Propagation lectromagntique dans les nanostructures

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Propagation électromagnétique dans les
nanostructures

• Recherches en photonique aux FUNDP
• Virginie Lousse (gtStanford)
• Cédric Vandenbem
• Stavroula Foteinopoulou (ltIowa State U.)
• Michaël Sarrazin (ltBesançon)
• Laszlo Birò (ltBudapest, visitor)
• Zofia Vèrtezy (ltBudapest, visitor)
• Collaborations
• Besançon , Lille , Utah, Stanford , Lannion

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Cristaux photoniques
Indice de réfraction périodique
Structure en "pile de bois"
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Fabrication

• Microfabrication "couche par couche"
• Moules tridimensionnels (photoresist)
• Autoassemblage
• Séchage de solutions colloidales
• Sédimentation par gravité
• Autoclonage
• Croissance biologique

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Equation d'ondes
Structure en Pile de bois
Bande interdite photonique
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"Yablonovite"
Les gaps photoniques sont-ils possibles ?
K.M. Ho, C.T. Chan, C.M. Soukoulis Phys. Rev.
Letters 65, 3152 (1990) E. Yablonovitch, T.J.
Gmitter, K.M. Leung Phys. Rev. Letters 67, 2295
(1991)
Réseau de puits forés dans un bloc dindice de
réfraction élevé
Démonstration expérimentale Régime des microondes
E. Yablonovitch, T.J. Gmitter, R.D. Meade, A.M.
Rappe, K.D. Brommer, J.D. Joannopoulos, Phys.
Rev. Letters 67, 3380 (1991)
Bande interdite entre 13 GHz-15 GHz (toutes
directions)
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Importance des cristaux photoniques
"gap photonique" espace "plus vide que le vide"

• Guidage des ondes électromagnetiques
• Engéniérie de lémission de radiation

John Joannopoulos
Ely Yablonovitch
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Cristaux photoniques comme réflecteurs
Structure de bandes "projetée"
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Réflecteurs à cristaux photoniques naturels
coloration structurelle
Morpho rhetenor (Male)
Morpho rhetenor (Femelle)
Amérique du Sud
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Absorption ou interférences ?
P. Vukusic, Exeter University
Par immersion, on peut changer la couleur
réfléchie
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Physique de la coloration par interférences
n1 1.38 Alcool isopropylique Chitine
n1.56
i
Faisceaux réfléchis
Faisceau incident
n
d
Film mince
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Aile de Morpho (P. Vukusic, 1999)
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n1.56
62 nm
145 nm
n11.
n11.38
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(No Transcript)
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Souris de mer (McPhedran)
Opales naturelles
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Barbule
verte
verte
brune
Réseau 2D de barres de Mélanine, recouvertes de
kératine, séparées par des trous d'air
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Pourquoi ?

• Big bang de l'évolution (534-533 millions
  d'années)
• 3 -gt 38 embranchements
• Invention de la vision (premier il de trilobite)
• Apparition des prédateurs (il de face) et des
  proies (il de côté)
• Pression de la vision sur l'évolution
• Camouflage (si prédateurs nombreux)
• Signaux sexuels (si prédateurs rares) choix de
  la femelle du paon -gt responsabilité de la
  femelle dans le développement du plumage
  spectaculaire du mâle.
• Pression de la lumière sur l'évolution
• Lumière en tant que chaleur

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Régulation thermique
Lepidoptera Lycaenidae
Terrains de basse-altitude Specimen male
Domaines de haute-altitude (2000-2500 m) Specimen
male
décoloration
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Polyommatus Marcidus (Lederer, 1872) Haute
altitude Elbrus, Iran (b) Male brun
Polyommatus Daphnis (Denis et Schifferemller,
1775) Basse altitude Bassin Pannonien (c) Male
bleu (e) Femelle brune
Polyommatus Daphnis (Denis et Schifferemller,
1775) Basse altitude Anatolie (a) Male bleu (d)
Femelle brune
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Microscopie électronique à balayage
A cette échelle morphologies identiques
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Microscopie électronique à haute résolution
Structure "pepper-pot"
Arête
Absence de "pepper-pot"
(régions violettes)
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Spectre de réflectance UV-Visible
Modèle
Mesuré
Calculé
Bleu vu sous très grand angle
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Mesure de transmission
Pas de grande différence de transmission
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Absorptionthermique
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Réflecteurs à cristaux photoniques en optronique
U. Bath, Malvern Corning Glass
Transmission dans le vide aux fréquences optiques
Science 285, 1538 (1999)
R.F. Cregan B.J. Mangan J.C. Knight T.A.
Birks P.St.J. Russell P.J. Roberts D.C. Allan
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MBIP et Fabry-Pérot
(Virginie Lousse)
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TMM Auto-cohérente
Nouveau
Convergence
état stable
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Bistabilité Résonancenon linéarité
TM
28
Bistabilité Résonancenon linéarité
TM
29
Bistabilité Résonancenon linéarité
TM
30
Bistabilité Résonancenon linéarité
TM
31
Bistabilité Résonancenon linéarité
TM
32
Bistabilité Résonancenon linéarité
TM
33
Bistabilité Résonancenon linéarité
TM
34
Bistabilité Résonancenon linéarité
TM
35
Profil de transmission
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Champ "interne"
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Matériau "Kerr"
non linéarité Effet Kerr optique Réfraction non
linéaire
Cavité Fabry-Pérot non linéaire
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Droite de "Kerr"
39
Points de fonctionnement
40
Points de fonctionnement
41
Points de fonctionnement
42
Points de fonctionnement
43
Points de fonctionnement
44
Points de fonctionnement
45
Points de fonctionnement
46
Points de fonctionnement
47
Points de fonctionnement
48
Points de fonctionnement
49
Points de fonctionnement
50
Points de fonctionnement
51
Points de fonctionnement
52
Points de fonctionnement
53
Points de fonctionnement
54
Points de fonctionnement
55
Cycles d'hysteresis
Indice de réfraction (couche non linéaire)
Coefficient de transmission
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Réflecteurs "pile de bois"
(a)
(b)
(c)
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Résonance sans cavité
Anomalie de wood profil de Fano
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Hystérésis de transmission
Inversée !
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Aiguillage optique programmable
IN Intensité Neutre
A
Intensité nulle (Initialement)
B
Point de fonctionnement neutre
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Aiguillage optique programmable
IN Intensité Neutre
A
Intensité très gtgt IN
B
Point de fonctionnement neutre
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Aiguillage optique programmable
IN Intensité Neutre
Voie ouverte
A
Modulation
IN
Voie fermée
B
Point de fonctionnement neutre
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Aiguillage optique programmable
IN Intensité Neutre
A
Intensité très ltlt IN
B
Point de fonctionnement neutre
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Aiguillage optique programmable
IN Intensité Neutre
Voie fermée
A
IN
Voie ouverte
Modulation
B
Point de fonctionnement neutre
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Autres éléments actifs

• Transistor optique (transfère une modulation de
  signal d'un premier à un deuxième faisceau
  lumineux)
• Discrimination optique (transparent à une
  impulsion seulement quand son amplitude excède un
  seuil fixe)
• Saturation optique (sature l'intensité transmise
  pour atténuer les signaux forts)
• Mise en forme d'impulsion (filtre accordé pour un
  paquet d'onde et désaccordé par l'impulsion
  elle-même)
• Déclenchement optique (impulsion lumineuse forte
  sur la réception d'une commande optique)
• Oscillation optique (battement d'un signal
  d'amplitude constante)