Approche fondamentale électromagnétique pour les systèmes optiques complexes – FRAXOS

Nous allons aborder ces problèmes à plusieurs niveaux, grâce à l’expertise de Prof. Ingve Simonsen en approches théoriques et numériques pour les problèmes de la diffusion de la lumière, et les savoir-faire de SVI et SGR sur l’élaboration de structures complexes et leurs caractérisations optiques. A l’aide de Prof. Simonsen, nous comptons développer les modèles pour quelques géométries de la diffusion de la lumière et modéliser numériquement leur réponse optique. Ces modèles seront appliqués afin de comprendre les propriétés optiques des produits existants de SGR et les échantillons de SVI. Ces travaux nous permettrons de renforcer les activités sur l’optique à SVI. Au même temps, SVI va élaborer des échantillons correspondent aux cas modèles théoriques, effectuer la caractérisation optique, notamment les études des propriétés plasmoniques seront effectuées et confrontées aux modélisations. Le suivi régulier par les ingénieurs de Saint-Gobain Recherche permettra l’application immédiate des résultats du projet, l’identification des nouvelles géométries et matériaux pertinents pour les applications. Le projet contient trois axes: diffusion de la lumière par les surfaces rugueuses, par les nanoparticules sur le substrat diélectrique, les défauts et inclusions en volume (milieu aléatoire) et son couplage à la diffusion de surface. Le but de chaque partie du projet est d’approfondir la compréhension de la diffusion de la lumière par les nano-structures et systèmes désordonnés, un sujet phare de la recherche contemporaine. Pour les géométries simples (nano-particules, surfaces rugueuse simples) nous développerons des outils pour prédire leur réponses optiques (accessibles au grand public comme le logiciel GranFilm). Ces outils seront accessibles aux laboratoires scientifiques et centres de R&D industrielles.

Les travaux déjà publiés dans le cadre du projet FRAXOS portent sur les surfaces aléatoires et périodiques. Le but du premier groupe des travaux était de reconstruire les propriétés statistiques des surfaces à partir de l’intensité de la lumière co-polarisée diffuse par la surface dans le plan. Grace à la théorie de la perturbation de phase nous avons obtenu des bons résultats pour la composante polarisée s de la lumière diffuse par la surface diélectrique (polarisation incidente s, Phys. Rev. A 93, 043829 (2016)). En parallèle, un de thésards du projet a travaillé sur la conception, fabrication et caractérisation morphologique des surfaces rugueuses modèles. Le deuxième groupe des travaux portait sur la réflexion et la transmission de la lumière polarisé par des surfaces rugueuses aléatoires 2D. Modélisations basés sur l’équation réduite de Rayleigh. Les solutions purement numériques et non-perturbatrices de cette équation ont permis de calculer les moyens différentiels coefficients de réflexion et transmission. Ces quantités peuvent directement être comparées aux valeurs mesures expérimentalement. Le groupe final des travaux portait sur les systèmes périodiques des particules métalliques posées sur le substrat diélectrique. Ce système montre une réponse complexe de matrice de Mueller, causé par les plasmons localisés et les anomalies de Rayleigh. Dans nos travaux récents expérimentaux et théoriques nous avons démontré que tel réponse optique peut être utilisée pour la métrologie de la dimension critique de cristaux plasmoniques (Opt. Lett. 42, 2631 (2017)). En plus de ces travaux publiés et des travaux expérimentaux en cours, nous avons continué le développement de GranFilm (logiciel pour la modélisation des propriétés optiques des nano-paarticules posés sur le substrat plan). Nous avons avancé sur le développement de code de calcul ainsi que sur l’interface python pour ce code.

Nous allons utiliser les caractérisations et mesures déjà effectuées sur les surfaces rugueuses modèles pour tester plusieurs algorithmes sur les données expérimentales et extraire les informations statistiques sur les morphologies des échantillons. Ce travail est en cours et sera communiqué prochainement. Publication des propriétés optiques des nanoparticules tronques posés est en cours de préparation. Au même temps un des thésards associés au projet a commencé d’accumuler les données expérimentales optiques nécessaires pour la validation du développement de GranFilm .

1. A.K. Gonzalez-Alcalde, J.-P. Banon, Ø.S. Hetland, A.A. Maradudin, E.R. Mendez, T. Nordam, and I. Simonsen, «Experimental and numerical studies of the scattering of light from a two-dimensional randomly rough interface in the presence of total internal reflection: Optical Yoneda peaks«, Opt. Express 24, 25995 (2016). 2. Ø. S. Hetland, A. A. Maradudin, T. Nordam, P. A. Letnes, and I. Simonsen «Numerical studies of the transmission of light through a two-dimensional randomly rough interface«, Phys. Rev. A 95, 043808 (2017). 3. V. Perez-Chavez, I. Simonsen, A. A. Maradudin, S. Blaize, and E. R. Mendez «Effective optical properties of supported silicon nanopillars at telecommunication wavelengths«, Opt. Commun. 399, 127 (2017). 4. T. Nesse, S. D. Eder, T. Kaltenbacher, J. O. Grepstad, I. Simonsen, and B. Holst, «Neutral-helium-atom diffraction from a micron-scale periodic structure: Photonic-crystal-membrane characterization«, Phys. Rev. A 95, 063618 (2017). 5. J.-P. Banon, T. Nesse, Z. Ghadyani, M. Kildemo, and I. Simonsen «Critical dimension metrology of a plasmonic photonic crystal based on Mueller matrix ellipsometry and the reduced Rayleigh equation«, Opt. Lett. 42, 2631 (2017).

Le projet FRAXOS propose de travailler sur les propriétés optiques des vitrages de haute technologie produits par Saint-Gobain. La fonctionnalisation de la surface grâce au procédé de dépôt de couche mince est aujourd’hui mature. Cependant la vision couche mince essentiellement à deux dimensions de ces matériaux semble maintenant limitée. L’influence d’une troisième dimension, c’est à dire la rugosité naturelle ou contrôlée de la surface, sur l’interaction entre la lumière et la matière doit être étudiée. Le Professeur I. Simonsen (NTNU : Norwegian University of Science and Technology) invité pour participer à la chaire industrielle a donc pour objectif d’accroître la compréhension théorique de l’impact de cette troisième dimension sur les propriétés optiques des matériaux.
Ce projet repose sur trois axes de recherche connectés :
- Le rôle de la rugosité de la surface sur la diffusion de la lumière,
- Les propriétés plasmoniques de nano-objet métalliques de forme complexe,
- Le couplage de la diffusion en volume et à la surface de la lumière.
La compréhension détaillée de l’interaction lumière – matière (surface ou volume) définie par les trois axes précédents sera utilisée pour résoudre les problèmes appliqués suivants:
- imaginer de nouveaux matériaux ayant des propriétés optiques choisies,
- utiliser la réponse optique d’une surface réelle comme un outil permettant d’identifier ses propriétés physiques (telle que sa topographie).
La retombée importante attendue de ce projet sera la conception d’outils numériques qui seront mis à disposition de la communauté scientifique. En parallèle, la caractérisation optique de structures réelles sera utilisée pour valider l’approche théorique.
Enfin le projet FRAXOS génèrera un environnement scientifique unique autour du professeur I. Simonsen comprenant le partenaire industriel (Saint-Gobain Recherhce) et le laboratoire académique Surface de Verre et Interface (unité mixte CNRs/Saint-Gobain) accompagné de deux laboratoires collaborateurs : l’INSP (Institut des NanoSciences de Paris) et l’institut Langevin (Ecole Supérieur de Physique-Chimie Industrielles). Ce projet permettra d’associer des théoriciens spécialisés en optique à des chercheurs ayant une forte expérience dans la fonctionnalisation de surface.