Polarisation 3D : théorie et mesure – 3DPol

De nombreuses applications en photonique impliquent une lumière fortement focalisée ou confinée, où les trois composantes du champ électrique en chaque point sont importantes. Le formalisme standard de polarisation 2D et les outils expérimentaux associés deviennent inadéquats dans ces situations, pour lesquelles une description de la polarisation 3D est nécessaire. Ce projet propose des avancées théoriques et expérimentales dans la description et la mesure de distributions de polarisation 3D et de leurs caractéristiques topologiques. Ce projet a deux objectifs principaux :
1) élaborer un formalisme théorique cohérent, général et intuitif pour décrire la polarisation 3D, complète ou partielle, et appliquer cette théorie à la description et à la conception de champs de polarisations topologiques intéressantes et/ou utiles ;
2) mettre en œuvre et appliquer des techniques expérimentales nouvelles, robustes et efficaces pour générer et mesurer des distributions de polarisation 3D, dans les régimes de polarisation totale et partielle, capables de dépasser les limites actuelles.

L’implémentation du projet comporte trois axes :

Le premièr (WP1) est consacré aux aspects théoriques. Son premier objectif est de proposer de nouvelles représentations intuitives pour l'état local de polarisation, qui implique huit degrés de liberté. Ces représentations devraient hériter des nombreuses propriétés de la sphère de Poincaré pour la polarisation 2D, à savoir sa représentation simple des transformations de polarisation locale, sa connexion à la phase géométrique, et sa description unifiée pour la polarisation totale et partielle. Elles devraient également fournir un cadre naturel pour comprendre les caractéristiques topologiques des distributions de polarisations étendues, permettant de concevoir de nouveaux types de champs dont les polarisations couvrent des sous-espaces complets de polarisation (par exemple, les Skyrmions).
Ces outils permettront la conception et la caractérisation de champs 3D pour le couplage efficace à des nanostructures, la nanofabrication ou la nanomanipulation.
Le second axe (WP2) porte sur le développement de deux nouvelles méthodes pour la mesure efficace et précise de distributions de polarisation 3D, faisant appel à des principes physiques différents pour des échelles différentes.
La première méthode, de résolution sub-micrométrique, consiste à imager le champ diffusé par un réseau 2D de nanoparticules rendant compte de l'état local de polarisation 3D du champ. Cette imagerie de diffusion, en mode fond noir ou fond clair, utilisera un masque de birefringence variable, placé au plan de Fourier d’un microscope, pour encoder la polarisation 3D dans la forme des images de chaque nanoparticule.
La deuxième méthode, de resolution supra-micrométrique, convient aux variations de polarisation 3D plus lentes sur des champs de vision beaucoup plus grands, pertinents pour des distributions de champ non paraxiales et des déformations arbitraires de front d'onde. Son principe de fonctionnement est l'interaction du champ avec une couche de cristaux liquides, dont la structure interne capture les caractéristiques du champ mesuré.
Le troisième axe (WP3) porte sur la conception et la mise en œuvre de masques de birefringence variable, avec deux objectifs : la génération de distributions de polarisation 3D, et l’encodage de polarisation 3D dans la méthode d’imagerie de diffusion. Pour les deux, nous utiliserons des technologies à base de cristaux liquides bénéficiant de leur compacité, de leur haute transmissivité et de leur reconfigurabilité. Ces dispositifs seront mis en œuvre pour correspondre le mieux possible aux solutions optimales qui seront trouvées théoriquement.

Les avancées théoriques et expérimentales combinées de 3DPol permettront de mieux comprendre le comportement des champs optiques dans des situations pertinentes pour les applications nanophotoniques actuelles.