Soutenance de thèse de ANS Simon

Résumé de la thèse

La spectro-imagerie est un outil fondamental pour l'observation de la Terre et de l'Univers. Elle
s'appuie sur une instrumentation optique de très haute technologie et se situe au cœur des
recherches dans le domaine du spatial. La spectroscopie permet l'étude de la composition
des objets célestes et terrestres en séparant les longueurs d'onde qui composent un flux élec-
tromagnétique. Sa maîtrise, notamment dans le visible et l'infrarouge, est un défi majeur de
l'optique spatiale actuelle. Pour cela, l'optimisation du réseau de diffraction qui est à l'origine
de la dispersion de la lumière, est essentielle pour améliorer la qualité des observations. Les
réseaux qui diffractent la lumière dans une direction privilégiée, appelés réseaux blazés, offrent
une propriété de choix pour répondre à ce critère d'optimisation.

Le but de cette thèse est de modéliser et d'optimiser mathématiquement une structure bi-
périodique blazée, sub-longueur d'onde, sur la bande spectrale du visible et du proche infrarouge
(longueurs d'onde allant de 400 à 1500 nm). Le caractère sub-longueur d'onde du réseau implique
de considérer un motif nanostructuré. Celui-ci possède bien plus de degrés de liberté que
les réseaux blazés traditionnels, mais impose également des contraintes de fabrication plus
strictes. Le modèle mathématique repose sur la résolution des équations de Maxwell dans le
domaine fréquentiel, sous la forme dite de Helmholtz, en 2D, 2.5D et 3D. Pour la résolution
numérique, nous utilisons la Méthode des Elements Finis. Cette méthode est prise en charge
par un mailleur et un solveur open-source, lesquels ont été personnalisés et interfacés pour
répondre spécifiquement à la problématique de ce projet. Le design des structures est obtenu
par optimisation topologique. Cette méthode est tout d'abord appliquée au maillage de la région
de design, permettant de garder un motif libre sur la période. Une optimisation plus proche
des contraintes de fabrication de l'instrument est ensuite présentée, conduisant à un réseau
appartenant à la sous-famille des optiques planes, ou métasurfaces.

Ces contraintes de fabrication sont guidées par la gravure d'un premier échantillon : un réseau
blazé nanostructuré heuristique, basé sur le déphasage de la lumière incidente. Sa fabrication et
sa caractérisation fournissent des informations cruciales sur les tailles des pilliers que l'on peut
graver et les matériaux à privilégier. Elles permettent également une vérification du calcul de la
réponse d'un réseau avec le modèle numérique développé.