Fast modulation of infrared emission by incandescent metasurfaces
Modulation rapide de l’émission infrarouge de métasurfaces incandescentes
Résumé
Currently, there is no available source in the mid-infrared range which can be cheap, compact, and whose intensity can be modulated at high frequency. For this purpose, thermal radiation is often considered irrelevant because of the blackbody properties: it is intrinsically broadband, isotropic, unpolarized and the intensity modulation rate is usually limited to a few hertz by thermal inertia.However, there is no fundamental limit that imposes these properties. The goal of this thesis is to design, fabricate and experimentally characterize infrared incandescent sources with a controlled spectrum and polarization and with an intensity that can be modulated faster than 10 megahertz. We present devices which rely on fast temperature modulation of a thin emitter placed on a cold substrate. Indeed, thanks to heat conduction, this emitter can cool down within a characteristic time which varies as the square of its thickness.Firstly, we show a device emitting in MWIR (mid-wave infrared, 3 – 5 microns) based on the Salisbury screen’s principle. We characterize its frequency response up to 10 MHz.Then, we modify this structure and use instead a sub-wavelength metallic grating, thus demonstrating a MWIR source linearly polarized with the same modulation properties.Finally, we propose several devices which can emit circularly polarized infrared radiation and a source operating in LWIR (long-wave infrared, 8 – 12 microns) consisting in a metasurface of hot nano-emitters coupled to cold nano-antennas.
Dans le moyen infrarouge, il n’existe pas à l’heure actuelle de source bon marché, compacte et modulable rapidement en amplitude. L’émission thermique est souvent écartée à cause des propriétés du rayonnement de corps noir : il est large spectralement, isotrope, non polarisé et la fréquence de modulation en intensité est limitée à quelques hertz par l’inertie thermique des émetteurs.Cependant, aucune limite fondamentale n’impose ces inconvénients. L’objectif de cette thèse est de concevoir, fabriquer et caractériser des sources infrarouges incandescentes, de spectre et polarisation contrôlés, modulables au-delà du mégahertz. Les dispositifs que nous présentons reposent sur la modulation rapide de la température d’un émetteur de faible épaisseur, posé sur un substrat qui demeure froid : en effet, la conduction permet de le refroidir en un temps qui dépend quadratiquement de l’épaisseur.Dans un premier temps, nous présentons une source émettant en bande II (3 – 5 microns) fondée sur le principe de l’écran de Salisbury ; sa réponse en fréquence est caractérisée jusqu’à la dizaine de mégahertz.Puis nous modifions cette structure pour utiliser un réseau métallique sub-longueur d’onde et faisons ainsi la démonstration d’une source en bande II modulable et polarisée linéairement.Enfin, nous proposons plusieurs dispositifs pouvant rayonner avec une polarisation circulaire ainsi qu’une source en bande III (8 – 12 microns) constituée d’une métasurface de nano-émetteurs chauds couplés à des nano-antennes froides.
Origine : Version validée par le jury (STAR)
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