COntrôler la ProPagation des Ondes de LAmb – COPPOLA

Quelle que soit la nature des ondes utilisées et les milieux de propagation traversés, le contrôle des ondes est d'un intérêt fondamental pour de nombreuses applications allant de l'imagerie du vivant au contrôle non destructif dans l'industrie en passant par les télécommunications et la défense. Ces trente dernières années, de nombreuses études ont été menées sur ce sujet. D'une part, il a été montré que l'on peut tirer profit de la complexité du milieu pour focaliser les ondes ou imager différents objets en contrôlant le front d'onde incident de manière cohérente. D'autre part, on peut forcer une onde à se propager suivant un chemin désiré en concevant soi-même le milieu de propagation. Cela peut être réalisé en fabriquant des méta-matériaux, structurés à l’échelle sub-longueur d'onde. L’avènement de telles structures a donné naissance aux concepts fascinants que sont la réfraction négative et l’optique transformationnelle.

La réfraction négative a ouvert la voie à la notion de lentille parfaite et la possibilité de vaincre la limite de la diffraction en imagerie. Cela a aussi donné naissance à la notion de milieux complémentaires et la possibilité d’annuler la propagation d’une onde en adjoignant deux milieux d’indice de réfraction opposés. Les concepts d'optique et d’acoustique transformationnelle sont un outil de choix pour la conception des méta-matériaux. Les chemins empruntés par une onde peuvent en effet être contrôlés en concevant un matériau dont les paramètres constitutifs (densité et module d'élasticité pour les ondes acoustiques) varient spatialement suivant une transformation géométrique associée à une déformation de l’espace.

L’objectif du projet COPPOLA est de développer ces deux concepts dans le contexte des ondes élastiques guidées. Ces dernières, communément appelées ondes de Lamb, font l’objet actuellement d’un intérêt croissant pour la conception de nouveaux composants passifs pour les ondes radiofréquence, pour l’élaboration de nouveaux capteurs/actionneurs acoustiques en technologie MEMS, ainsi qu’en contrôle non destructif. Pour toutes ces applications, le contrôle des ondes de Lamb est essentiel.

Or, les ondes élastiques guidées sont des candidates idoines pour l’application des concepts de réfraction négative et d’acoustique transformationnelle. D'une part, elles présentent un caractère dispersif riche et complexe avec une vitesse de phase qui dépend du rapport entre l'épaisseur de la plaque élastique et la longueur d'onde. En contrôlant cette épaisseur, on peut donc gouverner la vitesse de phase locale des ondes de Lamb. Par ailleurs, certains modes de Lamb présentent une vitesse de phase négative. En modifiant de manière abrupte l’épaisseur d’un plaque, un mode à vitesse de phase positive peut être converti en un mode à vitesse de phase négative, donnant lieu ainsi au phénomène de réfraction négative.

Le projet COPPOLA va donc consister à développer une stratégie pour la manipulation des ondes élastiques basée sur la réfraction négative et la notion de milieux complémentaires afin de guider, piéger ou focaliser les ondes de Lamb à notre guise, ou encore rendre invisible certaines zones du milieu de propagation en s’appuyant sur la notion de milieux complémentaires. Enfin, une dernière étape plus ambitieuse sera d’étendre cette approche aux modes de Lamb évanescents et de concevoir une lentille parfaite capable de contrôler et de focaliser les ondes élastiques à l’échelle sub-longueur d’onde.

Les dispositifs ainsi conçus seront fabriqués par la plateforme technologique de Femto-ST grâce à une méthode bien identifiée: la gravure au plasma. Comme preuve de concept, ces dispositifs opèreront dans le mégahertz. Ils seront testés expérimentalement au moyen des techniques ultrasons-laser. Celles-ci bénéficieront de l’apport des techniques de contrôle du front d’onde optique afin de pouvoir exciter sélectivement le mode de Lamb qui nous intéresse sur la bande passante de notre choix.