerably affects the thermal comfort of the body. Hence the need for continuous use of heating, ventilation, and air conditioning (HVAC) systems in indoor areas, in order to maintain an appropriate thermal environment of the room. However, this solution clearly shows its limitations by the huge energy consumption which affects the sectors of economy, energy, and environment. Therefore, the development of new textiles able to manage the temperature of the human body close to the skin, over a wide range of ambient temperatures, without additional energy input, appears to be an urgently needed alternative solution.The human body, at a skin temperature of 34 °C, emits electromagnetic (EM) radiation in the mid-infrared (MIR) responsible for more than 50% of individual’s heat loss. Understanding and control those radiation would make it possible to control the temperature of the microclimate, corresponding to the air space between the body and the textile. In that context, designing passive textiles, which modulate MIR radiation, presents a challenge for the scientific community.The objective of the thesis is to theoretically and experimentally study the spectral responses in the MIR (5-15 µm) of different membranes with low refractive indexes in order to control individual thermoregulation. We have shown that the insertion of particles into membranes modulates its absorption and therefore, according to Kirchhoff's law, its emissivity. Based on these results, we proposed a high performant radiative warming asymmetric fabric for environments from cold to moderate temperatures. Secondly, we extended the study to the transmission, reflection, absorption and diffusion properties of polymer-based photonic membranes. We have shown that these latter, under specific geometric conditions, were able to modulate the EM radiation in the MIR, thus making it possible to act on the thermoregulation of the microclimate.The thesis work is based on analytical and numerical calculations by the finite element method (FEM). The numerical study was coupled with cleanroom manufacturing experiments at IEMN and infrared spectroscopy characterization (FTIR)
Acoustic metasurface by coupling between Helmholtz resonators for low frequency sound attenuation
No full textLes dernières décennies ont vu l'augmentation indésirable de nuisances sonores, surtout aux basses fréquences, dû au fait d'augmentation importantes des sources de bruit lié au développement des activités humaines. Celles-ci exigent des solutions d'isolation innovantes car l'existant s'appuie sur des dispositifs épais qui posent des problèmes d'intégration. La découverte récente des métasurfaces acoustiques représente une réponse adéquate, notamment les structures localement résonantes basées sur des résonateurs de Helmholtz (HR). Ce type de résonateur a gagné en popularité dans la manipulation du son à basse fréquence en raison de la simplicité de son concept et de sa fabrication. L'objectif de cette thèse est de concevoir numériquement et de valider expérimentalement une métasurface acoustique composée d'unités de résonateurs de Helmholtz présentant une épaisseur inférieure à la longueur d'onde, fonctionnant comme isolateur phonique pour les sons à basses fréquences. Pour améliorer l'efficacité de l'isolation, le défi a été d'élargir la bande étroite de la réponse fréquentielle. Ainsi, l'étude s'est concentrée sur l'analyse du comportement des résonateurs de Helmholtz dans les champs proches et lointains, en mettant l'accent sur le couplage des unités HR, ce qui offre de nouvelles possibilités d'absorption aux basses fréquences. En utilisant la méthode numérique des éléments finis avec le logiciel "COMSOL MULTIPHYSICS", l'étude révèle l'importance du couplage inter-unités pour élargir et multiplier les réponses de résonnance et de fait l'atténuation à basse fréquence. Les résultats numériques ont été confrontées à des mesures expérimentales en utilisant des balles de ping-pong comme HR. Cette étude peut ouvrir de nouvelles voies pour de nombreuses applications de la vie quotidienne, telles que le contrôle des effets sonores extérieurs en décorant l'environnement urbain à l'aide de métasurfaces de résonateurs de Helmholtz.Recent decades have seen an undesirable increase in noise pollution, especially at low frequencies, due to the significant increase in noise sources associated with the development of human activity. This nuisance requires innovative insulation solutions, as existing systems rely on thick devices that pose integration problems. The recent discovery of acoustic metasurfaces represents an appropriate response, in particular locally resonant structures based on Helmholtz resonators (HR). This type of resonator has gained popularity in low-frequency sound manipulation due to the simplicity of its concept and fabrication. The aim of this thesis is to numerically design and experimentally validate an acoustic metasurface based on Helmholtz resonator units of sub-wavelength dimensions, functioning as a phonic isolator for low-frequency sound. To improve isolation efficiency, the challenge was to broaden the narrow band of frequency response. Thus, the study focused on analyzing the behavior of Helmholtz resonators in the near and far fields, with emphasis on the coupling of HR units, offering new possibilities for absorption at low frequencies. Using the numerical finite element method with "COMSOL MULTIPHYSICS" software, the study reveals the importance of inter-unit coupling in broadening and multiplying resonance responses and hence low-frequency attenuation. Numerical results were compared with experimental measurements using ping-pong balls as HR. This study may open up new avenues for many everyday applications, such as controlling outdoor sound effects by decorating the urban environment with Helmholtz resonator metasurfaces
Propagation et localisation des ondes élastiques et électromagnétiques dans les matériaux phononiques, photoniques et plasmoniques
No full textLes cristaux phononiques sont définis comme des matériaux composites constitués d’une distribution périodique d’inclusions incorporées dans une matrice. Du fait de leur structure périodique et d’un fort contraste élastique entre leur constituants, ces matériaux peuvent présenter, sous certaines conditions, des gaps acoustiques absolus, c'est-à-dire des bandes de fréquences interdites quelle que soit la direction de propagation de l’onde élastique incidente. Dans ce travail, nous nous sommes focalisés sur trois points d’études récents. Le premier d’entre eux fait partie de l’étude des propriétés physiques liées à l’introduction de défauts dans les cristaux phononiques conduisant au guidage, au filtrage et à la séparation de signaux acoustiques.- La capacité de contrôler les propriétés élastiques des cristaux phononiques les rend tout particulièrement attrayant pour un champ large d’applications dans le domaine de la technologie des transducteurs. La seconde partie du chapitre est dévouée à la propagation des ondes acoustiques dans les cristaux phononiques de hauteur finie comme le cas de membranes libres ou déposées sur un substrat semi-infini. Ces structures ont suscité une attention particulière dans la recherche de gaps absolus. L’existence de gaps dans ce type de géométries est un point essentiel dans l’introduction de diverses fonctionnalités comme le guidage et le filtrage dans les structures finies et les circuits intégrés. Notons que les cristaux phononiques peuvent opérer aux fréquences télécoms (autour de 1GHz) lorsque la dimension du paramètre de maille du cristal est de l’ordre du micromètre.- Enfin, nous proposons dans la troisième section de ce chapitre, un nouveau type de structure enrobée qui permet d’obtenir plusieurs gaps à partir d’un enrobage multicoaxial des inclusions. Une bande interdite absolue, quand elle existe, peut être un gap de type Bragg. Elle peut aussi trouver son origine dans des résonances locales de la structure. Dans ce dernier cas, on montre qu’il est possible d’obtenir des gaps absolus à des valeurs de fréquences un à deux ordres de grandeur inférieurs à celles prédites par la diffraction de Bragg. Cette propriété conduit à l’obtention de très basses fréquences sans augmentation démesurée de la cellule unitaire du cristal. Ces matériaux sont connus sous le nom de Locally Resonant Sonic Materials (LRSM). Dans le second chapitre, nous nous sommes intéressés à la propagation dans des microguides diélectriques couplés à des résonateurs. Dans la plupart des circuits optiques hautement intégrés, les résonateurs sont indispensables dans l’obtention de fonctions de filtrage et de transfert en longueur d’onde. Nous avons étudié l’efficacité de filtrage d’un nouveau résonateur constitué d’un guide d’onde couplé à une cavité rectangulaire disposé de part et d’autre du guide, formant une croix. L’intérêt de ce résonateur est de présenter un encombrement jusqu’à dix fois plus faible que les microdisques, favorisant ainsi leur intégration dans les circuits optiques. L’étude s’oriente actuellement vers de nouvelles structures plasmoniques permettant de diminuer d’un ordre de grandeur la largeur du guide pour une même longueur d’onde, atteignant ainsi une valeur de 50nm. Les compétences acquises dans le domaine photonique sur les propriétés de filtrage et de démultiplexage ont été appliquées dans le domaine plasmonique
Dynamique de l'aimantation : d'un film simple aux systèmes couplés
No full textThe first part of this thesis describes the magneto-optical effects (from visible light to X-rays), the ways to produce dynamical magnetic fields and the different magnetometres that have been developed. These instruments allow studying dynamics over a time scale from 50 ps to several hours, with a spatial resolution down to 100 nm. The second part is dedicated to a short presentation of magnetism and theoretical approaches to magnetization dynamics. The third part presents studies on a garnet film, where the dynamics is dominated by precessional effects, and a Co/Pt multilayer where thermally activated effects (nucleation, propagation) dominate. In the fourth and final part, I start with the presentation of a study on coupled ferro/antiferromagnetic Co/NiO bilayers. Then results of a study on the disappearance of the magnetostatic orange-peel coupling at high reversal speed in ferromagnetic/non-magnetic/ferromagnetic trilayers deposited on step-bunched substrates are presented.La première partie de cette thèse décrit les effets magnéto-optiques (du visible aux Rayons X), les techniques de production dynamique de champ magnétique ainsi que les différents magnétomètres élaborés. Ces instruments permettent une étude sur une plage dynamique très importante de 50 ps à plusieurs heures avec une résolution spatiale jusqu'à 100 nm. Suit une partie consacrée à une présentation succincte du magnétisme et des approches théoriques de la dynamique de l'aimantation. La troisième partie est consacrée à l'étude d'un film de grenat où la dynamique est dominée par des effets de précession de l'aimantation, puis d'une multicouche Co/Pt où la dynamique est dominée par des effets d'activation thermique. Enfin la quatrième partie présente l'étude des systèmes couplés Ferro-AntiFerro Co/NiO puis une étude sur la disparition du couplage peau d'orange à haute vitesse de renversement de l'aimantation sur des tricouches Ferro-Nonmagnétique-Ferro déposées sur des substrats à accumulation de marches
Fundamental Properties of Phononic Crystal
No full textInternational audiencePhononic crystals are periodic composite structures where the elastic and acoustic properties display a periodic variation in space. They are in general constituted by a periodic array of inclusions in a matrix. Due to their periodicity, they can exhibit absolute band gaps in which the propagation of elastic waves is prohibited in any direction of the space. More generally, tailoring their band structure allows the control and manipulation of elastic waves and pave the way to several functionalities ranging from sound isolation to filtering and signal processing, negative refraction and high resolution imaging, nanoscale thermal transport managing, quantum information processing. In this chapter, we discuss some basic properties of the phononic crystals, in particular the dependence of the band gaps with the nature of the constituent materials (solid or fluid), the contrast between the elastic properties of the constituents, the shape and the filling fraction of the inclusions, the crystal lattice. We discuss the existence of gaps resulting from Bragg interference or from local resonances. The localized modes associated with defects such as cavities and waveguides are presented and their functionalities in filtering and multiplexing applications are discussed
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