Vignette_Lentilles_Nanostructures.png        Lentilles nano-stucturées

Les lentilles nano-structurées sont formées de la juxtaposition de structurations sub-longueur d’onde permettant le contrôle de la phase des ondes en sortie de la lentille et donnant une convergence vers le point de focalisation. Elles présentent principalement deux avantages intrinsèques :

  • une très grande compacité (faible volume, faible masse) par rapport aux lentilles conventionnelles
  • l’accès à de très faibles distances focales (compatible avec une intégration au plus près du détecteur)

Notre équipe a étudié plusieurs types de lentilles nano-structurées :

Lentilles plasmoniques :

Les lentilles plasmoniques sont formées d’une couche métallique épaisse (i.e. opaque) percée de fentes à fort rapport d’aspect. Chaque fente est conçue comme un résonateur plasmonique pour la longueur d’onde de travail : les plasmons polaritons de surface (SPP) supportés par chaque interface métal-diélectrique se couplent et forment les modes propres du résonateur. Le couplage augmentant lorsque la fente est plus étroite, l’indice effectif du mode varie avec la largeur de la fente. Il est donc possible de disposer d’un ensemble de résonateurs plasmoniques de même profondeur de fente et dont la phase de l’onde de sortie varie de 0 à 2p en fonction de la largeur de la fente. Le positionnement de ces fentes par rapport à l’axe optique de la lentille permet d’obtenir le front d’onde correspondant à la distance focale désirée.

Lentilles_Plasmoniques.png

Ces lentilles présentent un défaut majeur : une extrême difficulté de fabrication. En effet il s’agit de réaliser dans un film métallique épais (plusieurs centaines de nm) des fentes étroites (certaines de quelques nm) et proches les unes des autres (quelques dizaines de nm). Pour contourner cet écueil notre équipe a cherché à simplifier cette structure en supprimant les fentes les plus étroites qui sont également celles qui présentent les amplitudes les plus faibles.

Lentilles de huygens :

Pour poursuivre de façon significative dans la voie de la simplification des lentilles métal-diélectrique nano-structurées, notre équipe a considéré une lentille composée d’une couche métallique percée d’un trou central (sténopé) et entouré de fentes identiques., appelée lentille de Huygens.

Lentilles_Huygens.png

Le procédé de fabrication est fortement simplifié. Dans l’exemple donné ici pour une lentille de distance focale 3mm, le film métallique est fin (100nm), les fentes sont larges (300nm) et équidistantes de 750nm.
Elles présentent un bon compromis entre la difficulté de fabrication et les performances.

Q. Levesque et al. J. Europ. Opt. Soc. Rap. Public. 8 13071 (2013)
Plus de détails dans la thèse de Quentin Levesque.

Lentilles à gradient d’indice :

Pour réduire les pertes inhérentes aux lentilles métal-diélectrique (réflexion et absorption), le moyen le plus radical est sans conteste de supprimer toute présence de métal. Dans ce contexte les lentilles de phase Fresnel, connues depuis longtemps, servent de référence. Elles présentent de très bonnes propriétés lorsque leur diamètre est suffisamment grand pour contenir plusieurs anneaux. Dans le cas contraire leur structuration est trop grossière pour fournir de bons résultats.

Lentilles_Gradient_Indice.png

Pour répondre à ce manque, notre équipe a conçu une lentille diélectrique nano-structurée présentant une variation continue de la phase le long d’un de ses rayons. La lentille est composée d’une couche de diélectrique d’épaisseur constante, structurée à une échelle inférieure à la longueur d’onde de façon à présenter un gradient d’indice effectif moyen adapté à la focalisation.

Ces lentilles sont particulièrement bien adaptées aux applications demandant des lentilles de faible diamètre et de faible distance focale (quelques mm), par exemple pour être intégrées dans des matrices de photo-détecteurs (voir Applications à l’imagerie infrarouge).

Plus de détails dans la thèse de Thomas Lopez.