Thèse Effets Non Linéaires dans les Métamatériaux Multi-Résonants Sous Excitation Intra-Pulse H/F Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Université Paris-Saclay GS Physique École doctorale : Ondes et Matière Laboratoire de recherche : ONERA/DOTA - Département Optique et Techniques Associées Direction de la thèse : Baptiste FIX ORCID 0000000256109078 Début de la thèse : 2027-01-01 Date limite de candidature : 2026-12-01T23:59:59 Les nanostructures plasmoniques permettent de concentrer la lumière dans des volumes très sub-longueur d'onde, d'augmenter l'intensité du champ électrique et d'exalter ainsi les interactions lumière matière. Elles peuvent être mises à profit dans des scénarios d'exaltation des effets non linéaires (Keren-Zur et al., Advance Optical Materials (2018), Soun. et al, Opt. Lett. (2021), ), en particulier pour développer des sources dans le domaine infrarouge lointain et le THz.

Ces nanostructures vont avoir un comportement de métamatériau non linéaire, i.e. un matériau qui va présenter une susceptibilité non linéaire plusieurs ordres de grandeur supérieurs aux matériaux usuels. Ainsi, nous avons pu exalter l'efficacité de conversion par génération de seconde harmonique de plusieurs ordres de grandeur (Matthia et al., Opt. Lett. (2022)). Récemment, nous avons dévellopé des simulations de nanostructures 3D permettant d'exalter le phénomène non-linéaire de différence de fréquence (DFG) au sein d'un unique faisceau pompe large bande : c'est la DFG intra-pulse.

Dans ce contexte, la thèse a pour objectif de développer des sources infrarouges et Térahertz basées sur la DFG intra-pulse exalté par nanostructure. Le travail de thèse débutera par une étude bibliographique et par la prise en main des codes de modélisation de nanostructures pour l'optique non linéaire sur COMSOL. Ensuite, le doctorant étudiera la conception de métasurfaces 3D à base d'antennes planes multi résonantes pour faire de l'optique non linéaire d'ordre 2, pour générer dans le proche infrarouge ou le THz, en testant différents matériaux et architectures. Les structures conçues seront fabriquées en salle blanche. Le doctorant participera à la fois à la fabrication des échantillons et à leur caractérisation linéaire et non linéaire. Il sera également amené à faire évoluer les bancs de caractérisation pour intégrer une nouvelle source laser femtosecondes dont le spectre d'émission, accordable de 700 nm à 5 µm, ouvrira de nombreuses possibilité de dimensionnement. Ce travail s'inscrit dans une double logique de recherche fondamentale et appliquée. La thèse de H. Pitot-belin a récemment ouvert de nouvelles perspectives pour l'émission dans l'infrarouge lointain et le THz en développant des nanostructures exaltant la « DFG intra-pulse ». Adresser l'émission dans le domaine THz est un enjeux technologique fort pour le développement des technologies dans cette gamme spectrale. En effet, peu de type de sources sont disponible et elles sont fortement limité en terme de puissance d'une part, et de qualité optique d'autre part.
Les efficacités de conversion prédites par DFG du proche infrarouge (autours de 1550 nm) vers le THz (de 1 à 3 THz) dans nos nanostructures sont de l'ordre de 0.1, ce qui permettrai de se positionner dans le paysage des sources commerciale. De plus, ces efficacités et la simplification d'opération (une seule source pompe) ouvrent de nouvelles opportunités d'application à ces sources de lumières.
Nous sommes aujourd'hui en position de faire des démonstrations théoriques et expérimentales en nous appuyant sur un ensemble d'outils performants et de nous positionner comme l'état de l'art au niveau mondial. Les efficacités de conversion prédites par DFG du proche infrarouge (autours de 1550 nm) vers le THz (de 1 à 3 THz) dans nos nanostructures sont de l'ordre de 0.1, ce qui permettrai de se positionner dans le paysage des sources commerciale. De plus, ces efficacités et la simplification d'opération (une seule source pompe) ouvrent de nouvelles opportunités d'application à ces sources de lumières.